ถาม: เทคโนโลยีหลักที่ใช้ในการตัดและประมวลผลเวเฟอร์ SiC มีอะไรบ้าง
A:ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) มีความแข็งเป็นรองเพียงเพชร และถือเป็นวัสดุที่แข็งและเปราะมาก กระบวนการตัด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการตัดผลึกที่เติบโตแล้วให้เป็นแผ่นเวเฟอร์บางๆ ใช้เวลานานและมีแนวโน้มที่จะบิ่น ขั้นตอนแรกในซิลิคอนคาร์ไบด์การประมวลผลแบบผลึกเดี่ยว คุณภาพของการตัดจะมีอิทธิพลอย่างมากต่อการบด การขัดเงา และการทำให้บางลงในภายหลัง การตัดมักทำให้เกิดรอยแตกร้าวทั้งบนผิวและใต้ผิว ซึ่งทำให้เวเฟอร์แตกและต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น ดังนั้น การควบคุมความเสียหายของรอยแตกร้าวบนผิวระหว่างการตัดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาการผลิตอุปกรณ์ SiC
วิธีการตัดซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่มีการรายงานในปัจจุบันประกอบด้วยการตัดแบบขัดคงที่ (fixed-abrasive) การตัดแบบอิสระ (free-abrasive) การตัดด้วยเลเซอร์ การถ่ายโอนชั้น (การแยกด้วยความเย็น) และการตัดแบบคายประจุไฟฟ้า ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ การตัดแบบหลายเส้นแบบลูกสูบด้วยวัสดุขัดเพชรคงที่เป็นวิธีที่นิยมใช้มากที่สุดในการประมวลผลผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์ อย่างไรก็ตาม เมื่อแท่งโลหะมีขนาดตั้งแต่ 8 นิ้วขึ้นไป การเลื่อยลวดแบบเดิมจะไม่ค่อยสะดวกนัก เนื่องจากความต้องการอุปกรณ์ที่สูง ต้นทุนที่สูง และประสิทธิภาพที่ต่ำ จึงมีความต้องการเทคโนโลยีการตัดที่มีต้นทุนต่ำ การสูญเสียต่ำ และประสิทธิภาพสูงอย่างเร่งด่วน
ถาม: การตัดด้วยเลเซอร์มีข้อดีเหนือกว่าการตัดด้วยลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิมอย่างไร?
ก: การเลื่อยลวดแบบดั้งเดิมจะตัดแท่ง SiCตามแนวที่กำหนดเป็นแผ่นหนาหลายร้อยไมครอน จากนั้นบดแผ่นโดยใช้สารละลายเพชรเพื่อขจัดรอยเลื่อยและความเสียหายใต้ผิวดิน จากนั้นจึงทำการขัดด้วยสารเคมีเชิงกล (CMP) เพื่อให้ได้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบทั่วไป และสุดท้ายทำความสะอาดเพื่อให้ได้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแข็งและความเปราะของ SiC ที่สูง ขั้นตอนเหล่านี้จึงอาจทำให้เกิดการโก่งงอ แตกร้าว อัตราการแตกหักที่สูงขึ้น ต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้น และส่งผลให้พื้นผิวมีความหยาบและปนเปื้อนสูง (เช่น ฝุ่น น้ำเสีย เป็นต้น) นอกจากนี้ การเลื่อยลวดยังใช้เวลานานและให้ผลผลิตต่ำ จากการประมาณการพบว่าการหั่นลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิมสามารถใช้ประโยชน์จากวัสดุได้เพียงประมาณ 50% และสูญเสียวัสดุมากถึง 75% หลังจากการขัดและเจียร ข้อมูลการผลิตในต่างประเทศในช่วงแรกบ่งชี้ว่าอาจใช้เวลาประมาณ 273 วันในการผลิตเวเฟอร์ 10,000 แผ่นอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ซึ่งใช้เวลานานมาก
ในประเทศ บริษัทผลิตผลึก SiC หลายแห่งมุ่งเน้นการเพิ่มกำลังการผลิตของเตาเผา อย่างไรก็ตาม แทนที่จะขยายกำลังการผลิตเพียงอย่างเดียว สิ่งที่สำคัญกว่าคือการพิจารณาว่าจะลดการสูญเสียได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผลผลิตจากการเติบโตของผลึกยังไม่เหมาะสมที่สุด
อุปกรณ์ตัดเลเซอร์สามารถลดการสูญเสียวัสดุและเพิ่มผลผลิตได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น การใช้เลเซอร์ขนาด 20 มม. เพียงอันเดียวแท่ง SiCการเลื่อยลวดสามารถผลิตแผ่นเวเฟอร์ได้ประมาณ 30 แผ่น ความหนา 350 ไมโครเมตร การหั่นด้วยเลเซอร์สามารถผลิตแผ่นเวเฟอร์ได้มากกว่า 50 แผ่น หากลดความหนาของแผ่นเวเฟอร์ลงเหลือ 200 ไมโครเมตร จะสามารถผลิตแผ่นเวเฟอร์ได้มากกว่า 80 แผ่นจากแท่งโลหะเดียวกัน แม้ว่าการเลื่อยลวดจะใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแผ่นเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วหรือเล็กกว่า แต่การหั่นแท่ง SiC ขนาด 8 นิ้วอาจใช้เวลา 10-15 วันด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์คุณภาพสูงและมีต้นทุนสูงแต่มีประสิทธิภาพต่ำ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ข้อได้เปรียบของการหั่นด้วยเลเซอร์จะชัดเจนขึ้น ทำให้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักแห่งอนาคตสำหรับแผ่นเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว
การตัดด้วยเลเซอร์ เวลาในการตัดเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วอาจใช้เวลาไม่ถึง 20 นาที โดยมีการสูญเสียวัสดุต่อเวเฟอร์น้อยกว่า 60 μm
โดยสรุป เมื่อเปรียบเทียบกับการตัดด้วยลวดหลายเส้น การตัดด้วยเลเซอร์จะให้ความเร็วที่สูงกว่า ผลผลิตที่ดีกว่า การสูญเสียวัสดุที่น้อยกว่า และการประมวลผลที่สะอาดกว่า
ถาม: ความท้าทายทางเทคนิคหลักในการตัด SiC ด้วยเลเซอร์คืออะไร
A: กระบวนการตัดด้วยเลเซอร์ประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก ได้แก่ การดัดแปลงด้วยเลเซอร์และการแยกเวเฟอร์
หัวใจสำคัญของการดัดแปลงเลเซอร์คือการปรับรูปร่างลำแสงและการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น กำลังเลเซอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางจุด และความเร็วในการสแกน ล้วนส่งผลต่อคุณภาพของการระเหยของวัสดุและความสำเร็จของการแยกแผ่นเวเฟอร์ในภายหลัง รูปทรงเรขาคณิตของโซนที่ดัดแปลงจะกำหนดความหยาบของพื้นผิวและความยากของการแยก ความหยาบของพื้นผิวที่สูงจะทำให้การเจียรในภายหลังมีความซับซ้อนและเพิ่มการสูญเสียวัสดุ
หลังจากการปรับเปลี่ยนแล้ว การแยกแผ่นเวเฟอร์มักจะเกิดขึ้นโดยใช้แรงเฉือน เช่น การแตกแบบเย็น หรือแรงเค้นเชิงกล ระบบที่ใช้ภายในบ้านบางระบบใช้ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิกเพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดการสั่นสะเทือนเพื่อแยกแผ่นเวเฟอร์ แต่สิ่งนี้อาจทำให้เกิดการบิ่นและรอยตำหนิที่ขอบ ซึ่งทำให้ผลผลิตสุดท้ายลดลง
แม้ว่าสองขั้นตอนนี้จะไม่ยากโดยเนื้อแท้ แต่ความไม่สอดคล้องกันของคุณภาพผลึก อันเนื่องมาจากกระบวนการเจริญเติบโต ระดับการเจือปน และการกระจายความเค้นภายในที่แตกต่างกัน ล้วนส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความยากในการหั่น ผลผลิต และการสูญเสียวัสดุ การระบุจุดที่มีปัญหาและการปรับโซนการสแกนด้วยเลเซอร์เพียงอย่างเดียวอาจไม่ได้ช่วยปรับปรุงผลลัพธ์อย่างมีนัยสำคัญ
กุญแจสำคัญในการนำไปใช้อย่างแพร่หลายอยู่ที่การพัฒนาวิธีการและอุปกรณ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับคุณภาพผลึกที่หลากหลายจากผู้ผลิตหลายราย การปรับปรุงพารามิเตอร์กระบวนการ และการสร้างระบบการตัดด้วยเลเซอร์ที่มีการใช้งานสากล
ถาม: เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์สามารถนำไปใช้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ นอกเหนือจาก SiC ได้หรือไม่
ตอบ: เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ถูกนำมาใช้กับวัสดุหลากหลายประเภทมาโดยตลอด ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เดิมทีเทคโนโลยีนี้ใช้สำหรับการตัดแผ่นเวเฟอร์ และต่อมาได้ขยายไปสู่การตัดผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่
นอกเหนือจาก SiC แล้ว การตัดด้วยเลเซอร์ยังสามารถใช้กับวัสดุแข็งหรือเปราะอื่นๆ ได้ เช่น เพชร แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และแกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) การศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้และข้อดีของการตัดด้วยเลเซอร์สำหรับการใช้งานด้านเซมิคอนดักเตอร์
ถาม: ปัจจุบันมีผลิตภัณฑ์เครื่องเลเซอร์สไลซ์ในประเทศที่พัฒนาแล้วหรือไม่? การวิจัยของคุณอยู่ในขั้นตอนไหน?
ตอบ: อุปกรณ์ตัดเลเซอร์ SiC เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ ถือเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับการผลิตเวเฟอร์ SiC ขนาด 8 นิ้วในอนาคต ปัจจุบันมีเพียงญี่ปุ่นเท่านั้นที่สามารถจัดหาระบบดังกล่าวได้ และอุปกรณ์เหล่านี้มีราคาแพงและมีข้อจำกัดด้านการส่งออก
ความต้องการระบบตัด/ทำให้บางด้วยเลเซอร์ในประเทศคาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 1,000 หน่วย โดยพิจารณาจากแผนการผลิต SiC และกำลังการผลิตเลื่อยลวดที่มีอยู่ บริษัทขนาดใหญ่ในประเทศได้ลงทุนอย่างหนักในการพัฒนา แต่ยังไม่มีอุปกรณ์ภายในประเทศที่พร้อมจำหน่ายในเชิงพาณิชย์และพร้อมใช้งานในระดับอุตสาหกรรม
กลุ่มวิจัยได้พัฒนาเทคโนโลยีการยกตัวด้วยเลเซอร์ที่เป็นกรรมสิทธิ์มาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2544 และปัจจุบันได้ขยายขอบเขตเทคโนโลยีนี้ไปสู่การตัดและการทำให้บางลงด้วยเลเซอร์ SiC เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ พวกเขาได้พัฒนาระบบต้นแบบและกระบวนการตัดที่สามารถ: ตัดและทำให้บางลงแผ่นเวเฟอร์ SiC กึ่งฉนวนขนาด 4–6 นิ้ว การตัดแท่ง SiC นำไฟฟ้าขนาด 6–8 นิ้ว เกณฑ์มาตรฐานประสิทธิภาพ: SiC กึ่งฉนวนขนาด 6–8 นิ้ว: เวลาในการตัด 10–15 นาที/แผ่นเวเฟอร์; การสูญเสียวัสดุ <30 ไมโครเมตร; SiC นำไฟฟ้าขนาด 6–8 นิ้ว: เวลาในการตัด 14–20 นาที/แผ่นเวเฟอร์; การสูญเสียวัสดุ <60 ไมโครเมตร
ผลผลิตเวเฟอร์โดยประมาณเพิ่มขึ้นมากกว่า 50%
หลังการหั่น เวเฟอร์จะผ่านมาตรฐานระดับชาติสำหรับรูปทรงเรขาคณิตหลังจากการเจียรและขัดเงา การศึกษายังแสดงให้เห็นว่าผลกระทบจากความร้อนที่เกิดจากเลเซอร์ไม่ส่งผลกระทบต่อความเค้นหรือรูปทรงเรขาคณิตในเวเฟอร์อย่างมีนัยสำคัญ
อุปกรณ์เดียวกันนี้ยังใช้เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ในการหั่นเพชร GaN และ Ga₂O₃ ผลึกเดี่ยวอีกด้วย
เวลาโพสต์: 23 พฤษภาคม 2568