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 के व्यापक अनुप्रयोग की संभावनाएँ हैं। SiC की प्रसंस्करण तकनीक उच्च गुणवत्ता वाली सब्सट्रेट सामग्री के उत्पादन में निर्णायक भूमिका निभाती है। यह लेख चीन और विदेशों में SiC प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों पर शोध की वर्तमान स्थिति का परिचय देता है, काटने, पीसने और चमकाने की प्रक्रियाओं के तंत्र का विश्लेषण और तुलना करता है, साथ ही वेफर समतलता और सतह खुरदरापन के रुझानों का भी विश्लेषण करता है। यह SiC वेफर प्रसंस्करण में मौजूदा चुनौतियों को भी इंगित करता है और भविष्य के विकास दिशाओं पर चर्चा करता है।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)वेफ़र्स तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण आधारभूत सामग्री हैं और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और सेमीकंडक्टर लाइटिंग जैसे क्षेत्रों में महत्वपूर्ण महत्व और बाजार क्षमता रखते हैं। अत्यधिक उच्च कठोरता और रासायनिक स्थिरता के कारणSiC एकल क्रिस्टलपारंपरिक अर्धचालक प्रसंस्करण विधियाँ उनकी मशीनिंग के लिए पूरी तरह से उपयुक्त नहीं हैं। हालाँकि कई अंतरराष्ट्रीय कंपनियों ने SiC सिंगल क्रिस्टल की तकनीकी रूप से मांग वाली प्रसंस्करण पर व्यापक शोध किया है, लेकिन प्रासंगिक तकनीकों को पूरी तरह से गोपनीय रखा जाता है।

हाल के वर्षों में, चीन ने SiC सिंगल क्रिस्टल सामग्री और उपकरणों के विकास में प्रयास बढ़ाए हैं। हालाँकि, देश में SiC डिवाइस प्रौद्योगिकी की उन्नति वर्तमान में प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों और वेफर गुणवत्ता में सीमाओं से बाधित है। इसलिए, चीन के लिए SiC सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट 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 पॉलिश करना) → बारीक पॉलिश करना (रासायनिक यांत्रिक पॉलिश करना, सीएमपी) → निरीक्षण।

SiC एकल क्रिस्टल की कटिंग

के प्रसंस्करण मेंSiC एकल क्रिस्टलकटिंग पहला और अत्यधिक महत्वपूर्ण चरण है। कटिंग प्रक्रिया से उत्पन्न वेफर का धनुष, ताना और कुल मोटाई भिन्नता (TTV) बाद के पीसने और चमकाने के संचालन की गुणवत्ता और प्रभावशीलता निर्धारित करते हैं।

कटिंग टूल्स को आकार के आधार पर डायमंड इनर डायमीटर (ID) आरी, आउटर डायमीटर (OD) आरी, बैंड आरी और वायर आरी में वर्गीकृत किया जा सकता है। वायर आरी को, बदले में, उनके गति प्रकार के आधार पर पारस्परिक और लूप (अंतहीन) वायर सिस्टम में वर्गीकृत किया जा सकता है। अपघर्षक के काटने के तंत्र के आधार पर, वायर आरी स्लाइसिंग तकनीकों को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: मुक्त अपघर्षक वायर सॉइंग और स्थिर अपघर्षक डायमंड वायर सॉइंग।

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 लिए प्रवण होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च शोर स्तर और खराब कठोरता होती है। आंतरिक व्यास (ID) आरी ब्लेड की आंतरिक परिधि पर कटिंग एज के रूप में हीरे के अपघर्षक का उपयोग करती है। ये ब्लेड 0.2 मिमी जितने पतले हो सकते हैं। स्लाइसिंग के दौरान, ID ब्लेड उच्च गति से घूमता है जबकि कटने वाली सामग्री ब्लेड के केंद्र के सापेक्ष रेडियल रूप से चलती है, इस सापेक्ष गति के माध्यम से स्लाइसिंग प्राप्त होती है।

डायमंड बैंड आरी को बार-बार रुकना और पीछे की ओर मुड़ना पड़ता है, और काटने की गति बहुत कम होती है - आमतौर पर 2 मीटर/सेकंड से अधिक नहीं। वे महत्वपूर्ण यांत्रिक पहनने और उच्च रखरखाव लागत से भी ग्रस्त हैं। आरी ब्लेड की चौड़ाई के कारण, काटने की त्रिज्या बहुत छोटी नहीं हो सकती है, और बहु-स्लाइस कटिंग संभव नहीं है। ये पारंपरिक आरी उपकरण आधार की कठोरता से सीमित हैं और घुमावदार कट नहीं कर सकते हैं या इनकी मोड़ने की त्रिज्या सीमित है। वे केवल सीधे कट करने में सक्षम हैं, व्यापक कट बनाते हैं, उनकी उपज दर कम है, और इस प्रकार काटने के लिए अनुपयुक्त हैंSiC क्रिस्टल.

1.2 फ्री एब्रेसिव वायर सॉ मल्टी-वायर कटिंग

फ्री अपघर्षक वायर सॉ स्लाइसिंग तकनीक में तार की तेज़ गति का उपयोग किया जाता है ताकि स्लरी को केर्फ में ले जाया जा सके, जिससे सामग्री को हटाया जा सके। यह मुख्य रूप से एक पारस्परिक संरचना का उपयोग करता है और वर्तमान में एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन की कुशल मल्टी-वेफर कटिंग के लिए एक परिपक्व और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है। हालाँकि, SiC कटिंग में इसके अनुप्रयोग का कम व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है।

फ्री अपघर्षक वायर आरी 300 μm से कम मोटाई वाले वेफ़र को प्रोसेस कर सकती है। वे कम कर्फ़ नुकसान देते हैं, शायद ही कभी चिपिंग का कारण बनते हैं, और अपेक्षाकृत अच्छी सतह की गुणवत्ता प्रदान करते हैं। हालाँकि, सामग्री हटाने की प्रणाली के कारण - अपघर्षक के रोलिंग और इंडेंटेशन पर आधारित - वेफ़र की सतह पर महत्वपूर्ण अवशिष्ट तनाव, माइक्रोक्रैक और गहरी क्षति परतें विकसित होती हैं। इससे वेफ़र मुड़ जाता है, सतह प्रोफ़ाइल सटीकता को नियंत्रित करना मुश्किल हो जाता है, और बाद के प्रसंस्करण चरणों पर भार बढ़ जाता है।

काटने का प्रदर्शन घोल से बहुत प्रभावित होता है; अपघर्षक की तीक्ष्णता और घोल की सांद्रता को बनाए रखना आवश्यक है। घोल 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। एक ही अपघर्षक अनाज के आकार के तहत, कट का नुकसान निश्चित-अपघर्षक तार आरी की तुलना में अधिक होता है।

1.3 फिक्स्ड एब्रेसिव डायमंड वायर सॉ मल्टी-वायर कटिंग

फिक्स्ड अपघर्षक डायमंड वायर आरी आमतौर पर इलेक्ट्रोप्लेटिंग, सिंटरिंग या रेजिन बॉन्डिंग विधियों के माध्यम से स्टील वायर सब्सट्रेट पर हीरे के कणों को एम्बेड करके बनाई जाती है। इलेक्ट्रोप्लेटेड डायमंड वायर आरी में संकरी दरारें, बेहतर स्लाइस क्वालिटी, उच्च दक्षता, कम संदूषण और उच्च कठोरता वाली सामग्रियों को काटने की क्षमता जैसे लाभ होते हैं।

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

काटने के बाद के चरणों में, तार के त्वरण, स्थिर गति से चलने, धीमा होने, रुकने और उलटने के साथ-साथ शीतलक के साथ मलबे को हटाने में 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 प्राथमिक कारण हैं।

1.4 शीत पृथक्करण प्रौद्योगिकी

SiC सिंगल क्रिस्टल का कोल्ड सेपरेशन तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर सामग्री प्रसंस्करण के क्षेत्र में एक अभिनव प्रक्रिया है। हाल के वर्षों में, इसने उपज में सुधार और सामग्री हानि को कम करने में अपने उल्लेखनीय लाभों के कारण महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। प्रौद्योगिकी का विश्लेषण तीन पहलुओं से किया जा सकता है: कार्य सिद्धांत, प्रक्रिया प्रवाह और मुख्य लाभ।

क्रिस्टल ओरिएंटेशन निर्धारण और बाहरी व्यास पीसना: प्रसंस्करण से पहले, SiC पिंड का क्रिस्टल ओरिएंटेशन निर्धारित किया जाना चाहिए। फिर पिंड को बाहरी व्यास पीसने के माध्यम से एक बेलनाकार संरचना (आमतौर पर SiC पक कहा जाता है) में आकार दिया जाता है। यह चरण बाद की दिशात्मक कटिंग और स्लाइसिंग के लिए आधार तैयार करता है।

मल्टी-वायर कटिंग: इस विधि में बेलनाकार पिंड को काटने के लिए कटिंग वायर के साथ अपघर्षक कणों का उपयोग किया जाता है। हालाँकि, इसमें महत्वपूर्ण कर्फ़ हानि और सतह की असमानता की समस्याएँ होती हैं।

लेजर कटिंग तकनीक: क्रिस्टल के भीतर एक संशोधित परत बनाने के लिए लेजर का उपयोग किया जाता है, जिससे पतली स्लाइस को अलग किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण सामग्री के नुकसान को कम करता है और प्रसंस्करण दक्षता को बढ़ाता 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 को संतुलित करना 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, इनफिनियन ने SILTECTRA का अधिग्रहण किया और अब उसके पास 8-इंच वेफ़र के बड़े पैमाने पर उत्पादन का समर्थन करने वाले मुख्य पेटेंट हैं। चीन में, डेलॉन्ग लेजर जैसी कंपनियों ने 6-इंच वेफ़र प्रसंस्करण के लिए प्रति पिंड 30 वेफ़र की आउटपुट दक्षता हासिल की है, जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में 40% सुधार दर्शाता है।

जैसे-जैसे घरेलू उपकरण निर्माण में तेजी आ रही है, इस तकनीक के SiC सब्सट्रेट प्रसंस्करण के लिए मुख्यधारा का समाधान बनने की उम्मीद है। अर्धचालक सामग्रियों के बढ़ते व्यास के साथ, पारंपरिक काटने के तरीके अप्रचलित हो गए हैं। वर्तमान विकल्पों में, प्रत्यागामी हीरा तार आरा प्रौद्योगिकी सबसे आशाजनक अनुप्रयोग संभावनाओं को दर्शाती है। एक उभरती हुई तकनीक के रूप में लेजर कटिंग महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है और भविष्य में प्राथमिक काटने की विधि 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 ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र, उच्च संतृप्ति इलेक्ट्रॉन बहाव 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 सब्सट्रेट के लिए प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी डिवाइस निर्माण का एक मूलभूत हिस्सा है। सब्सट्रेट की सतह की गुणवत्ता और परिशुद्धता सीधे एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता और अंतिम डिवाइस के प्रदर्शन को प्रभावित करती है।

पीसने की प्रक्रिया का प्राथमिक उद्देश्य सतह पर आरी के निशानों और स्लाइसिंग के दौरान होने वाली क्षति परतों को हटाना और काटने की प्रक्रिया से होने वाली विकृति को ठीक करना है। SiC की अत्यधिक उच्च कठोरता को देखते हुए, पीसने के लिए बोरॉन कार्बाइड या हीरे जैसे कठोर अपघर्षकों के उपयोग की आवश्यकता होती है। पारंपरिक पीसने को आम तौर 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 कास्ट आयरन प्लेट और मोनोक्रिस्टलाइन डायमंड स्लरी का उपयोग करके दो तरफा पीसना शामिल है। यह प्रक्रिया वायर सॉइंग द्वारा छोड़ी गई क्षति परत को प्रभावी ढंग से हटाती है, वेफर के आकार को सही करती है, और TTV (कुल मोटाई भिन्नता), धनुष और ताना को कम करती है। सामग्री हटाने की दर स्थिर है, आमतौर पर 0.8-1.2 μm/min तक पहुँचती है। हालाँकि, परिणामी वेफर सतह अपेक्षाकृत उच्च खुरदरापन के साथ मैट है - आमतौर पर लगभग 50 एनएम - जो बाद के पॉलिशिंग चरणों पर उच्च मांग लगाता है।

2.2 एक तरफा पीसना

सिंगल-साइड ग्राइंडिंग में एक बार में वेफर के केवल एक तरफ की प्रक्रिया की जाती है। इस प्रक्रिया के दौरान, वेफर को स्टील प्लेट पर मोम से चढ़ाया जाता है। लगाए गए दबाव के तहत, सब्सट्रेट थोड़ा विकृत हो जाता है, और ऊपरी सतह चपटी हो जाती है। पीसने के बाद, निचली सतह समतल हो जाती है। जब दबाव हटा दिया जाता है, तो ऊपरी सतह अपने मूल आकार में वापस आ जाती है, जो पहले से ही पिसी हुई निचली सतह को भी प्रभावित करती है - जिससे दोनों तरफ़ से वक्रता आ जाती है और समतलता में गिरावट आती है।

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

आमतौर पर, बारीक पीसने के लिए #8000 पीसने वाले पहियों का उपयोग किया जाता है। जापान में, यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत परिपक्व है और यहां तक ​​कि #30000 पॉलिशिंग पहियों का भी उपयोग किया जाता है। यह संसाधित वेफ़र्स की सतह खुरदरापन को 2 एनएम से नीचे पहुंचने की अनुमति देता है, जिससे वेफ़र्स अतिरिक्त प्रसंस्करण के बिना अंतिम सीएमपी (रासायनिक यांत्रिक 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 में दिखाया गया है (यहाँ नहीं 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 बढ़ता है ताकि वेफर को एक लक्ष्य मोटाई तक पतला किया जा सके। एक तरफ से काम पूरा होने के बाद, दूसरी तरफ की प्रक्रिया 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 सामग्री हटाने की दर प्रदान करती है। पारंपरिक डबल-साइड 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।

प्रक्रिया के दौरान, पीसने वाली प्लेटें सबसे पहले वर्कपीस के सबसे ऊंचे बिंदुओं पर दबाव डालती हैं, जिससे उन बिंदुओं पर विरूपण और धीरे-धीरे सामग्री हटती है। जैसे-जैसे ऊंचे स्थान समतल होते जाते हैं, सब्सट्रेट पर दबाव धीरे-धीरे अधिक समान होता जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पूरी सतह पर लगातार विरूपण होता है। इससे ऊपरी और निचली दोनों सतहों को समान रूप से पीसने की अनुमति मिलती है। एक बार पीसने का काम पूरा हो जाने और दबाव छोड़ने के बाद, सब्सट्रेट का प्रत्येक भाग समान रूप से ठीक हो जाता है क्योंकि उस पर समान दबाव पड़ता है। इससे न्यूनतम विरूपण और अच्छी समतलता होती है।

पीसने के बाद वेफर की सतह खुरदरापन अपघर्षक कण के आकार पर निर्भर करता है - छोटे कण चिकनी सतह देते हैं। जब दो तरफा पीसने के लिए 5 μm अपघर्षक का उपयोग किया जाता है, तो वेफर की समतलता और मोटाई भिन्नता को 5 μm के भीतर नियंत्रित किया जा सकता है। परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) माप लगभग 100 एनएम की सतह खुरदरापन (Rq) दिखाते हैं, जिसमें 380 एनएम तक गहरे पीसने वाले गड्ढे और घर्षण क्रिया के कारण दिखाई देने वाले रैखिक निशान होते हैं।

एक अधिक उन्नत विधि में पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड स्लरी के साथ पॉलीयूरेथेन फोम पैड का उपयोग करके दो तरफा पीसना शामिल है। यह प्रक्रिया बहुत कम सतह खुरदरापन वाले वेफ़र्स का उत्पादन करती है, जिससे Ra < 3 nm प्राप्त होता है, जो SiC सब्सट्रेट की बाद की पॉलिशिंग के लिए अत्यधिक फायदेमंद है।

हालाँकि, सतह पर खरोंच आना एक अनसुलझा मुद्दा बना हुआ है। इसके अतिरिक्त, इस प्रक्रिया में इस्तेमाल किया जाने वाला पॉलीक्रिस्टलाइन हीरा विस्फोटक संश्लेषण के माध्यम से बनाया जाता है, जो तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है, कम मात्रा में उत्पादन करता है, और बेहद महंगा है।

SiC एकल क्रिस्टल की पॉलिशिंग

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) वेफ़र्स पर उच्च-गुणवत्ता वाली पॉलिश सतह प्राप्त करने के लिए, पॉलिशिंग में पीसने वाले गड्ढे और नैनोमीटर-स्केल सतह के उतार-चढ़ाव को पूरी तरह से हटा देना चाहिए। लक्ष्य एक चिकनी, दोष-रहित सतह का उत्पादन करना है जिसमें कोई संदूषण या गिरावट न हो, कोई उपसतह क्षति न हो, और कोई अवशिष्ट सतह तनाव न हो।

3.1 SiC वेफर्स की मैकेनिकल पॉलिशिंग और CMP

SiC सिंगल क्रिस्टल पिंड के विकास के बाद, सतह के दोष इसे सीधे एपिटैक्सियल विकास के लिए उपयोग करने से रोकते हैं। इसलिए, आगे की प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। पिंड को पहले गोल करके एक मानक बेलनाकार रूप में आकार दिया जाता है, फिर तार काटने का उपयोग करके वेफ़र्स में काटा जाता है, उसके बाद क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास सत्यापन किया जाता है। पॉलिशिंग वेफ़र की गुणवत्ता में सुधार करने, क्रिस्टल विकास दोषों और पूर्व प्रसंस्करण चरणों के कारण होने वाली संभावित सतह क्षति को संबोधित करने में एक महत्वपूर्ण कदम है।

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

यांत्रिक पॉलिशिंग: सरल लेकिन खरोंच छोड़ती 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 की जाने वाली।

केवल यांत्रिक पॉलिशिंग से खरोंचें पड़ सकती हैं, जबकि केवल रासायनिक पॉलिशिंग से असमान नक्काशी हो सकती है। CMP दोनों लाभों को जोड़ता है और एक कुशल, लागत प्रभावी समाधान प्रदान करता है।

सीएमपी कार्य सिद्धांत

सीएमपी एक घूर्णनशील पॉलिशिंग पैड के खिलाफ एक निर्धारित दबाव के तहत वेफर को घुमाकर काम करता है। यह सापेक्ष गति, घोल में नैनो-आकार के अपघर्षक से यांत्रिक घर्षण और प्रतिक्रियाशील एजेंटों की रासायनिक क्रिया के साथ मिलकर सतह समतलीकरण प्राप्त करती है।

प्रयुक्त प्रमुख सामग्रियाँ:

पॉलिशिंग घोल: इसमें अपघर्षक और रासायनिक अभिकर्मक होते हैं।

पॉलिशिंग पैड: उपयोग के दौरान घिस जाता है, जिससे छिद्रों का आकार और घोल वितरण दक्षता कम हो जाती है। खुरदरापन बहाल करने के लिए नियमित ड्रेसिंग, आमतौर पर डायमंड ड्रेसर का उपयोग करके, की आवश्यकता 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 सेमीकंडक्टर के रूप में, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुणों के साथ, SiC सिंगल क्रिस्टल उच्च तापमान, उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति और विकिरण प्रतिरोध जैसे चरम वातावरण के लिए उपयुक्त हैं। हालाँकि, इसकी कठोर और भंगुर प्रकृति पीसने और चमकाने के लिए बड़ी चुनौतियाँ प्रस्तुत करती है।

जैसे-जैसे अग्रणी वैश्विक निर्माता 6-इंच से 8-इंच वेफ़र में बदलाव कर रहे हैं, प्रसंस्करण के दौरान क्रैकिंग और वेफ़र क्षति जैसी समस्याएँ अधिक प्रमुख हो गई हैं, जो उपज को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर रही हैं। 8-इंच SiC सबस्ट्रेट्स की तकनीकी चुनौतियों का समाधान करना अब उद्योग की उन्नति के लिए एक प्रमुख बेंचमार्क 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 को अभी भी बाधाओं का सामना करना पड़ रहा है, 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, लेजर कटिंग का उपयोग तेजी से किया जा रहा है। हालाँकि:

लंबी तरंगदैर्घ्य वाली लेज़रें तापीय क्षति का कारण बनती हैं।

लघु-तरंगदैर्घ्य वाले 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 चयन, प्रक्रिया मार्ग डिजाइन और मापदंडों का अनुकूलन महत्वपूर्ण हैं। सेमीकंडक्टर विनिर्माण में, सीएमपी अल्ट्रा-चिकनी, दोष-मुक्त और क्षति-मुक्त सतहों के साथ SiC वेफर्स के उत्पादन के लिए निर्णायक कदम 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 फ्लैट्स या नॉच का उपयोग करके क्रिस्टल अभिविन्यास निर्धारित करना;

(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 को पूरा करने के बाद, SiC वेफर का बाहरी किनारा अक्सर नुकीला हो जाता है, जिससे हैंडलिंग या उपयोग के दौरान टूटने का जोखिम बढ़ जाता है। ऐसी नाजुकता से बचने के लिए, किनारे को पीसने की आवश्यकता होती है।

पारंपरिक स्लाइसिंग प्रक्रियाओं के अलावा, SiC वेफ़र तैयार करने की एक अभिनव विधि में बॉन्डिंग तकनीक शामिल है। यह दृष्टिकोण एक पतली SiC सिंगल-क्रिस्टल परत को विषम सब्सट्रेट (सहायक सब्सट्रेट) से जोड़कर वेफ़र निर्माण को सक्षम बनाता है।

चित्र 3 प्रक्रिया प्रवाह को दर्शाता है:

सबसे पहले, हाइड्रोजन आयन इम्प्लांटेशन या इसी तरह की तकनीकों के माध्यम से SiC सिंगल क्रिस्टल की सतह पर एक निर्दिष्ट गहराई पर एक विसंयोजन परत बनाई जाती है। संसाधित SiC सिंगल क्रिस्टल को फिर एक सपाट सहायक सब्सट्रेट से जोड़ा जाता है और दबाव और गर्मी के अधीन किया जाता है। यह SiC सिंगल-क्रिस्टल परत को सहायक सब्सट्रेट पर सफलतापूर्वक स्थानांतरित और अलग करने की अनुमति देता है।

अलग की गई SiC परत को आवश्यक समतलता प्राप्त करने के लिए सतह उपचार से गुजरना पड़ता है और बाद की बॉन्डिंग प्रक्रियाओं में इसका पुनः उपयोग किया जा सकता है। SiC क्रिस्टल की पारंपरिक स्लाइसिंग की तुलना में, यह तकनीक महंगी सामग्रियों की मांग को कम करती है। हालाँकि तकनीकी चुनौतियाँ बनी हुई हैं, लेकिन कम लागत वाले वेफ़र उत्पादन को सक्षम करने 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 छील 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 अंतर्गत वेफर पॉलिशिंग पैड के सापेक्ष गति करता है।

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

सीएमपी तकनीकों के प्रकार:

मुक्त अपघर्षक पॉलिशिंग: अपघर्षक (जैसे, SiO₂) घोल में निलंबित होते हैं। सामग्री को तीन-शरीर घर्षण (वेफर-पैड-अपघर्षक) के माध्यम से हटाया जाता है। एकरूपता में सुधार के लिए अपघर्षक आकार (आमतौर पर 60-200 एनएम), पीएच और तापमान को ठीक 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, अलग-अलग कण आकार वाले हीरे के घोल का उपयोग वेफर को आवश्यक समतलता और सतह खुरदरापन तक पीसने के लिए किया जाता है। इसके बाद पॉलिशिंग की जाती है, जिसमें यांत्रिक और रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी) दोनों तकनीकों का उपयोग करके क्षति-रहित पॉलिश सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) वेफर्स का उत्पादन किया जाता है।

पॉलिश करने के बाद, SiC वेफ़र 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 वेफ़र्स को सतह के दूषित पदार्थों को हटाने के लिए विशेष सफाई एजेंटों और अल्ट्राप्योर पानी का उपयोग करके साफ किया जाता है। फिर उन्हें अल्ट्रा-हाई प्योरिटी 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 के भीतर SiC सिंगल क्रिस्टल प्रसंस्करण में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। घरेलू स्तर पर, 100 मिमी डोप्ड सेमी-इंसुलेटिंग 4H-SiC सिंगल क्रिस्टल सफलतापूर्वक विकसित किए गए हैं, और n-टाइप 4H-SiC और 6H-SiC सिंगल क्रिस्टल अब बैचों में उत्पादित किए जा सकते हैं। टैंकब्लू और TYST जैसी कंपनियों ने पहले ही 150 मिमी SiC सिंगल क्रिस्टल विकसित कर लिए हैं।

SiC वेफर प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के संदर्भ में, घरेलू संस्थानों ने प्रारंभिक रूप से क्रिस्टल स्लाइसिंग, पीसने और पॉलिशिंग के लिए प्रक्रिया की स्थितियों और मार्गों का पता लगाया है। वे ऐसे नमूने तैयार करने में सक्षम हैं जो मूल रूप से डिवाइस निर्माण की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। हालाँकि, अंतर्राष्ट्रीय मानकों की तुलना में, घरेलू वेफ़र्स 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 चमकाने में शामिल तंत्रों का और अधिक अध्ययन करना और SiC वेफर निर्माण के लिए उपयुक्त प्रक्रिया विधियों और मार्गों का पता लगाना आवश्यक है। साथ ही, उन्नत अंतर्राष्ट्रीय प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों से सीखना और उच्च गुणवत्ता वाले सब्सट्रेट का उत्पादन करने के लिए अत्याधुनिक अल्ट्रा-प्रिसिजन 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। हालांकि, डाउनस्ट्रीम उपकरणों की विनिर्माण दक्षता में काफी सुधार होता है, और इकाई लागत कम हो जाती है। वर्तमान में, मुख्य SiC वेफर आपूर्तिकर्ता वैश्विक रूप से 4 इंच से लेकर 6 इंच व्यास तक के उत्पाद पेश करते हैं। क्री और II-VI जैसी अग्रणी कंपनियों ने पहले ही 8-इंच SiC वेफर उत्पादन लाइनों के विकास की योजना बनाना शुरू कर दिया है।