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

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)वेफर्स तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण आधारभूत सामग्री हैं और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और सेमीकंडक्टर लाइटिंग जैसे क्षेत्रों में इनका काफी महत्व और बाजार क्षमता है। अत्यधिक उच्च कठोरता और रासायनिक स्थिरता के कारण,SiC एकल क्रिस्टलपारंपरिक अर्धचालक प्रसंस्करण विधियाँ इनकी मशीनिंग के लिए पूरी तरह उपयुक्त नहीं हैं। यद्यपि कई अंतरराष्ट्रीय कंपनियों ने SiC एकल क्रिस्टल के तकनीकी रूप से जटिल प्रसंस्करण पर व्यापक शोध किया है, फिर भी संबंधित प्रौद्योगिकियों को पूरी तरह गोपनीय रखा गया है।

हाल के वर्षों में, चीन ने SiC एकल क्रिस्टल सामग्री और उपकरणों के विकास में प्रयास तेज किए हैं। हालांकि, देश में SiC उपकरण प्रौद्योगिकी की प्रगति वर्तमान में प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों और वेफर की गुणवत्ता में सीमाओं के कारण बाधित है। इसलिए, SiC एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट की गुणवत्ता बढ़ाने और उनके व्यावहारिक अनुप्रयोग और बड़े पैमाने पर उत्पादन को प्राप्त करने के लिए चीन के लिए SiC प्रसंस्करण क्षमताओं में सुधार करना आवश्यक है।

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

SiC एकल क्रिस्टलों की कटाई

प्रसंस्करण मेंSiC एकल क्रिस्टलकटिंग पहला और अत्यंत महत्वपूर्ण चरण है। कटिंग प्रक्रिया के परिणामस्वरूप वेफर में उत्पन्न होने वाला झुकाव, विकृति और कुल मोटाई में भिन्नता (टीटीवी) बाद में होने वाली ग्राइंडिंग और पॉलिशिंग प्रक्रियाओं की गुणवत्ता और प्रभावशीलता को निर्धारित करती है।

काटने के औजारों 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 गति के प्रकार के आधार पर प्रत्यावर्ती और लूप (अंतहीन) वायर सिस्टम में वर्गीकृत किया जा सकता है। अपघर्षक की काटने की क्रियाविधि के आधार पर, वायर आरी से काटने की 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) वाली आरी की कटाई की गहराई ब्लेड के व्यास द्वारा सीमित होती है। कटाई प्रक्रिया के दौरान, ब्लेड में कंपन और विचलन होने की संभावना रहती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च शोर और कम कठोरता उत्पन्न होती है। आंतरिक व्यास (ID) वाली आरी में ब्लेड की भीतरी परिधि पर हीरे के अपघर्षक का उपयोग काटने के किनारे के रूप में किया जाता है। ये ब्लेड 0.2 मिमी जितने पतले हो सकते हैं। कटाई के दौरान, ID ब्लेड उच्च गति से घूमता है जबकि काटी जाने वाली सामग्री ब्लेड के केंद्र के सापेक्ष त्रिज्या के अनुसार गति करती है, जिससे इस सापेक्ष गति के माध्यम से कटाई होती है।

डायमंड बैंड आरी में बार-बार रुकना और दिशा बदलना पड़ता है, और काटने की गति बहुत कम होती है—आमतौर पर 2 मीटर/सेकंड से अधिक नहीं। इनमें यांत्रिक घिसाव भी काफी होता है और रखरखाव का खर्च भी अधिक होता है। आरी के ब्लेड की चौड़ाई के कारण, काटने का दायरा बहुत छोटा नहीं हो सकता, और एक से अधिक स्लाइस काटना संभव नहीं है। ये पारंपरिक आरी उपकरण आधार की कठोरता से सीमित होते हैं और घुमावदार कटाई नहीं कर सकते या इनका घुमाव दायरा सीमित होता है। ये केवल सीधी कटाई करने में सक्षम हैं, चौड़े खांचे बनाते हैं, इनकी उत्पादन दर कम होती है, और इसलिए काटने के लिए उपयुक्त नहीं हैं।SiC क्रिस्टल.

1.2 फ्री एब्रेसिव वायर सॉ मल्टी-वायर कटिंग

फ्री एब्रेसिव वायर सॉ स्लाइसिंग तकनीक में, स्लरी को कट में ले जाने के लिए तार की तीव्र गति का उपयोग किया जाता है, जिससे सामग्री को हटाया जा सकता है। इसमें मुख्य रूप से एक प्रत्यावर्ती संरचना का उपयोग होता है और यह वर्तमान में एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन की कुशल मल्टी-वेफर कटिंग के लिए एक परिपक्व और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है। हालांकि, SiC कटिंग में इसके अनुप्रयोग का अध्ययन अभी तक व्यापक रूप से नहीं किया गया है।

बिना घर्षण वाले तार आरी 300 माइक्रोमीटर से कम मोटाई वाले वेफर्स को प्रोसेस कर सकते हैं। इनमें कटाई के दौरान नुकसान कम होता है, चिपिंग की समस्या न के बराबर होती है और सतह की गुणवत्ता अपेक्षाकृत अच्छी होती है। हालांकि, घर्षणकारी पदार्थों के रोलिंग और इंडेंटेशन पर आधारित पदार्थ हटाने की प्रक्रिया के कारण, वेफर की सतह पर काफी अवशिष्ट तनाव, सूक्ष्म दरारें और गहरी क्षति परतें विकसित हो जाती हैं। इससे वेफर में विकृति आ जाती है, सतह की प्रोफाइल की सटीकता को नियंत्रित करना मुश्किल हो जाता है और बाद के प्रोसेसिंग चरणों पर भार बढ़ जाता है।

काटने की क्षमता स्लरी से काफी प्रभावित होती है; अपघर्षक की तीक्ष्णता और स्लरी की सांद्रता को बनाए रखना आवश्यक है। स्लरी का उपचार और पुनर्चक्रण महंगा होता है। बड़े आकार के पिंडों को काटते समय, अपघर्षक गहरे और लंबे कटों में प्रवेश करने में कठिनाई का सामना करते हैं। समान अपघर्षक कण आकार के मामले में, कटों का नुकसान स्थिर अपघर्षक तार आरी की तुलना में अधिक होता है।

1.3 फिक्स्ड एब्रेसिव डायमंड वायर सॉ मल्टी-वायर कटिंग

स्थिर अपघर्षक डायमंड वायर आरी आमतौर पर इलेक्ट्रोप्लेटिंग, सिंटरिंग या रेज़िन बॉन्डिंग विधियों के माध्यम से स्टील के तार पर हीरे के कणों को स्थापित करके बनाई जाती हैं। इलेक्ट्रोप्लेटेड डायमंड वायर आरी के कई फायदे हैं, जैसे कि संकरे कट, बेहतर स्लाइस गुणवत्ता, उच्च दक्षता, कम प्रदूषण और उच्च कठोरता वाली सामग्रियों को काटने की क्षमता।

वर्तमान में, प्रत्यावर्ती इलेक्ट्रोप्लेटेड डायमंड वायर सॉ SiC को काटने की सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है। चित्र 1 (यहाँ नहीं दिखाया गया) 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 सामग्री के बीच संपर्क क्षेत्र बढ़ जाता है, जिससे प्रतिरोध और तार का कंपन बढ़ जाता है। जब तार वेफर के अधिकतम व्यास तक पहुँचता है, तो कंपन अपने चरम पर होता है, जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम विरूपण होता है।

कटिंग के बाद के चरणों में, तार के त्वरण, स्थिर गति से चलने, मंदी, रुकने और उलटने जैसी प्रक्रियाओं के कारण, साथ ही शीतलक की सहायता से मलबे को हटाने में कठिनाइयों के चलते, वेफर की सतह की गुणवत्ता खराब हो जाती है। तार का उलटना और गति में उतार-चढ़ाव, साथ ही तार पर मौजूद हीरे के बड़े कण, सतह पर खरोंच के मुख्य कारण हैं।

1.4 शीत पृथक्करण प्रौद्योगिकी

SiC एकल क्रिस्टलों का कोल्ड सेपरेशन, तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ प्रसंस्करण के क्षेत्र में एक नवोन्मेषी प्रक्रिया है। हाल के वर्षों में, उत्पादन बढ़ाने और पदार्थ की हानि को कम करने में इसके उल्लेखनीय लाभों के कारण इसने काफी 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 बाह्य व्यास ग्राइंडिंग: प्रसंस्करण से पहले, SiC पिंड के क्रिस्टल अभिविन्यास का निर्धारण करना आवश्यक है। इसके बाद, बाह्य व्यास ग्राइंडिंग द्वारा पिंड को बेलनाकार संरचना (जिसे आमतौर पर SiC पक कहा जाता है) में ढाला जाता है। यह चरण आगे की दिशात्मक कटाई और स्लाइसिंग के लिए आधार तैयार करता है।

मल्टी-वायर कटिंग: इस विधि में बेलनाकार पिंड को काटने के लिए अपघर्षक कणों को काटने वाले तारों के साथ मिलाकर उपयोग किया जाता है। हालांकि, इसमें कटाई के दौरान कटाई में काफी नुकसान होता है और सतह असमान हो जाती है।

लेजर कटिंग तकनीक: इसमें क्रिस्टल के भीतर एक संशोधित परत बनाने के लिए लेजर का उपयोग किया जाता है, जिससे पतली परतें 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।

कटाई प्रक्रिया अनुकूलन

स्थिर अपघर्षक 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 कोल्ड सेपरेशन टेक्नोलॉजी: ये विधियां विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप विविध समाधान प्रदान करती हैं।

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

रीयल-टाइम मॉनिटरिंग: सतह की खुरदरापन की रीयल-टाइम निगरानी के लिए ऑनलाइन निरीक्षण तकनीकें शुरू की गई हैं।

लेजर स्लाइसिंग: यह तकनीक कटाई के दौरान होने वाले नुकसान को कम करती है और प्रसंस्करण चक्र को छोटा करती है, हालांकि तापीय रूप से प्रभावित क्षेत्र एक चुनौती बना रहता है।

हाइब्रिड प्रोसेसिंग टेक्नोलॉजी: यांत्रिक और रासायनिक विधियों के संयोजन से प्रसंस्करण दक्षता में वृद्धि होती है।

यह तकनीक औद्योगिक क्षेत्र में पहले ही उपयोग में आ चुकी है। उदाहरण के लिए, इन्फिनियन ने सिल्टेकट्रा का अधिग्रहण किया और अब उसके पास 8-इंच वेफर्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन को बढ़ावा देने वाले प्रमुख पेटेंट हैं। चीन में, डेलॉन्ग लेजर जैसी कंपनियों ने 6-इंच वेफर प्रोसेसिंग के लिए प्रति पिंड 30 वेफर्स की उत्पादन क्षमता हासिल की है, जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में 40% अधिक है।

घरेलू उपकरण निर्माण में तेजी आने के साथ, यह तकनीक SiC सबस्ट्रेट प्रोसेसिंग के लिए मुख्य समाधान बनने की उम्मीद है। अर्धचालक पदार्थों के बढ़ते व्यास के कारण, पारंपरिक कटिंग विधियाँ अप्रचलित हो गई हैं। वर्तमान विकल्पों में, प्रत्यावर्ती डायमंड वायर सॉ तकनीक में सबसे आशाजनक अनुप्रयोग संभावनाएं दिखाई देती हैं। लेजर कटिंग, एक उभरती हुई तकनीक के रूप में, महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है और भविष्य में प्राथमिक कटिंग विधि बनने की उम्मीद है।

2、SiC एकल क्रिस्टल पीसना

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के प्रतिनिधि के रूप में, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) अपने व्यापक बैंडगैप, उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र, उच्च संतृप्ति इलेक्ट्रॉन ड्रिफ्ट 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 लाभदायक बनाते हैं। SiC सब्सट्रेट के लिए प्रसंस्करण तकनीक उपकरण निर्माण का एक मूलभूत हिस्सा है। सब्सट्रेट की सतह की गुणवत्ता और सटीकता एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता और अंतिम उपकरण के प्रदर्शन को सीधे प्रभावित करती है।

पीसने की प्रक्रिया का मुख्य उद्देश्य सतह पर बने आरी के निशानों और काटने के दौरान क्षतिग्रस्त परतों को हटाना तथा काटने की प्रक्रिया से उत्पन्न विकृति को ठीक करना है। SiC की अत्यधिक कठोरता को देखते हुए, पीसने के लिए बोरोन कार्बाइड या हीरे जैसे कठोर अपघर्षक पदार्थों का उपयोग आवश्यक होता है। पारंपरिक पीसने को आमतौर पर मोटे पीसने और बारीक पीसने में विभाजित किया जाता है।

2.1 मोटा और बारीक पीसना

अपघर्षक कणों के आकार के आधार पर पीसने की प्रक्रिया को वर्गीकृत किया जा सकता है:

मोटे तौर पर पीसना: इसमें मुख्य रूप से बड़े अपघर्षक कणों का उपयोग काटने के दौरान बने आरी के निशानों और क्षतिग्रस्त परतों को हटाने के लिए किया जाता है, जिससे प्रसंस्करण दक्षता में सुधार होता है।

फाइन ग्राइंडिंग: इसमें महीन अपघर्षक पदार्थों का उपयोग करके मोटे ग्राइंडिंग से बनी क्षति की परत को हटाया जाता है, सतह की खुरदरापन को कम किया जाता है और सतह की गुणवत्ता को बढ़ाया जाता है।

कई घरेलू SiC सबस्ट्रेट निर्माता बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रक्रियाओं का उपयोग करते हैं। एक सामान्य विधि में कास्ट आयरन प्लेट और मोनोक्रिस्टलाइन डायमंड स्लरी का उपयोग करके दोनों तरफ से ग्राइंडिंग करना शामिल है। यह प्रक्रिया वायर सॉइंग द्वारा छोड़ी गई क्षतिग्रस्त परत को प्रभावी ढंग से हटा देती है, वेफर के आकार को सही करती है और TTV (कुल मोटाई भिन्नता), बो और वार्प को कम करती है। सामग्री हटाने की दर स्थिर होती है, जो आमतौर पर 0.8–1.2 μm/min तक पहुँचती है। हालांकि, परिणामी वेफर सतह मैट होती है और इसकी खुरदरापन अपेक्षाकृत अधिक होती है—आमतौर पर लगभग 50 nm—जिससे बाद के पॉलिशिंग चरणों पर अधिक दबाव पड़ता है।

2.2 एकतरफा पिसाई

सिंगल-साइडेड ग्राइंडिंग प्रक्रिया में वेफर के केवल एक तरफ को ही एक बार में ग्राइंड किया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, वेफर को एक स्टील प्लेट पर मोम की परत से चिपकाया जाता है। दबाव डालने पर, सब्सट्रेट में हल्का विरूपण होता है और ऊपरी सतह चपटी हो जाती है। ग्राइंडिंग के बाद, निचली सतह को समतल किया जाता है। दबाव हटाने पर, ऊपरी सतह अपने मूल आकार में वापस आने लगती है, जिससे पहले से ग्राइंड की गई निचली सतह भी प्रभावित होती है—जिससे दोनों तरफ की सतह टेढ़ी हो जाती है और उसकी चपटीपन कम हो जाती है।

इसके अलावा, ग्राइंडिंग प्लेट थोड़े समय में 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 वेफर की खराब समतलता के कारण, एक तरफा ग्राइंडिंग बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है।

आमतौर पर, बारीक पिसाई के लिए #8000 ग्राइंडिंग व्हील का उपयोग किया जाता है। जापान में, यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत विकसित है और इसमें #30000 पॉलिशिंग व्हील का भी उपयोग किया जाता है। इससे संसाधित वेफर्स की सतह की खुरदरापन 2 एनएम से कम हो जाती है, जिससे वेफर्स बिना किसी अतिरिक्त प्रसंस्करण के अंतिम सीएमपी (केमिकल मैकेनिकल पॉलिशिंग) के लिए तैयार हो जाते हैं।

2.3 एकल-पक्षीय थिनिंग तकनीक

डायमंड सिंगल-साइडेड थिनिंग तकनीक एक तरफा ग्राइंडिंग की एक नई विधि है। जैसा कि चित्र 5 (यहाँ नहीं दिखाया गया) में दर्शाया गया है, इस प्रक्रिया में डायमंड-बॉन्डेड ग्राइंडिंग प्लेट का उपयोग किया जाता है। वेफर को वैक्यूम एडसॉर्प्शन द्वारा स्थिर किया जाता है, जबकि वेफर और डायमंड ग्राइंडिंग व्हील दोनों एक साथ घूमते हैं। ग्राइंडिंग व्हील धीरे-धीरे नीचे की ओर बढ़ते हुए वेफर को लक्षित मोटाई तक पतला करता है। एक तरफ का काम पूरा होने के बाद, वेफर को पलटकर दूसरी तरफ की प्रक्रिया शुरू की जाती है।

थिनिंग के बाद, 100 मिमी वेफर से निम्नलिखित प्राप्त किया जा सकता है:

धनुष < 5 μm

टीटीवी < 2 μm

सतह की खुरदरापन < 1 एनएम

यह एकल-वेफर प्रसंस्करण विधि उच्च स्थिरता, उत्कृष्ट एकरूपता और उच्च सामग्री निष्कासन दर प्रदान करती है। पारंपरिक दो-तरफ़ा पिसाई की तुलना में, यह तकनीक पिसाई दक्षता में 50% से अधिक सुधार करती है।

2.4 दो तरफा पिसाई

डबल-साइडेड ग्राइंडिंग में एक ऊपरी और एक निचली ग्राइंडिंग प्लेट का उपयोग करके सब्सट्रेट के दोनों तरफ एक साथ ग्राइंडिंग की जाती है, जिससे दोनों तरफ उत्कृष्ट सतह गुणवत्ता सुनिश्चित होती है।

इस प्रक्रिया के दौरान, ग्राइंडिंग प्लेटें सबसे पहले वर्कपीस के सबसे ऊंचे बिंदुओं पर दबाव डालती हैं, जिससे उन बिंदुओं पर विरूपण और धीरे-धीरे सामग्री का क्षरण होता है। जैसे-जैसे ऊंचे बिंदु समतल होते जाते हैं, सब्सट्रेट पर दबाव धीरे-धीरे अधिक समान होता जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पूरी सतह पर एक समान विरूपण होता है। इससे ऊपरी और निचली दोनों सतहों को समान रूप से ग्राइंड किया जा सकता है। ग्राइंडिंग पूरी होने और दबाव हटने के बाद, सब्सट्रेट का प्रत्येक भाग समान दबाव के कारण समान रूप से अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाता है। इससे न्यूनतम विकृति और अच्छी समतलता प्राप्त होती है।

ग्राइंडिंग के बाद वेफर की सतह की खुरदरापन अपघर्षक कणों के आकार पर निर्भर करती है—छोटे कणों से चिकनी सतह प्राप्त होती है। दोनों तरफ से ग्राइंडिंग के लिए 5 μm आकार के अपघर्षक का उपयोग करने पर, वेफर की समतलता और मोटाई में भिन्नता को 5 μm के भीतर नियंत्रित किया जा सकता है। एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) माप से लगभग 100 nm की सतह खुरदरापन (Rq) प्राप्त होती है, जिसमें ग्राइंडिंग के गड्ढे 380 nm तक गहरे होते हैं और अपघर्षक क्रिया के कारण स्पष्ट रैखिक निशान दिखाई देते हैं।

एक अधिक उन्नत विधि में पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड स्लरी के साथ पॉलीयुरेथेन फोम पैड का उपयोग करके दोनों तरफ से ग्राइंडिंग करना शामिल है। यह प्रक्रिया बहुत कम सतह खुरदरापन वाले वेफर्स का उत्पादन करती है, जिससे Ra < 3 nm प्राप्त होता है, जो SiC सब्सट्रेट की बाद की पॉलिशिंग के लिए अत्यधिक लाभदायक है।

हालांकि, सतह पर खरोंच लगना एक अनसुलझी समस्या बनी हुई है। इसके अलावा, इस प्रक्रिया में इस्तेमाल होने वाला बहुक्रिस्टलीय हीरा विस्फोटक संश्लेषण द्वारा उत्पादित किया जाता है, जो तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है, कम मात्रा में उत्पादन करता है और बेहद महंगा है।

SiC एकल क्रिस्टलों का पॉलिशिंग

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) वेफर्स पर उच्च गुणवत्ता वाली पॉलिश सतह प्राप्त करने के लिए, पॉलिशिंग प्रक्रिया में ग्राइंडिंग के गड्ढे और नैनोमीटर-स्तरीय सतह की असमानताओं को पूरी तरह से हटाना आवश्यक है। लक्ष्य एक चिकनी, दोषरहित सतह का निर्माण करना है जिसमें कोई संदूषण या क्षरण 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 दोषों के कारण इसे सीधे एपिटैक्सियल विकास के लिए उपयोग नहीं किया जा सकता है। इसलिए, आगे की प्रक्रिया आवश्यक है। पिंड को पहले गोलाई द्वारा मानक बेलनाकार आकार दिया जाता है, फिर वायर कटिंग का उपयोग करके वेफर्स में काटा जाता है, जिसके बाद क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास का सत्यापन किया जाता है। पॉलिशिंग वेफर की गुणवत्ता में सुधार करने और क्रिस्टल विकास दोषों और पिछली प्रक्रियाओं के कारण होने वाली संभावित सतह क्षति को दूर करने में एक महत्वपूर्ण चरण है।

SiC पर सतही क्षति परतों को हटाने के चार मुख्य तरीके हैं:

यांत्रिक पॉलिशिंग: सरल है लेकिन इससे खरोंचें रह जाती हैं; प्रारंभिक पॉलिशिंग के लिए उपयुक्त है।

केमिकल मैकेनिकल पॉलिशिंग (सीएमपी): रासायनिक नक़्क़ाशी के माध्यम से खरोंचें हटाता है; सटीक पॉलिशिंग के लिए उपयुक्त।

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

प्लाज्मा-सहायता प्राप्त पॉलिशिंग: जटिल और शायद ही कभी उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया।

केवल यांत्रिक पॉलिशिंग से खरोंच लगने की संभावना रहती है, जबकि केवल रासायनिक पॉलिशिंग से असमान नक्काशी हो सकती है। सीएमपी इन दोनों फायदों को मिलाकर एक कुशल और किफायती समाधान प्रदान करता है।

सीएमपी कार्य सिद्धांत

सीएमपी विधि में वेफर को एक निश्चित दबाव के तहत घूर्णनशील पॉलिशिंग पैड के विरुद्ध घुमाया जाता है। यह सापेक्षिक गति, घोल में मौजूद नैनो-आकार के अपघर्षकों द्वारा उत्पन्न यांत्रिक घर्षण और प्रतिक्रियाशील अभिकर्मकों की रासायनिक क्रिया के संयोजन से सतह का समतलीकरण प्राप्त होता है।

उपयोग की जाने वाली प्रमुख सामग्रियां:

पॉलिशिंग स्लरी: इसमें अपघर्षक और रासायनिक अभिकर्मक होते हैं।

पॉलिशिंग पैड: उपयोग के दौरान घिस जाता है, जिससे छिद्रों का आकार और स्लरी की वितरण क्षमता कम हो जाती है। खुरदरापन बहाल करने के लिए नियमित रूप से ड्रेसिंग की आवश्यकता होती है, जिसके लिए आमतौर पर डायमंड ड्रेसर का उपयोग किया जाता है।

विशिष्ट सीएमपी प्रक्रिया

अपघर्षक: 0.5 μm डायमंड स्लरी

लक्ष्य सतह की खुरदरापन: ~0.7 एनएम

रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग:

पॉलिशिंग उपकरण: एपी-810 सिंगल-साइडेड पॉलिशर

दबाव: 200 ग्राम/सेमी²

प्लेट की गति: 50 आरपीएम

सिरेमिक होल्डर की गति: 38 आरपीएम

घोल की 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।

स्लरी प्रवाह दर: 3 लीटर/मिनट, पुन: परिचालित

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

मैकेनिकल पॉलिशिंग में तकनीकी चुनौतियाँ

वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर के रूप में SiC इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुणों के कारण, SiC सिंगल क्रिस्टल उच्च तापमान, उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति और विकिरण प्रतिरोध जैसी चरम स्थितियों के लिए उपयुक्त हैं। हालांकि, इसकी कठोर और भंगुर प्रकृति पीसने और पॉलिश करने में बड़ी चुनौतियां पेश करती है।

जैसे-जैसे वैश्विक स्तर पर अग्रणी निर्माता 6-इंच से 8-इंच वेफर्स की ओर अग्रसर हो रहे हैं, प्रसंस्करण के दौरान दरारें और वेफर क्षति जैसी समस्याएं अधिक प्रमुख हो गई हैं, जिससे उत्पादन पर काफी प्रभाव पड़ रहा है। 8-इंच SiC सबस्ट्रेट्स की तकनीकी चुनौतियों का समाधान करना अब उद्योग की प्रगति के लिए एक महत्वपूर्ण मानदंड बन गया है।

8-इंच के युग में, SiC वेफर प्रोसेसिंग 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।

हालांकि 8-इंच SiC सिंगल क्रिस्टल के विकास में परिपक्वता आ चुकी है, लेकिन पीसने और पॉलिश करने जैसी बैक-एंड प्रक्रियाओं में अभी भी बाधाएं हैं, जिसके परिणामस्वरूप कम पैदावार (केवल 40-50%) होती है।

बड़े वेफर्स में दबाव का वितरण अधिक जटिल होता है, जिससे पॉलिशिंग तनाव और उपज की स्थिरता को प्रबंधित करना अधिक कठिन हो जाता है।

हालांकि 8 इंच के वेफर्स की मोटाई 6 इंच के वेफर्स की मोटाई के करीब पहुंच रही है, लेकिन तनाव और विकृति के कारण हैंडलिंग के दौरान उन्हें नुकसान पहुंचने की संभावना अधिक होती है।

कटिंग से संबंधित तनाव, विकृति और दरारों को कम करने के लिए लेजर कटिंग का उपयोग तेजी से बढ़ रहा है। हालांकि:

लंबी तरंगदैर्ध्य वाली लेजर किरणें ऊष्मीय क्षति का कारण बनती हैं।

कम तरंगदैर्ध्य वाले लेजर भारी मात्रा में मलबा उत्पन्न करते हैं और क्षति की परत को गहरा करते हैं, जिससे पॉलिशिंग की जटिलता बढ़ जाती है।

SiC के लिए यांत्रिक पॉलिशिंग कार्यप्रवाह

सामान्य प्रक्रिया प्रवाह में निम्नलिखित शामिल हैं:

अभिविन्यास कटिंग

मोटा पीसना

बारीक पिसाई

यांत्रिक पॉलिशिंग

अंतिम चरण के रूप में रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी)।

सीएमपी विधि का चयन, प्रक्रिया मार्ग का डिज़ाइन और मापदंडों का अनुकूलन अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। अर्धचालक निर्माण में, सीएमपी अल्ट्रा-स्मूथ, 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।

(a) SiC पिंड को क्रूसिबल से निकालें;

(ख) बाह्य व्यास की पिसाई का उपयोग करके प्रारंभिक आकार देना;

(ग) संरेखण समतलों या खांचों का उपयोग करके क्रिस्टल अभिविन्यास निर्धारित करें;

(घ) मल्टी-वायर सॉइंग का उपयोग करके पिंड को पतली वेफर्स में काटें;

(ई) पीसने और पॉलिश करने की प्रक्रिया के माध्यम से दर्पण जैसी चिकनी सतह प्राप्त करना।

प्रसंस्करण के विभिन्न चरणों को पूरा करने के बाद, SiC वेफर का बाहरी किनारा अक्सर नुकीला हो जाता है, जिससे हैंडलिंग या उपयोग के दौरान टूटने का खतरा बढ़ जाता है। इस तरह की नाजुकता से बचने के लिए, किनारे को घिसना आवश्यक है।

परंपरागत स्लाइसिंग प्रक्रियाओं के अतिरिक्त, SiC वेफर्स तैयार करने की एक अभिनव विधि में बॉन्डिंग तकनीक शामिल है। यह दृष्टिकोण एक पतली SiC एकल-क्रिस्टल परत को एक विषम सब्सट्रेट (सहायक सब्सट्रेट) से जोड़कर वेफर निर्माण को सक्षम बनाता है।

चित्र 3 प्रक्रिया प्रवाह को दर्शाता है:

सबसे पहले, हाइड्रोजन आयन प्रत्यारोपण या इसी तरह की तकनीकों के माध्यम से SiC एकल क्रिस्टल की सतह पर एक निर्दिष्ट गहराई पर एक परत बनाई जाती है। फिर संसाधित SiC एकल क्रिस्टल को एक समतल सहायक सब्सट्रेट से जोड़ा जाता है और उस पर दबाव और ऊष्मा डाली जाती है। इससे SiC एकल क्रिस्टल परत को सहायक सब्सट्रेट पर सफलतापूर्वक स्थानांतरित और अलग किया जा सकता है।

अलग की गई SiC परत को आवश्यक समतलता प्राप्त करने के लिए सतह उपचार से गुज़ारा जाता 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 आवश्यकता को कम करती है। हालांकि तकनीकी चुनौतियां अभी भी मौजूद हैं, कम लागत वाले वेफर उत्पादन को संभव बनाने के लिए अनुसंधान और विकास में सक्रिय रूप से प्रगति हो रही है।

SiC की उच्च कठोरता और रासायनिक स्थिरता को देखते हुए—जो इसे कमरे के तापमान पर प्रतिक्रियाओं के प्रति प्रतिरोधी बनाती है—बारीक पिसाई के गड्ढों को हटाने, सतह की क्षति को कम करने, खरोंच, गड्ढे और संतरे के छिलके जैसे 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 चिकनी सतह प्राप्त करने के लिए, निम्नलिखित आवश्यक है:

अपघर्षक के प्रकारों को समायोजित करें,

कणों का आकार कम करें,

प्रक्रिया मापदंडों को अनुकूलित करें,

पर्याप्त कठोरता वाले पॉलिशिंग सामग्री और पैड का चयन करें।

चित्र 7 दर्शाता है कि 1 μm अपघर्षक के साथ दो तरफा पॉलिशिंग से समतलता और मोटाई में भिन्नता को 10 μm के भीतर नियंत्रित किया जा सकता है, और सतह की खुरदरापन को लगभग 0.25 nm तक कम किया जा सकता है।

3.2 रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी)

रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी) में, संसाधित की जा रही सामग्री पर एक चिकनी, समतल सतह बनाने के लिए अतिसूक्ष्म कणों के घर्षण को रासायनिक नक़्क़ाशी के साथ संयोजित किया जाता है। इसका मूल सिद्धांत यह है:

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

अपघर्षक कणों और नरम परत के बीच घर्षण के कारण पदार्थ हट जाता है।

सीएमपी के फायदे:

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

यह वैश्विक और स्थानीय दोनों प्रकार के समतलीकरण को प्राप्त करता है।

यह उच्च समतलता और कम खुरदरापन वाली सतहें उत्पन्न करता है।

इससे सतह या उपसतह पर कोई क्षति नहीं होती है।

विस्तार से:

दबाव पड़ने पर वेफर पॉलिशिंग पैड के सापेक्ष गति करता है।

स्लरी में मौजूद नैनोमीटर-स्केल अपघर्षक (जैसे, SiO₂) अपरूपण में भाग लेते हैं, जिससे Si–C सहसंयोजक बंध कमजोर हो जाते हैं और पदार्थ को हटाने की प्रक्रिया तेज हो जाती है।

सीएमपी तकनीकों के प्रकार:

अपघर्षक-मुक्त पॉलिशिंग: अपघर्षक (जैसे SiO₂) को घोल में निलंबित किया जाता है। पदार्थ को तीन-पिंडीय अपघर्षण (वेफर-पैड-अपघर्षक) के माध्यम से हटाया जाता है। एकरूपता में सुधार के लिए अपघर्षक के आकार (आमतौर पर 60-200 एनएम), पीएच और तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करना आवश्यक है।

स्थिर अपघर्षक पॉलिशिंग: अपघर्षक कणों को पॉलिशिंग पैड में अंतर्निहित किया जाता है ताकि वे आपस में चिपकें नहीं - उच्च परिशुद्धता प्रसंस्करण के लिए आदर्श।

पॉलिश करने के बाद की सफाई:

पॉलिश किए गए वेफर्स निम्नलिखित प्रक्रियाओं से गुजरते हैं:

रासायनिक सफाई (जिसमें डीआई जल और घोल के अवशेषों को हटाना शामिल है),

डीआई पानी से धोना, और

गर्म नाइट्रोजन सुखाने

सतह पर मौजूद संदूषकों को कम करने के लिए।

सतह की गुणवत्ता और प्रदर्शन

सतह की खुरदरापन को Ra < 0.3 nm तक कम किया जा सकता है, जो सेमीकंडक्टर एपिटैक्सी की आवश्यकताओं को पूरा करता है।

ग्लोबल प्लेनराइजेशन: रासायनिक नरमी और यांत्रिक निष्कासन का संयोजन खरोंच और असमान नक्काशी को कम करता है, जो विशुद्ध यांत्रिक या रासायनिक विधियों से बेहतर प्रदर्शन करता है।

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

पॉलिश करने की अन्य उभरती तकनीकें

सीएमपी के अलावा, वैकल्पिक विधियों का भी प्रस्ताव दिया गया है, जिनमें शामिल हैं:

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

ट्राइबोकेमिकल पॉलिशिंग।

हालांकि, ये विधियां अभी भी अनुसंधान चरण में हैं और SiC के चुनौतीपूर्ण भौतिक गुणों के कारण इनका विकास धीमी गति से हुआ है।

अंततः, SiC प्रसंस्करण एक क्रमिक प्रक्रिया है जिसमें सतह की गुणवत्ता में सुधार के लिए विकृति और खुरदरापन को कम किया जाता है, और प्रत्येक चरण में समतलता और खुरदरापन नियंत्रण महत्वपूर्ण होता है।

प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी

वेफर ग्राइंडिंग चरण के दौरान, अलग-अलग कण आकारों वाले डायमंड स्लरी का उपयोग करके वेफर को आवश्यक समतलता और सतह खुरदरापन तक पीसा जाता है। इसके बाद, यांत्रिक और रासायनिक यांत्रिक पॉलिशिंग (सीएमपी) तकनीकों का उपयोग करके पॉलिशिंग की जाती है, जिससे क्षतिरहित पॉलिश किए गए सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) वेफर प्राप्त होते हैं।

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

कई वर्षों के प्रयासों के बाद, चीन में SiC एकल क्रिस्टल प्रसंस्करण में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। घरेलू स्तर पर, 100 मिमी डोप्ड अर्ध-अरोधक 4H-SiC एकल क्रिस्टल सफलतापूर्वक विकसित किए गए हैं, और अब n-प्रकार के 4H-SiC और 6H-SiC एकल क्रिस्टल का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है। टैंकब्लू और टीवाईएसटी जैसी कंपनियों ने पहले ही 150 मिमी SiC एकल क्रिस्टल विकसित कर लिए हैं।

SiC वेफर प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के संदर्भ में, घरेलू संस्थानों ने क्रिस्टल स्लाइसिंग, ग्राइंडिंग और पॉलिशिंग के लिए 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। हालांकि, अंतरराष्ट्रीय मानकों की तुलना में, घरेलू वेफर्स की सतह प्रसंस्करण गुणवत्ता अभी भी काफी पीछे है। इसके कई कारण हैं:

अंतर्राष्ट्रीय SiC सिद्धांत और प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियां अत्यंत संरक्षित हैं और आसानी से उपलब्ध नहीं हैं।

प्रक्रिया सुधार और अनुकूलन के लिए सैद्धांतिक अनुसंधान और समर्थन की कमी है।

विदेशी उपकरणों और पुर्जों के आयात की लागत अधिक है।

उपकरण डिजाइन, प्रसंस्करण परिशुद्धता और सामग्री पर घरेलू अनुसंधान में अभी भी अंतरराष्ट्रीय स्तर की तुलना में महत्वपूर्ण कमियां दिखाई देती हैं।

वर्तमान में, चीन में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश उच्च परिशुद्धता उपकरण आयात किए जाते हैं। परीक्षण उपकरणों और कार्यप्रणालियों में भी और सुधार की आवश्यकता है।

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के निरंतर विकास के साथ, SiC एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट का व्यास लगातार बढ़ रहा है, साथ ही सतह प्रसंस्करण गुणवत्ता के लिए उच्च आवश्यकताएं भी बढ़ रही हैं। SiC एकल क्रिस्टल वृद्धि के बाद वेफर प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी सबसे तकनीकी रूप से 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 गहन अध्ययन करना और SiC वेफर निर्माण के लिए उपयुक्त प्रक्रिया विधियों और मार्गों का पता लगाना आवश्यक है। साथ ही, उन्नत अंतरराष्ट्रीय प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों से सीखना और उच्च गुणवत्ता वाले सब्सट्रेट के उत्पादन के लिए अत्याधुनिक अति-सटीक मशीनिंग तकनीकों और उपकरणों को अपनाना भी आवश्यक है।

वेफर का आकार बढ़ने के साथ-साथ क्रिस्टल वृद्धि और प्रसंस्करण की कठिनाई भी बढ़ती जाती है। हालांकि, इससे आगे के उपकरणों की निर्माण क्षमता में काफी सुधार होता है और प्रति इकाई लागत कम हो जाती है। वर्तमान में, विश्व स्तर पर प्रमुख SiC वेफर आपूर्तिकर्ता 4 इंच से 6 इंच व्यास तक के उत्पाद उपलब्ध कराते हैं। क्री और II-VI जैसी अग्रणी कंपनियों ने 8 इंच SiC वेफर उत्पादन लाइनें विकसित करने की योजना बनाना शुरू कर दिया है।