SiC वेफर प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी की वर्तमान स्थिति और रुझान

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सब्सट्रेट सामग्री के रूप में,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)उच्च-आवृत्ति और उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में एकल क्रिस्टल की व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएँ हैं। SiC प्रसंस्करण तकनीक उच्च-गुणवत्ता वाली सब्सट्रेट सामग्रियों के उत्पादन में निर्णायक भूमिका निभाती है। यह लेख चीन और विदेशों में SiC प्रसंस्करण तकनीकों पर वर्तमान शोध की स्थिति का परिचय देता है, काटने, पीसने और पॉलिश करने की प्रक्रियाओं के तंत्रों का विश्लेषण और तुलना करता है, साथ ही वेफर की समतलता और सतह खुरदरापन के रुझानों का भी विश्लेषण और तुलना करता है। यह SiC वेफर प्रसंस्करण में मौजूदा चुनौतियों की ओर भी इशारा करता है और भविष्य के विकास की दिशाओं पर चर्चा करता है।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)वेफ़र्स तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण आधारभूत सामग्री हैं और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और अर्धचालक प्रकाश व्यवस्था जैसे क्षेत्रों में महत्वपूर्ण महत्व और बाज़ार क्षमता रखते हैं। अत्यधिक कठोरता और रासायनिक स्थिरता के कारण, वेफ़र्सSiC एकल क्रिस्टलपारंपरिक अर्धचालक प्रसंस्करण विधियाँ उनकी मशीनिंग के लिए पूरी तरह उपयुक्त नहीं हैं। हालाँकि कई अंतरराष्ट्रीय कंपनियों ने SiC एकल क्रिस्टलों के तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण प्रसंस्करण पर व्यापक शोध किया है, फिर भी संबंधित तकनीकों को पूरी तरह गोपनीय रखा जाता है।

हाल के वर्षों में, चीन ने SiC सिंगल क्रिस्टल सामग्रियों और उपकरणों के विकास में अपने प्रयासों को बढ़ाया है। हालाँकि, देश में SiC उपकरण प्रौद्योगिकी की प्रगति वर्तमान में प्रसंस्करण तकनीकों और वेफर गुणवत्ता की सीमाओं के कारण बाधित है। इसलिए, चीन के लिए SiC सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स की गुणवत्ता बढ़ाने और उनके व्यावहारिक अनुप्रयोग और बड़े पैमाने पर उत्पादन को प्राप्त करने के लिए SiC प्रसंस्करण क्षमताओं में सुधार करना आवश्यक है।

मुख्य प्रसंस्करण चरणों में शामिल हैं: काटना → मोटा पीसना → बारीक पीसना → खुरदरा पॉलिश करना (यांत्रिक पॉलिशिंग) → बारीक पॉलिश करना (रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग, सीएमपी) → निरीक्षण।

SiC एकल क्रिस्टल की कटिंग

के प्रसंस्करण मेंSiC एकल क्रिस्टलकटिंग पहला और बेहद महत्वपूर्ण चरण है। कटिंग प्रक्रिया के परिणामस्वरूप वेफर का धनुष, ताना और कुल मोटाई में परिवर्तन (टीटीवी) बाद की ग्राइंडिंग और पॉलिशिंग प्रक्रियाओं की गुणवत्ता और प्रभावशीलता निर्धारित करता है।

काटने के औज़ारों को आकार के आधार पर हीरक आंतरिक व्यास (ID) आरी, बाह्य व्यास (OD) आरी, बैंड आरी और तार आरी में वर्गीकृत किया जा सकता है। तार आरी को, उनकी गति के प्रकार के आधार पर, प्रत्यागामी और लूप (अंतहीन) तार प्रणालियों में वर्गीकृत किया जा सकता है। अपघर्षक की काटने की क्रियाविधि के आधार पर, तार आरी काटने की तकनीकों को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: मुक्त अपघर्षक तार आरी और स्थिर अपघर्षक हीरा तार आरी।

1.1 पारंपरिक कटाई विधियाँ

बाहरी व्यास (OD) आरी की काटने की गहराई ब्लेड के व्यास द्वारा सीमित होती है। काटने की प्रक्रिया के दौरान, ब्लेड कंपन और विचलन के प्रति संवेदनशील होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च शोर स्तर और कम कठोरता होती है। आंतरिक व्यास (ID) आरी में ब्लेड की आंतरिक परिधि पर काटने वाली धार के रूप में हीरे के अपघर्षक का उपयोग किया जाता है। ये ब्लेड 0.2 मिमी तक पतले हो सकते हैं। काटने के दौरान, ID ब्लेड तेज़ गति से घूमता है जबकि काटी जाने वाली सामग्री ब्लेड के केंद्र के सापेक्ष त्रिज्यीय रूप से गति करती है, जिससे इस सापेक्ष गति के माध्यम से काटने की प्रक्रिया पूरी होती है।

डायमंड बैंड आरी को बार-बार रुकना और पीछे मुड़ना पड़ता है, और काटने की गति बहुत कम होती है—आमतौर पर 2 मीटर/सेकंड से ज़्यादा नहीं। इनमें यांत्रिक घिसाव और रखरखाव की उच्च लागत भी होती है। आरी ब्लेड की चौड़ाई के कारण, काटने की त्रिज्या बहुत छोटी नहीं हो सकती, और कई स्लाइस काटना संभव नहीं है। ये पारंपरिक काटने वाले औज़ार आधार की कठोरता के कारण सीमित होते हैं और घुमावदार कट नहीं बना सकते या इनकी मोड़ने की त्रिज्या सीमित होती है। ये केवल सीधे कट ही कर पाते हैं, चौड़े कट बनाते हैं, इनकी उपज दर कम होती है, और इसलिए ये काटने के लिए अनुपयुक्त होते हैं।SiC क्रिस्टल.

1.2 फ्री एब्रेसिव वायर सॉ मल्टी-वायर कटिंग

मुक्त अपघर्षक तार आरी स्लाइसिंग तकनीक, तार की तीव्र गति का उपयोग करके स्लरी को कर्फ़ में ले जाती है, जिससे सामग्री को हटाया जा सकता है। यह मुख्य रूप से एक प्रत्यागामी संरचना का उपयोग करती है और वर्तमान में एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन की कुशल बहु-वेफर कटिंग के लिए एक परिपक्व और व्यापक रूप से प्रयुक्त विधि है। हालाँकि, SiC कटिंग में इसके अनुप्रयोग का कम व्यापक अध्ययन किया गया है।

मुक्त अपघर्षक तार आरी 300 माइक्रोमीटर से कम मोटाई वाले वेफ़र्स को संसाधित कर सकती हैं। इनमें कम कर्फ़ क्षति होती है, शायद ही कभी छिलते हैं, और सतह की गुणवत्ता अपेक्षाकृत अच्छी होती है। हालाँकि, अपघर्षकों के रोलिंग और इंडेंटेशन पर आधारित सामग्री निष्कासन तंत्र के कारण, वेफ़र की सतह पर महत्वपूर्ण अवशिष्ट तनाव, सूक्ष्म दरारें और गहरी क्षति परतें विकसित होने की संभावना होती है। इससे वेफ़र मुड़ जाता है, सतह प्रोफ़ाइल की सटीकता को नियंत्रित करना मुश्किल हो जाता है, और बाद के प्रसंस्करण चरणों पर भार बढ़ जाता है।

काटने का प्रदर्शन स्लरी से बहुत प्रभावित होता है; अपघर्षकों की तीक्ष्णता और स्लरी की सांद्रता बनाए रखना आवश्यक है। स्लरी उपचार और पुनर्चक्रण महंगा है। बड़े आकार के सिल्लियों को काटते समय, अपघर्षकों को गहरे और लंबे कटों में प्रवेश करने में कठिनाई होती है। समान अपघर्षक कण आकार के तहत, कट का नुकसान स्थिर-अपघर्षक तार आरी की तुलना में अधिक होता है।

1.3 फिक्स्ड एब्रेसिव डायमंड वायर सॉ मल्टी-वायर कटिंग

स्थिर अपघर्षक हीरा तार आरी आमतौर पर इलेक्ट्रोप्लेटिंग, सिंटरिंग या रेज़िन बॉन्डिंग विधियों द्वारा स्टील वायर सब्सट्रेट पर हीरे के कणों को एम्बेड करके बनाई जाती हैं। इलेक्ट्रोप्लेटेड हीरा तार आरी के कई फायदे हैं जैसे संकरे कट, बेहतर स्लाइस क्वालिटी, उच्च दक्षता, कम संदूषण और उच्च कठोरता वाली सामग्रियों को काटने की क्षमता।

रेसिप्रोकेटिंग इलेक्ट्रोप्लेटेड डायमंड वायर सॉ वर्तमान में SiC काटने के लिए सबसे व्यापक रूप से प्रयुक्त विधि है। चित्र 1 (यहाँ नहीं दिखाया गया है) इस तकनीक से काटे गए SiC वेफर्स की सतह की समतलता को दर्शाता है। जैसे-जैसे कटाई आगे बढ़ती है, वेफर का विरूपण बढ़ता जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तार के नीचे की ओर बढ़ने पर तार और पदार्थ के बीच संपर्क क्षेत्र बढ़ता है, जिससे प्रतिरोध और तार का कंपन बढ़ता है। जब तार वेफर के अधिकतम व्यास तक पहुँच जाता है, तो कंपन अपने चरम पर होता है, जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम विरूपण होता है।

काटने के बाद के चरणों में, तार के त्वरण, स्थिर गति, मंदन, रुकने और उलटने के साथ-साथ शीतलक के साथ मलबे को हटाने में आने वाली कठिनाइयों के कारण, वेफर की सतह की गुणवत्ता खराब हो जाती है। तार का उलटना और गति में उतार-चढ़ाव, साथ ही तार पर बड़े हीरे के कण, सतह पर खरोंच के प्रमुख कारण हैं।

1.4 शीत पृथक्करण प्रौद्योगिकी

SiC एकल क्रिस्टल का शीत पृथक्करण तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ प्रसंस्करण के क्षेत्र में एक नवीन प्रक्रिया है। हाल के वर्षों में, इसने उपज में सुधार और पदार्थ हानि को कम करने में अपने उल्लेखनीय लाभों के कारण काफ़ी ध्यान आकर्षित किया है। इस तकनीक का विश्लेषण तीन पहलुओं से किया जा सकता है: कार्य सिद्धांत, प्रक्रिया प्रवाह और मुख्य लाभ।

क्रिस्टल अभिविन्यास निर्धारण और बाहरी व्यास ग्राइंडिंग: प्रसंस्करण से पहले, SiC पिंड के क्रिस्टल अभिविन्यास का निर्धारण किया जाना चाहिए। फिर पिंड को बाहरी व्यास ग्राइंडिंग के माध्यम से एक बेलनाकार संरचना (जिसे आमतौर पर SiC पक कहा जाता है) का आकार दिया जाता है। यह चरण आगे की दिशात्मक कटिंग और स्लाइसिंग की नींव रखता है।

मल्टी-वायर कटिंग: इस विधि में बेलनाकार पिंड को काटने के लिए अपघर्षक कणों को कटिंग तारों के साथ मिलाकर इस्तेमाल किया जाता है। हालाँकि, इसमें काफी कट-ऑफ और सतह की असमानता की समस्याएँ होती हैं।

लेज़र कटिंग तकनीक: क्रिस्टल के भीतर एक संशोधित परत बनाने के लिए लेज़र का उपयोग किया जाता है, जिससे पतली स्लाइसें अलग की जा सकती हैं। यह विधि सामग्री की हानि को कम करती है और प्रसंस्करण दक्षता को बढ़ाती है, जिससे यह SiC वेफर कटिंग के लिए एक आशाजनक नई दिशा बन जाती है।

काटने की प्रक्रिया अनुकूलन

फिक्स्ड एब्रेसिव मल्टी-वायर कटिंग: यह वर्तमान में मुख्यधारा की तकनीक है, जो SiC की उच्च कठोरता विशेषताओं के लिए उपयुक्त है।

इलेक्ट्रिकल डिस्चार्ज मशीनिंग (ईडीएम) और शीत पृथक्करण प्रौद्योगिकी: ये विधियां विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप विविध समाधान प्रदान करती हैं।

पॉलिशिंग प्रक्रिया: सामग्री हटाने की दर और सतह की क्षति के बीच संतुलन बनाए रखना आवश्यक है। सतह की एकरूपता में सुधार के लिए रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी) का उपयोग किया जाता है।

वास्तविक समय निगरानी: वास्तविक समय में सतह खुरदरापन की निगरानी के लिए ऑनलाइन निरीक्षण प्रौद्योगिकियां शुरू की गई हैं।

लेजर स्लाइसिंग: यह तकनीक कर्फ़ हानि को कम करती है और प्रसंस्करण चक्र को छोटा करती है, हालांकि थर्मल प्रभावित क्षेत्र एक चुनौती बना हुआ है।

हाइब्रिड प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियां: यांत्रिक और रासायनिक विधियों के संयोजन से प्रसंस्करण दक्षता बढ़ जाती है।

इस तकनीक का औद्योगिक अनुप्रयोग पहले ही हो चुका है। उदाहरण के लिए, Infineon ने SILTECTRA का अधिग्रहण कर लिया है और अब उसके पास 8-इंच वेफ़र्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन का समर्थन करने वाले प्रमुख पेटेंट हैं। चीन में, Delong Laser जैसी कंपनियों ने 6-इंच वेफ़र प्रसंस्करण के लिए प्रति पिंड 30 वेफ़र्स की उत्पादन दक्षता हासिल की है, जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में 40% सुधार दर्शाता है।

जैसे-जैसे घरेलू उपकरणों का निर्माण बढ़ रहा है, इस तकनीक के SiC सब्सट्रेट प्रसंस्करण के लिए मुख्यधारा का समाधान बनने की उम्मीद है। अर्धचालक पदार्थों के बढ़ते व्यास के साथ, पारंपरिक काटने के तरीके अप्रचलित हो गए हैं। मौजूदा विकल्पों में, रेसिप्रोकेटिंग डायमंड वायर सॉ तकनीक सबसे आशाजनक अनुप्रयोग संभावनाएँ दिखाती है। एक उभरती हुई तकनीक के रूप में, लेज़र कटिंग महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है और भविष्य में इसके प्राथमिक काटने का तरीका बनने की उम्मीद है।

2、SiC एकल क्रिस्टल पीस

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के प्रतिनिधि के रूप में, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) अपने विस्तृत बैंडगैप, उच्च विखंडन विद्युत क्षेत्र, उच्च संतृप्ति इलेक्ट्रॉन अपवाह वेग और उत्कृष्ट तापीय चालकता के कारण महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है। ये गुण SiC को उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों (जैसे, 1200V वातावरण) में विशेष रूप से लाभप्रद बनाते हैं। SiC सबस्ट्रेट्स की प्रसंस्करण तकनीक उपकरण निर्माण का एक मूलभूत हिस्सा है। सबस्ट्रेट की सतह की गुणवत्ता और परिशुद्धता सीधे एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता और अंतिम उपकरण के प्रदर्शन को प्रभावित करती है।

पीसने की प्रक्रिया का मुख्य उद्देश्य सतह पर आरी के निशान और काटने के दौरान हुई क्षति की परतों को हटाना और काटने की प्रक्रिया से उत्पन्न विकृति को ठीक करना है। SiC की अत्यधिक कठोरता को देखते हुए, पीसने के लिए बोरॉन कार्बाइड या हीरे जैसे कठोर अपघर्षकों का उपयोग आवश्यक है। पारंपरिक पीसने को आमतौर पर मोटे पीसने और बारीक पीसने में विभाजित किया जाता है।

2.1 मोटा और बारीक पीसना

पीसने को अपघर्षक कण आकार के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

मोटा पीसना: मुख्य रूप से काटने के दौरान आरी के निशान और क्षतिग्रस्त परतों को हटाने के लिए बड़े अपघर्षकों का उपयोग किया जाता है, जिससे प्रसंस्करण दक्षता में सुधार होता है।

बारीक पिसाई: मोटे पिसाई से बची हुई क्षति परत को हटाने, सतह की खुरदरापन को कम करने, और सतह की गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए महीन अपघर्षक का उपयोग किया जाता है।

कई घरेलू SiC सब्सट्रेट निर्माता बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रक्रियाओं का उपयोग करते हैं। एक सामान्य विधि में ढलवाँ लोहे की प्लेट और मोनोक्रिस्टलाइन डायमंड स्लरी का उपयोग करके दो तरफा पीसना शामिल है। यह प्रक्रिया तार काटने से बची हुई क्षतिग्रस्त परत को प्रभावी ढंग से हटाती है, वेफर के आकार को सही करती है, और TTV (कुल मोटाई परिवर्तन), धनुषाकार और ताना-बाना को कम करती है। सामग्री हटाने की दर स्थिर होती है, जो आमतौर पर 0.8-1.2 μm/मिनट तक पहुँचती है। हालाँकि, परिणामी वेफर सतह अपेक्षाकृत उच्च खुरदरापन वाली मैट होती है—आमतौर पर लगभग 50 nm—जिससे बाद के पॉलिशिंग चरणों में अधिक माँग होती है।

2.2 एक तरफा पीसना

एकतरफ़ा पीसने की प्रक्रिया में एक बार में वेफर के केवल एक तरफ़ की ही प्रक्रिया की जाती है। इस प्रक्रिया के दौरान, वेफर को स्टील की प्लेट पर मोम से चिपकाया जाता है। दबाव पड़ने पर, सब्सट्रेट थोड़ा विकृत हो जाता है और ऊपरी सतह चपटी हो जाती है। पीसने के बाद, निचली सतह समतल हो जाती है। दबाव हटने पर, ऊपरी सतह अपने मूल आकार में आ जाती है, जिसका असर पहले से पिसी हुई निचली सतह पर भी पड़ता है—जिससे दोनों तरफ़ की सतह मुड़ जाती है और चपटी हो जाती है।

इसके अलावा, पीसने वाली प्लेट थोड़े समय में ही अवतल हो सकती है, जिससे वेफर उत्तल हो जाता है। प्लेट की समतलता बनाए रखने के लिए, बार-बार ड्रेसिंग की आवश्यकता होती है। कम दक्षता और खराब वेफर समतलता के कारण, एकतरफा पीसने की विधि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है।

आमतौर पर, बारीक पीसने के लिए #8000 ग्राइंडिंग व्हील्स का इस्तेमाल किया जाता है। जापान में, यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत परिपक्व है और यहाँ तक कि #30000 पॉलिशिंग व्हील्स का भी इस्तेमाल किया जाता है। इससे संसाधित वेफ़र्स की सतह का खुरदरापन 2 नैनोमीटर से नीचे पहुँच जाता है, जिससे वेफ़र्स बिना किसी अतिरिक्त प्रसंस्करण के अंतिम सीएमपी (केमिकल मैकेनिकल पॉलिशिंग) के लिए तैयार हो जाते हैं।

2.3 एकल-पक्षीय पतलापन तकनीक

डायमंड सिंगल-साइडेड थिनिंग तकनीक, सिंगल-साइड ग्राइंडिंग की एक नई विधि है। जैसा कि चित्र 5 (यहाँ नहीं दिखाया गया है) में दिखाया गया है, इस प्रक्रिया में डायमंड-बॉन्डेड ग्राइंडिंग प्लेट का उपयोग किया जाता है। वेफर को वैक्यूम एडसोर्प्शन के माध्यम से स्थिर किया जाता है, जबकि वेफर और डायमंड ग्राइंडिंग व्हील दोनों एक साथ घूमते हैं। ग्राइंडिंग व्हील धीरे-धीरे नीचे की ओर गति करता है ताकि वेफर को एक निश्चित मोटाई तक पतला किया जा सके। एक तरफ से ग्राइंडिंग पूरी होने के बाद, दूसरी तरफ से ग्राइंडिंग करने के लिए वेफर को पलट दिया जाता है।

पतला करने के बाद, 100 मिमी वेफर प्राप्त कर सकता है:

धनुष < 5 μm

टीटीवी < 2 μm

सतह खुरदरापन < 1 एनएम

यह एकल-वेफर प्रसंस्करण विधि उच्च स्थिरता, उत्कृष्ट संगति और उच्च पदार्थ निष्कासन दर प्रदान करती है। पारंपरिक दो तरफा पीसने की तुलना में, यह तकनीक पीसने की दक्षता में 50% से अधिक सुधार करती है।

2.4 दो तरफा पीसना

दो तरफा पीसने में सब्सट्रेट के दोनों किनारों को एक साथ पीसने के लिए ऊपरी और निचली दोनों पीसने वाली प्लेटों का उपयोग किया जाता है, जिससे दोनों तरफ उत्कृष्ट सतह की गुणवत्ता सुनिश्चित होती है।

इस प्रक्रिया के दौरान, पीसने वाली प्लेटें सबसे पहले वर्कपीस के सबसे ऊँचे बिंदुओं पर दबाव डालती हैं, जिससे उन बिंदुओं पर विरूपण होता है और धीरे-धीरे सामग्री हटती है। जैसे-जैसे ऊँचे बिंदु समतल होते जाते हैं, सब्सट्रेट पर दबाव धीरे-धीरे एकसमान होता जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पूरी सतह पर एकसमान विरूपण होता है। इससे ऊपरी और निचली, दोनों सतहों को समान रूप से पीसने में मदद मिलती है। पीसने की प्रक्रिया पूरी होने और दबाव मुक्त होने के बाद, सब्सट्रेट का प्रत्येक भाग समान दबाव के कारण समान रूप से ठीक हो जाता है। इससे न्यूनतम विरूपण और अच्छी समतलता प्राप्त होती है।

पीसने के बाद वेफर की सतह का खुरदरापन अपघर्षक कणों के आकार पर निर्भर करता है—छोटे कण चिकनी सतह प्रदान करते हैं। दो तरफा पीसने के लिए 5 μm अपघर्षकों का उपयोग करते समय, वेफर की समतलता और मोटाई में परिवर्तन को 5 μm के भीतर नियंत्रित किया जा सकता है। परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM) माप लगभग 100 nm की सतह खुरदरापन (Rq) दर्शाते हैं, जिसमें 380 nm तक गहरे पीसने वाले गड्ढे और अपघर्षक क्रिया के कारण दिखाई देने वाले रेखीय निशान होते हैं।

एक अधिक उन्नत विधि में पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड स्लरी के साथ पॉलीयूरेथेन फोम पैड का उपयोग करके दो तरफा पीसना शामिल है। इस प्रक्रिया से बहुत कम सतह खुरदरापन वाले वेफ़र प्राप्त होते हैं, जिससे Ra < 3 nm प्राप्त होता है, जो SiC सबस्ट्रेट्स की बाद की पॉलिशिंग के लिए अत्यधिक लाभकारी होता है।

हालाँकि, सतह पर खरोंच आना एक अनसुलझा मुद्दा बना हुआ है। इसके अलावा, इस प्रक्रिया में इस्तेमाल होने वाला पॉलीक्रिस्टलाइन हीरा विस्फोटक संश्लेषण द्वारा निर्मित होता है, जो तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है, कम मात्रा में प्राप्त होता है, और बेहद महंगा है।

SiC एकल क्रिस्टल की पॉलिशिंग

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) वेफर्स पर उच्च-गुणवत्ता वाली पॉलिश की हुई सतह प्राप्त करने के लिए, पॉलिशिंग के दौरान ग्राइंडिंग के गड्ढों और नैनोमीटर-स्केल सतही उतार-चढ़ाव को पूरी तरह से हटाना आवश्यक है। इसका लक्ष्य एक चिकनी, दोषरहित सतह तैयार करना है जिसमें कोई संदूषण या क्षरण न हो, कोई उप-सतह क्षति न हो, और कोई अवशिष्ट सतही तनाव न हो।

3.1 SiC वेफर्स की मैकेनिकल पॉलिशिंग और CMP

SiC एकल क्रिस्टल पिंड के विकास के बाद, सतही दोष इसे सीधे एपिटैक्सियल विकास के लिए उपयोग करने से रोकते हैं। इसलिए, आगे की प्रक्रिया आवश्यक है। पिंड को पहले गोलाई द्वारा एक मानक बेलनाकार आकार दिया जाता है, फिर तार काटने की विधि का उपयोग करके वेफर्स में काटा जाता है, और उसके बाद क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास सत्यापन किया जाता है। पॉलिशिंग वेफर की गुणवत्ता में सुधार लाने, क्रिस्टल विकास दोषों और पूर्व प्रसंस्करण चरणों के कारण होने वाली संभावित सतही क्षति को दूर करने में एक महत्वपूर्ण कदम है।

SiC पर सतह क्षति परतों को हटाने के लिए चार मुख्य विधियाँ हैं:

यांत्रिक पॉलिशिंग: सरल लेकिन खरोंच छोड़ता है; प्रारंभिक पॉलिशिंग के लिए उपयुक्त।

रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी): रासायनिक नक्काशी के माध्यम से खरोंचों को हटाता है; परिशुद्ध पॉलिशिंग के लिए उपयुक्त।

हाइड्रोजन एचिंग: इसके लिए जटिल उपकरणों की आवश्यकता होती है, जो सामान्यतः HTCVD प्रक्रियाओं में उपयोग किए जाते हैं।

प्लाज्मा सहायता प्राप्त पॉलिशिंग: जटिल और शायद ही कभी इस्तेमाल किया जाता है।

केवल यांत्रिक पॉलिशिंग से खरोंचें पड़ सकती हैं, जबकि केवल रासायनिक पॉलिशिंग से असमान नक्काशी हो सकती है। सीएमपी दोनों लाभों को एक साथ मिलाकर एक कुशल, किफ़ायती समाधान प्रदान करता है।

सीएमपी कार्य सिद्धांत

सीएमपी एक घूमते हुए पॉलिशिंग पैड के विरुद्ध एक निश्चित दबाव में वेफर को घुमाकर काम करता है। यह सापेक्ष गति, घोल में मौजूद नैनो-आकार के अपघर्षकों से होने वाले यांत्रिक घर्षण और प्रतिक्रियाशील एजेंटों की रासायनिक क्रिया के साथ मिलकर, सतह को समतल बनाती है।

प्रयुक्त प्रमुख सामग्रियाँ:

पॉलिशिंग घोल: इसमें अपघर्षक और रासायनिक अभिकर्मक होते हैं।

पॉलिशिंग पैड: इस्तेमाल के दौरान घिस जाता है, जिससे छिद्रों का आकार और घोल वितरण क्षमता कम हो जाती है। खुरदरापन दूर करने के लिए नियमित ड्रेसिंग, आमतौर पर डायमंड ड्रेसर का उपयोग करके, आवश्यक होती है।

विशिष्ट CMP प्रक्रिया

अपघर्षक: 0.5 μm हीरा घोल

लक्ष्य सतह खुरदरापन: ~0.7 एनएम

रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग:

पॉलिशिंग उपकरण: AP-810 सिंगल-साइडेड पॉलिशर

दबाव: 200 ग्राम/सेमी²

प्लेट की गति: 50 आरपीएम

सिरेमिक होल्डर की गति: 38 आरपीएम

घोल संरचना:

SiO₂ (30 wt%, pH = 10.15)

0–70 wt% H₂O₂ (30 wt%, अभिकर्मक ग्रेड)

5 wt% KOH और 1 wt% HNO₃ का उपयोग करके pH को 8.5 पर समायोजित करें

घोल प्रवाह दर: 3 लीटर/मिनट, पुनःपरिसंचारित

यह प्रक्रिया प्रभावी रूप से SiC वेफर की गुणवत्ता में सुधार करती है और डाउनस्ट्रीम प्रक्रियाओं की आवश्यकताओं को पूरा करती है।

मैकेनिकल पॉलिशिंग में तकनीकी चुनौतियाँ

SiC, एक विस्तृत बैंडगैप अर्धचालक के रूप में, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुणों के साथ, SiC एकल क्रिस्टल उच्च तापमान, उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति और विकिरण प्रतिरोध जैसे चरम वातावरणों के लिए उपयुक्त हैं। हालाँकि, इसकी कठोर और भंगुर प्रकृति पीसने और पॉलिश करने में बड़ी चुनौतियाँ पेश करती है।

जैसे-जैसे अग्रणी वैश्विक निर्माता 6-इंच से 8-इंच वेफ़र्स की ओर बढ़ रहे हैं, प्रसंस्करण के दौरान दरारें और वेफ़र क्षति जैसी समस्याएँ अधिक प्रमुख हो गई हैं, जिसका उत्पादन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ रहा है। 8-इंच SiC सबस्ट्रेट्स की तकनीकी चुनौतियों का समाधान अब उद्योग की प्रगति के लिए एक प्रमुख मानदंड है।

8-इंच के युग में, SiC वेफर प्रसंस्करण को कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है:

प्रति बैच चिप उत्पादन बढ़ाने, एज लॉस को कम करने और उत्पादन लागत को कम करने के लिए वेफर स्केलिंग आवश्यक है - विशेष रूप से इलेक्ट्रिक वाहन अनुप्रयोगों में बढ़ती मांग को देखते हुए।

जबकि 8-इंच SiC सिंगल क्रिस्टल का विकास परिपक्व हो गया है, पीसने और पॉलिश करने जैसी बैक-एंड प्रक्रियाओं में अभी भी बाधाएं आ रही हैं, जिसके परिणामस्वरूप कम पैदावार (केवल 40-50%) हो रही है।

बड़े वेफर्स में दबाव वितरण अधिक जटिल होता है, जिससे पॉलिशिंग तनाव और उपज स्थिरता को प्रबंधित करने में कठिनाई बढ़ जाती है।

यद्यपि 8 इंच के वेफर्स की मोटाई 6 इंच के वेफर्स के करीब पहुंच रही है, लेकिन तनाव और विरूपण के कारण हैंडलिंग के दौरान उनमें क्षति की संभावना अधिक होती है।

काटने से संबंधित तनाव, विरूपण और दरार को कम करने के लिए, लेज़र कटिंग का उपयोग तेज़ी से बढ़ रहा है। हालाँकि:

लंबी तरंगदैर्घ्य वाली लेज़रें तापीय क्षति का कारण बनती हैं।

लघु-तरंगदैर्ध्य लेज़र भारी मलबा उत्पन्न करते हैं और क्षति परत को गहरा करते हैं, जिससे पॉलिशिंग की जटिलता बढ़ जाती है।

SiC के लिए मैकेनिकल पॉलिशिंग वर्कफ़्लो

सामान्य प्रक्रिया प्रवाह में शामिल हैं:

अभिविन्यास कटिंग

मोटा पीसना

बारीक पीसना

यांत्रिक पॉलिशिंग

अंतिम चरण के रूप में रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी)

सीएमपी विधि का चुनाव, प्रक्रिया मार्ग डिज़ाइन और मापदंडों का अनुकूलन अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। अर्धचालक निर्माण में, सीएमपी अति-चिकनी, दोष-रहित और क्षति-रहित सतहों वाले SiC वेफर्स के उत्पादन के लिए निर्णायक चरण है, जो उच्च-गुणवत्ता वाले एपिटैक्सियल विकास के लिए आवश्यक हैं।

(क) क्रूसिबल से SiC पिंड निकालें;

(बी) बाहरी व्यास पीस का उपयोग करके प्रारंभिक आकार देना;

(सी) संरेखण फ्लैट या पायदान का उपयोग करके क्रिस्टल अभिविन्यास निर्धारित करें;

(घ) बहु-तार काटने वाली मशीन का उपयोग करके पिंड को पतले वेफर्स में काटें;

(ई) पीसने और पॉलिश करने के चरणों के माध्यम से दर्पण जैसी सतह की चिकनाई प्राप्त करें।

प्रसंस्करण चरणों की श्रृंखला पूरी करने के बाद, SiC वेफर का बाहरी किनारा अक्सर नुकीला हो जाता है, जिससे संभालने या उपयोग के दौरान टूटने का खतरा बढ़ जाता है। ऐसी नाज़ुकता से बचने के लिए, किनारों को पीसना ज़रूरी है।

पारंपरिक स्लाइसिंग प्रक्रियाओं के अलावा, SiC वेफर्स तैयार करने की एक नवीन विधि में बॉन्डिंग तकनीक शामिल है। यह विधि एक पतली SiC सिंगल-क्रिस्टल परत को एक विषमांगी सब्सट्रेट (सहायक सब्सट्रेट) से जोड़कर वेफर निर्माण को संभव बनाती है।

चित्र 3 प्रक्रिया प्रवाह को दर्शाता है:

सबसे पहले, हाइड्रोजन आयन इम्प्लांटेशन या इसी तरह की तकनीकों के ज़रिए SiC सिंगल क्रिस्टल की सतह पर एक निर्दिष्ट गहराई पर एक विसंयोजन परत बनाई जाती है। फिर संसाधित SiC सिंगल क्रिस्टल को एक सपाट आधार-सब्सट्रेट से जोड़ा जाता है और दबाव व ऊष्मा के अधीन किया जाता है। इससे SiC सिंगल-क्रिस्टल परत का आधार-सब्सट्रेट पर सफलतापूर्वक स्थानांतरण और पृथक्करण संभव हो जाता है।

पृथक की गई SiC परत को आवश्यक समतलता प्राप्त करने के लिए सतही उपचार से गुज़ारा जाता है और बाद की बंधन प्रक्रियाओं में इसका पुन: उपयोग किया जा सकता है। SiC क्रिस्टलों की पारंपरिक स्लाइसिंग की तुलना में, यह तकनीक महंगी सामग्रियों की मांग को कम करती है। हालाँकि तकनीकी चुनौतियाँ बनी हुई हैं, फिर भी कम लागत वाले वेफर उत्पादन को सक्षम बनाने के लिए अनुसंधान और विकास सक्रिय रूप से आगे बढ़ रहे हैं।

SiC की उच्च कठोरता और रासायनिक स्थिरता को देखते हुए - जो इसे कमरे के तापमान पर प्रतिक्रियाओं के लिए प्रतिरोधी बनाती है - बारीक पीसने वाले गड्ढों को हटाने, सतह की क्षति को कम करने, खरोंच, गड्ढों और नारंगी छिलके के दोषों को दूर करने, सतह की खुरदरापन को कम करने, समतलता में सुधार करने और सतह की गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए यांत्रिक पॉलिशिंग की आवश्यकता होती है।

उच्च गुणवत्ता वाली पॉलिश सतह प्राप्त करने के लिए, यह आवश्यक है:

अपघर्षक प्रकार समायोजित करें,

कण आकार कम करें,

प्रक्रिया मापदंडों का अनुकूलन करें,

पर्याप्त कठोरता वाली पॉलिशिंग सामग्री और पैड का चयन करें।

चित्र 7 दर्शाता है कि 1 μm अपघर्षक के साथ दो तरफा पॉलिशिंग 10 μm के भीतर समतलता और मोटाई भिन्नता को नियंत्रित कर सकती है, और सतह खुरदरापन को लगभग 0.25 nm तक कम कर सकती है।

3.2 रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी)

रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी) में अतिसूक्ष्म कणों के घर्षण को रासायनिक नक्काशी के साथ मिलाकर संसाधित की जा रही सामग्री पर एक चिकनी, समतल सतह बनाई जाती है। इसका मूल सिद्धांत यह है:

पॉलिशिंग घोल और वेफर सतह के बीच एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, जिससे एक नरम परत बनती है।

अपघर्षक कणों और नरम परत के बीच घर्षण से सामग्री हट जाती है।

सीएमपी के लाभ:

विशुद्ध रूप से यांत्रिक या रासायनिक पॉलिशिंग की कमियों को दूर करता है,

वैश्विक और स्थानीय दोनों समतलीकरण प्राप्त करता है,

उच्च समतलता और कम खुरदरापन वाली सतहें उत्पन्न करता है,

सतह या उपसतह पर कोई क्षति नहीं होती।

विस्तार से:

दबाव के तहत वेफर पॉलिशिंग पैड के सापेक्ष गति करता है।

घोल में नैनोमीटर पैमाने के अपघर्षक (जैसे SiO₂) कतरनी में भाग लेते हैं, Si-C सहसंयोजक बंधनों को कमजोर करते हैं और सामग्री हटाने को बढ़ाते हैं।

सीएमपी तकनीकों के प्रकार:

मुक्त अपघर्षक पॉलिशिंग: अपघर्षक (जैसे, SiO₂) घोल में निलंबित होते हैं। पदार्थ का निष्कासन त्रि-आवरण अपघर्षण (वेफर-पैड-अपघर्षक) द्वारा होता है। एकरूपता में सुधार के लिए अपघर्षक के आकार (आमतौर पर 60-200 नैनोमीटर), pH और तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित किया जाना चाहिए।

स्थिर अपघर्षक पॉलिशिंग: अपघर्षक को पॉलिशिंग पैड में समाहित किया जाता है ताकि समूहन को रोका जा सके - जो उच्च परिशुद्धता प्रसंस्करण के लिए आदर्श है।

पॉलिश के बाद सफाई:

पॉलिश किए गए वेफर्स में निम्नलिखित प्रक्रियाएँ होती हैं:

रासायनिक सफाई (डीआई पानी और घोल अवशेष हटाने सहित),

डीआई जल से धोना, और

गर्म नाइट्रोजन सुखाने

सतही संदूषकों को न्यूनतम करने के लिए।

सतह की गुणवत्ता और प्रदर्शन

सतह खुरदरापन को Ra < 0.3 nm तक कम किया जा सकता है, जिससे अर्धचालक एपिटैक्सी आवश्यकताओं को पूरा किया जा सकता है।

वैश्विक समतलीकरण: रासायनिक मृदुकरण और यांत्रिक निष्कासन का संयोजन खरोंच और असमान नक्काशी को कम करता है, जो शुद्ध यांत्रिक या रासायनिक तरीकों से बेहतर प्रदर्शन करता है।

उच्च दक्षता: SiC जैसी कठोर और भंगुर सामग्रियों के लिए उपयुक्त, सामग्री हटाने की दर 200 nm/h से अधिक है।

अन्य उभरती हुई पॉलिशिंग तकनीकें

सीएमपी के अतिरिक्त, वैकल्पिक तरीके भी प्रस्तावित किए गए हैं, जिनमें शामिल हैं:

विद्युत रासायनिक पॉलिशिंग, उत्प्रेरक-सहायता प्राप्त पॉलिशिंग या नक्काशी, और

ट्राइबोकेमिकल पॉलिशिंग.

हालाँकि, ये विधियाँ अभी भी अनुसंधान चरण में हैं और SiC के चुनौतीपूर्ण भौतिक गुणों के कारण इनका विकास धीरे-धीरे हुआ है।

अंततः, SiC प्रसंस्करण सतह की गुणवत्ता में सुधार के लिए विरूपण और खुरदरापन को कम करने की एक क्रमिक प्रक्रिया है, जहां प्रत्येक चरण में समतलता और खुरदरापन नियंत्रण महत्वपूर्ण है।

प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी

वेफर पीसने के चरण के दौरान, विभिन्न कण आकारों वाले हीरे के घोल का उपयोग वेफर को आवश्यक समतलता और सतह खुरदरापन प्रदान करने के लिए पीसने के लिए किया जाता है। इसके बाद, यांत्रिक और रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी) दोनों तकनीकों का उपयोग करके पॉलिशिंग की जाती है, जिससे क्षति-रहित पॉलिश किए गए सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) वेफर्स प्राप्त होते हैं।

पॉलिश करने के बाद, SiC वेफर्स ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप और एक्स-रे डिफ्रैक्टोमीटर जैसे उपकरणों का उपयोग करके कठोर गुणवत्ता निरीक्षण से गुजरते हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि सभी तकनीकी पैरामीटर आवश्यक मानकों को पूरा करते हैं। अंत में, पॉलिश किए गए वेफर्स को सतह के दूषित पदार्थों को हटाने के लिए विशेष सफाई एजेंटों और अतिशुद्ध पानी से साफ किया जाता है। फिर उन्हें अति-उच्च शुद्धता वाली नाइट्रोजन गैस और स्पिन ड्रायर का उपयोग करके सुखाया जाता है, जिससे पूरी उत्पादन प्रक्रिया पूरी हो जाती है।

वर्षों के प्रयास के बाद, चीन में SiC सिंगल क्रिस्टल प्रसंस्करण में उल्लेखनीय प्रगति हुई है। घरेलू स्तर पर, 100 मिमी डोप्ड सेमी-इंसुलेटिंग 4H-SiC सिंगल क्रिस्टल सफलतापूर्वक विकसित किए गए हैं, और n-प्रकार 4H-SiC और 6H-SiC सिंगल क्रिस्टल अब बैचों में उत्पादित किए जा सकते हैं। टैंकब्लू और TYST जैसी कंपनियाँ पहले ही 150 मिमी SiC सिंगल क्रिस्टल विकसित कर चुकी हैं।

SiC वेफर प्रसंस्करण तकनीक के संदर्भ में, घरेलू संस्थानों ने क्रिस्टल स्लाइसिंग, ग्राइंडिंग और पॉलिशिंग की प्रक्रिया स्थितियों और मार्गों का प्रारंभिक रूप से पता लगाया है। वे ऐसे नमूने तैयार करने में सक्षम हैं जो मूल रूप से उपकरण निर्माण की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। हालाँकि, अंतर्राष्ट्रीय मानकों की तुलना में, घरेलू वेफर्स की सतह प्रसंस्करण गुणवत्ता अभी भी काफी पीछे है। कई मुद्दे हैं:

अंतर्राष्ट्रीय SiC सिद्धांत और प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियां कड़े संरक्षण में हैं और आसानी से सुलभ नहीं हैं।

प्रक्रिया सुधार और अनुकूलन के लिए सैद्धांतिक अनुसंधान और समर्थन का अभाव है।

विदेशी उपकरणों और घटकों के आयात की लागत अधिक है।

उपकरण डिजाइन, प्रसंस्करण परिशुद्धता और सामग्रियों पर घरेलू अनुसंधान अभी भी अंतर्राष्ट्रीय स्तर की तुलना में महत्वपूर्ण अंतराल दर्शाता है।

वर्तमान में, चीन में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश उच्च-परिशुद्धता उपकरण आयातित हैं। परीक्षण उपकरणों और कार्यप्रणाली में भी और सुधार की आवश्यकता है।

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के निरंतर विकास के साथ, SiC एकल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स का व्यास लगातार बढ़ रहा है, साथ ही सतह प्रसंस्करण गुणवत्ता की उच्च आवश्यकताएं भी बढ़ रही हैं। SiC एकल क्रिस्टल विकास के बाद, वेफर प्रसंस्करण तकनीक तकनीकी रूप से सबसे चुनौतीपूर्ण चरणों में से एक बन गई है।

प्रसंस्करण में मौजूदा चुनौतियों का समाधान करने के लिए, काटने, पीसने और पॉलिश करने की प्रक्रियाओं का और अधिक अध्ययन करना और SiC वेफर निर्माण के लिए उपयुक्त प्रक्रिया विधियों और मार्गों की खोज करना आवश्यक है। साथ ही, उन्नत अंतर्राष्ट्रीय प्रसंस्करण तकनीकों से सीखना और उच्च-गुणवत्ता वाले सबस्ट्रेट्स के उत्पादन के लिए अत्याधुनिक अति-परिशुद्धता मशीनिंग तकनीकों और उपकरणों को अपनाना आवश्यक है।

जैसे-जैसे वेफर का आकार बढ़ता है, क्रिस्टल के विकास और प्रसंस्करण की कठिनाई भी बढ़ती जाती है। हालाँकि, डाउनस्ट्रीम उपकरणों की निर्माण दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है और इकाई लागत कम हो जाती है। वर्तमान में, दुनिया भर के प्रमुख SiC वेफर आपूर्तिकर्ता 4 इंच से 6 इंच व्यास तक के उत्पाद प्रदान करते हैं। क्री और II-VI जैसी अग्रणी कंपनियों ने 8-इंच SiC वेफर उत्पादन लाइनों के विकास की योजना बनाना शुरू कर दिया है।