ถาม: เทคโนโลยีหลักที่ใช้ในการตัดและแปรรูปแผ่นเวเฟอร์ SiC มีอะไรบ้าง?
A:ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีความแข็งเป็นอันดับสองรองจากเพชร และถือเป็นวัสดุที่แข็งมากและเปราะ การกระบวนการตัด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการตัดผลึกที่ปลูกแล้วให้เป็นแผ่นบาง ๆ นั้นใช้เวลานานและมีโอกาสแตกหักได้ง่าย ในขั้นตอนแรกซีซีในการประมวลผลผลึกเดี่ยว คุณภาพของการตัดเฉือนมีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการเจียร การขัดเงา และการทำให้บางลงในขั้นตอนต่อไป การตัดเฉือนมักทำให้เกิดรอยแตกบนพื้นผิวและใต้พื้นผิว ซึ่งเพิ่มอัตราการแตกหักของเวเฟอร์และต้นทุนการผลิต ดังนั้น การควบคุมความเสียหายจากรอยแตกบนพื้นผิวระหว่างการตัดเฉือนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาการผลิตอุปกรณ์ SiC
วิธีการตัด SiC ที่มีการรายงานในปัจจุบัน ได้แก่ การตัดด้วยสารขัดถูแบบคงที่ การตัดด้วยสารขัดถูแบบอิสระ การตัดด้วยเลเซอร์ การถ่ายโอนชั้น (การแยกเย็น) และการตัดด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้า ในบรรดาวิธีเหล่านี้ การตัดด้วยลวดหลายเส้นแบบไปกลับโดยใช้สารขัดถูเพชรแบบคงที่ เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในการแปรรูปผลึกเดี่ยว SiC อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดของแท่งโลหะมีขนาด 8 นิ้วขึ้นไป การเลื่อยด้วยลวดแบบดั้งเดิมจะเริ่มไม่เหมาะสมเนื่องจากความต้องการอุปกรณ์สูง ต้นทุนสูง และประสิทธิภาพต่ำ จึงมีความจำเป็นเร่งด่วนสำหรับเทคโนโลยีการตัดที่มีต้นทุนต่ำ การสูญเสียต่ำ และประสิทธิภาพสูง
ถาม: ข้อดีของการตัดด้วยเลเซอร์เมื่อเทียบกับการตัดด้วยลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิมคืออะไร?
A: การเลื่อยด้วยลวดแบบดั้งเดิมจะตัด...แท่งซิลิคอนคาร์ไบด์โดยการตัดตามแนวทิศทางที่กำหนดเป็นแผ่นบางๆ หนาหลายร้อยไมครอน จากนั้นจึงนำแผ่นบางเหล่านั้นไปขัดด้วยสารละลายเพชรเพื่อขจัดรอยเลื่อยและความเสียหายใต้พื้นผิว ตามด้วยการขัดเงาเชิงกลเคมี (CMP) เพื่อให้พื้นผิวเรียบเสมอกันทั่วทั้งแผ่น และสุดท้ายทำความสะอาดเพื่อให้ได้แผ่นเวเฟอร์ SiC
อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก SiC มีความแข็งและความเปราะสูง ขั้นตอนเหล่านี้จึงอาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยว การแตกร้าว อัตราการแตกหักที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้น และส่งผลให้พื้นผิวหยาบและปนเปื้อน (ฝุ่นละออง น้ำเสีย ฯลฯ) นอกจากนี้ การเลื่อยด้วยลวดนั้นช้าและมีผลผลิตต่ำ จากการประมาณการพบว่า การตัดด้วยลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิมนั้นใช้ประโยชน์จากวัสดุได้เพียงประมาณ 50% และวัสดุมากถึง 75% จะสูญเสียไปหลังจากการขัดเงาและการเจียร ข้อมูลการผลิตในต่างประเทศในช่วงแรกระบุว่า อาจต้องใช้เวลาประมาณ 273 วันในการผลิตต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง เพื่อผลิตเวเฟอร์ 10,000 ชิ้น ซึ่งใช้เวลานานมาก
ในประเทศ หลายบริษัทที่ผลิตผลึก SiC มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มกำลังการผลิตของเตาหลอม อย่างไรก็ตาม แทนที่จะขยายผลผลิตเพียงอย่างเดียว สิ่งสำคัญกว่าคือการพิจารณาว่าจะลดการสูญเสียได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผลผลิตจากการเจริญเติบโตของผลึกยังไม่เหมาะสม
อุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์สามารถลดการสูญเสียวัสดุและเพิ่มผลผลิตได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น การใช้ใบมีดขนาด 20 มม. เพียงใบเดียวแท่งซิลิคอนคาร์ไบด์การเลื่อยด้วยลวดสามารถผลิตเวเฟอร์ที่มีความหนา 350 ไมโครเมตรได้ประมาณ 30 แผ่น ในขณะที่การตัดด้วยเลเซอร์สามารถผลิตเวเฟอร์ได้มากกว่า 50 แผ่น หากลดความหนาของเวเฟอร์ลงเหลือ 200 ไมโครเมตร จะสามารถผลิตเวเฟอร์ได้มากกว่า 80 แผ่นจากแท่งโลหะเดียวกัน ในขณะที่การเลื่อยด้วยลวดนั้นใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วและเล็กกว่า การตัดแท่งโลหะ SiC ขนาด 8 นิ้วด้วยวิธีการแบบดั้งเดิมอาจใช้เวลา 10-15 วัน ต้องใช้อุปกรณ์ระดับสูง และมีต้นทุนสูงโดยมีประสิทธิภาพต่ำ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ข้อดีของการตัดด้วยเลเซอร์จึงชัดเจน ทำให้เป็นเทคโนโลยีหลักในอนาคตสำหรับเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว
ด้วยเทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ เวลาในการตัดแผ่นเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วแต่ละแผ่นสามารถต่ำกว่า 20 นาที โดยมีการสูญเสียวัสดุต่อแผ่นต่ำกว่า 60 ไมโครเมตร
โดยสรุปแล้ว เมื่อเปรียบเทียบกับการตัดด้วยลวดหลายเส้น การตัดด้วยเลเซอร์ให้ความเร็วที่สูงกว่า ผลผลิตที่ดีกว่า การสูญเสียวัสดุน้อยกว่า และกระบวนการที่สะอาดกว่า
ถาม: ความท้าทายทางเทคนิคหลักในการตัดเฉือน SiC ด้วยเลเซอร์มีอะไรบ้าง?
A: กระบวนการตัดด้วยเลเซอร์ประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก ได้แก่ การปรับเปลี่ยนด้วยเลเซอร์และการแยกแผ่นเวเฟอร์
หัวใจสำคัญของการปรับแต่งด้วยเลเซอร์คือการปรับรูปร่างลำแสงและการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น กำลังเลเซอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางจุด และความเร็วในการสแกน ล้วนส่งผลต่อคุณภาพของการกัดกร่อนวัสดุและความสำเร็จของการแยกแผ่นเวเฟอร์ในขั้นตอนต่อไป รูปทรงของบริเวณที่ได้รับการปรับแต่งจะกำหนดความหยาบของพื้นผิวและความยากง่ายในการแยก พื้นผิวที่หยาบมากจะทำให้การเจียรในภายหลังทำได้ยากขึ้นและเพิ่มการสูญเสียวัสดุ
หลังจากการปรับแต่งแล้ว การแยกแผ่นเวเฟอร์มักทำได้โดยใช้แรงเฉือน เช่น การแตกเย็นหรือความเค้นทางกล บางระบบในประเทศใช้ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิกเพื่อสร้างการสั่นสะเทือนสำหรับการแยก แต่สิ่งนี้อาจทำให้เกิดการบิ่นและข้อบกพร่องที่ขอบ ซึ่งลดผลผลิตสุดท้ายลง
แม้ว่าสองขั้นตอนดังกล่าวจะไม่ยากโดยเนื้อแท้ แต่ความไม่สม่ำเสมอในคุณภาพของผลึก—เนื่องจากกระบวนการเจริญเติบโต ระดับการเจือปน และการกระจายความเค้นภายในที่แตกต่างกัน—ส่งผลกระทบอย่างมากต่อความยากในการหั่น ผลผลิต และการสูญเสียวัสดุ การระบุพื้นที่ที่มีปัญหาและปรับโซนการสแกนด้วยเลเซอร์เพียงอย่างเดียวอาจไม่ช่วยปรับปรุงผลลัพธ์อย่างมีนัยสำคัญ
กุญแจสำคัญในการนำไปใช้อย่างแพร่หลายอยู่ที่การพัฒนาวิธีการและอุปกรณ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับคุณภาพของผลึกที่หลากหลายจากผู้ผลิตหลายราย ปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการให้เหมาะสม และสร้างระบบการตัดด้วยเลเซอร์ที่สามารถใช้งานได้ในทุกกรณี
ถาม: เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์สามารถนำไปใช้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ นอกเหนือจาก SiC ได้หรือไม่?
A: เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์นั้นถูกนำไปประยุกต์ใช้กับวัสดุหลากหลายประเภทมาตั้งแต่ในอดีต ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เริ่มแรกใช้สำหรับการตัดแผ่นเวเฟอร์ และต่อมาได้ขยายไปสู่การตัดผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่
นอกเหนือจาก SiC แล้ว การตัดด้วยเลเซอร์ยังสามารถใช้กับวัสดุแข็งหรือเปราะอื่นๆ เช่น เพชร แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และแกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) การศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้และข้อดีของการตัดด้วยเลเซอร์สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์
ถาม: ปัจจุบันมีผลิตภัณฑ์เครื่องตัดเลเซอร์ในประเทศที่พัฒนาจนสมบูรณ์แล้วหรือไม่? การวิจัยของคุณอยู่ในขั้นตอนใด?
A: อุปกรณ์ตัดเลเซอร์ SiC ขนาดใหญ่ถือเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับอนาคตของการผลิตเวเฟอร์ SiC ขนาด 8 นิ้ว ปัจจุบันมีเพียงญี่ปุ่นเท่านั้นที่สามารถจัดหาระบบดังกล่าวได้ และอุปกรณ์เหล่านี้มีราคาแพงและอยู่ภายใต้ข้อจำกัดด้านการส่งออก
ความต้องการภายในประเทศสำหรับระบบตัด/ลดความหนาด้วยเลเซอร์คาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 1,000 หน่วย โดยอิงจากแผนการผลิต SiC และกำลังการผลิตเลื่อยลวดที่มีอยู่ บริษัทขนาดใหญ่ในประเทศได้ลงทุนอย่างมากในการพัฒนา แต่ยังไม่มีอุปกรณ์ที่ผลิตในประเทศที่พร้อมใช้งานเชิงพาณิชย์และเข้าสู่การใช้งานในระดับอุตสาหกรรม
กลุ่มวิจัยได้พัฒนาเทคโนโลยีการยกแผ่นด้วยเลเซอร์ที่เป็นกรรมสิทธิ์มาตั้งแต่ปี 2001 และขณะนี้ได้ขยายเทคโนโลยีนี้ไปสู่การตัดและทำให้บางลงของแผ่น SiC ขนาดใหญ่ด้วยเลเซอร์แล้ว พวกเขาได้พัฒนาระบบต้นแบบและกระบวนการตัดที่สามารถ: ตัดและทำให้บางลงแผ่นเวเฟอร์ SiC กึ่งฉนวนขนาด 4–6 นิ้ว ตัดแท่ง SiC นำไฟฟ้าขนาด 6–8 นิ้ว เกณฑ์มาตรฐานประสิทธิภาพ: SiC กึ่งฉนวนขนาด 6–8 นิ้ว: เวลาในการตัด 10–15 นาที/แผ่น; การสูญเสียวัสดุ <30 μm SiC นำไฟฟ้าขนาด 6–8 นิ้ว: เวลาในการตัด 14–20 นาที/แผ่น; การสูญเสียวัสดุ <60 μm
ผลผลิตเวเฟอร์โดยประมาณเพิ่มขึ้นกว่า 50%
หลังจากการตัดแบ่งแผ่นเวเฟอร์แล้ว แผ่นเวเฟอร์จะตรงตามมาตรฐานระดับประเทศด้านรูปทรงเรขาคณิตหลังจากการเจียรและการขัดเงา การศึกษาต่างๆ ยังแสดงให้เห็นว่าผลกระทบจากความร้อนที่เกิดจากเลเซอร์ไม่ได้ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความเค้นหรือรูปทรงเรขาคณิตในแผ่นเวเฟอร์
อุปกรณ์เดียวกันนี้ยังถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ในการตัดผลึกเดี่ยวของเพชร แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และแกลเลียมออกซี (Ga₂O₃) อีกด้วย
วันที่เผยแพร่: 23 พฤษภาคม 2568