F: Welche Technologien werden hauptsächlich beim Schneiden und Bearbeiten von SiC-Wafern eingesetzt?
A:Siliciumcarbid Siliziumkarbid (SiC) besitzt die zweithöchste Härte nach Diamant und gilt als extrem hartes und sprödes Material. Das Schneidverfahren, bei dem die gezüchteten Kristalle in dünne Scheiben geschnitten werden, ist zeitaufwändig und anfällig für Absplitterungen. Als erster Schritt inSiCBei der Einkristallbearbeitung hat die Qualität des Schneidens einen entscheidenden Einfluss auf das nachfolgende Schleifen, Polieren und Ausdünnen. Das Schneiden führt häufig zu Oberflächen- und Untergrundrissen, was die Bruchrate der Wafer und die Produktionskosten erhöht. Daher ist die Kontrolle von Oberflächenrissen beim Schneiden von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der SiC-Bauelementfertigung.
Zu den aktuell beschriebenen SiC-Schneidverfahren zählen das Schneiden mit festem und freiem Schleifmittel, Laserschneiden, Schichttransfer (Kalttrennung) und Funkenerosion. Das gängigste Verfahren zur Bearbeitung von SiC-Einkristallen ist das oszillierende Mehrdrahtschneiden mit festem Diamantschleifmittel. Bei Ingotgrößen ab 8 Zoll wird das traditionelle Drahtsägen jedoch aufgrund des hohen Anlagenbedarfs, der Kosten und der geringen Effizienz immer unpraktischer. Daher besteht ein dringender Bedarf an kostengünstigen, verlustarmen und hocheffizienten Schneidtechnologien.
F: Was sind die Vorteile des Laserschneidens gegenüber dem herkömmlichen Mehrdrahtschneiden?
A: Traditionelles Drahtsägen schneidet dieSiC-BlockDie Scheiben werden entlang einer bestimmten Richtung in mehrere hundert Mikrometer dicke Scheiben geschnitten. Anschließend werden sie mit Diamantsuspensionen geschliffen, um Sägespuren und Beschädigungen unter der Oberfläche zu entfernen. Darauf folgt das chemisch-mechanische Polieren (CMP) zur Erzielung einer globalen Planarisierung. Abschließend werden die Wafer gereinigt, um SiC-Wafer zu erhalten.
Aufgrund der hohen Härte und Sprödigkeit von SiC können diese Arbeitsschritte jedoch leicht zu Verformungen, Rissen, erhöhten Bruchraten und höheren Produktionskosten führen sowie eine hohe Oberflächenrauheit und Verunreinigungen (Staub, Abwasser usw.) zur Folge haben. Darüber hinaus ist das Drahtsägen langsam und wenig ertragreich. Schätzungen zufolge werden beim herkömmlichen Mehrdrahtsägen nur etwa 50 % des Materials genutzt, und bis zu 75 % gehen nach dem Polieren und Schleifen verloren. Erste Produktionsdaten aus dem Ausland deuteten darauf hin, dass die Herstellung von 10.000 Wafern etwa 273 Tage im 24-Stunden-Betrieb dauern könnte – ein sehr zeitaufwändiger Prozess.
Viele inländische Unternehmen, die sich mit der Züchtung von SiC-Kristallen befassen, konzentrieren sich auf die Erhöhung der Ofenkapazität. Anstatt jedoch nur die Produktion auszuweiten, ist es wichtiger zu überlegen, wie Verluste reduziert werden können – insbesondere solange die Kristallausbeute noch nicht optimal ist.
Laserschneidanlagen können den Materialverlust deutlich reduzieren und die Ausbeute verbessern. Beispielsweise kann mit einem einzigen 20-mm-Laserschneidgerät der Materialverlust erheblich reduziert und die Ausbeute gesteigert werden.SiC-BlockDurch Drahtsägen lassen sich etwa 30 Wafer mit einer Dicke von 350 µm gewinnen. Laserschneiden ermöglicht die Herstellung von mehr als 50 Wafern. Wird die Waferdicke auf 200 µm reduziert, können aus demselben Ingot über 80 Wafer gefertigt werden. Während Drahtsägen für Wafer bis zu 6 Zoll Durchmesser weit verbreitet ist, kann das Schneiden eines 8-Zoll-SiC-Ingots mit herkömmlichen Methoden 10–15 Tage dauern. Dies erfordert High-End-Ausrüstung und ist mit hohen Kosten bei geringer Effizienz verbunden. Unter diesen Bedingungen werden die Vorteile des Laserschneidens deutlich, wodurch es sich zur führenden Technologie der Zukunft für 8-Zoll-Wafer entwickelt.
Mit Laserschneiden kann die Schneidzeit pro 8-Zoll-Wafer unter 20 Minuten liegen, der Materialverlust pro Wafer unter 60 μm.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Laserschneiden im Vergleich zum Mehrdrahtschneiden eine höhere Geschwindigkeit, eine bessere Ausbeute, einen geringeren Materialverlust und eine sauberere Bearbeitung ermöglicht.
F: Was sind die größten technischen Herausforderungen beim Laserschneiden von SiC?
A: Der Laserschneidprozess umfasst zwei Hauptschritte: Lasermodifikation und Wafertrennung.
Kern der Lasermodifikation sind Strahlformung und Parameteroptimierung. Parameter wie Laserleistung, Spotdurchmesser und Scangeschwindigkeit beeinflussen die Qualität des Materialabtrags und den Erfolg der anschließenden Wafertrennung. Die Geometrie der modifizierten Zone bestimmt die Oberflächenrauheit und die Schwierigkeit der Trennung. Eine hohe Oberflächenrauheit erschwert das spätere Schleifen und erhöht den Materialverlust.
Nach der Modifizierung erfolgt die Wafertrennung typischerweise durch Scherkräfte, beispielsweise durch Kaltbruch oder mechanische Spannung. Einige inländische Systeme nutzen Ultraschallwandler zur Erzeugung von Vibrationen für die Trennung, was jedoch zu Absplitterungen und Kantenfehlern führen und somit die Endausbeute verringern kann.
Obwohl diese beiden Schritte an sich nicht schwierig sind, beeinflussen Unregelmäßigkeiten in der Kristallqualität – bedingt durch unterschiedliche Wachstumsprozesse, Dotierungsgrade und interne Spannungsverteilungen – die Schwierigkeit des Schneidens, die Ausbeute und den Materialverlust erheblich. Die bloße Identifizierung von Problembereichen und die Anpassung der Laserscan-Zonen führen möglicherweise nicht zu einer wesentlichen Verbesserung der Ergebnisse.
Der Schlüssel zur breiten Akzeptanz liegt in der Entwicklung innovativer Methoden und Geräte, die sich an ein breites Spektrum von Kristallqualitäten verschiedener Hersteller anpassen lassen, in der Optimierung der Prozessparameter und im Aufbau von Laserschneidsystemen mit universeller Anwendbarkeit.
F: Kann die Laserschneidtechnologie auch auf andere Halbleitermaterialien als SiC angewendet werden?
A: Die Laserschneidtechnologie wurde in der Vergangenheit für eine Vielzahl von Materialien eingesetzt. In der Halbleiterindustrie wurde sie zunächst zum Vereinzeln von Wafern verwendet und hat sich seither auf das Schneiden großer, massiver Einkristalle ausgeweitet.
Neben Siliziumkarbid (SiC) kann das Laserschneiden auch für andere harte oder spröde Materialien wie Diamant, Galliumnitrid (GaN) und Galliumoxid (Ga₂O₃) eingesetzt werden. Vorstudien an diesen Materialien haben die Machbarkeit und die Vorteile des Laserschneidens für Halbleiteranwendungen aufgezeigt.
F: Gibt es derzeit ausgereifte inländische Laserschneidanlagen? In welcher Phase befindet sich Ihre Forschung?
A: Anlagen zum Laserschneiden von SiC-Wafern mit großem Durchmesser gelten weithin als Kernausrüstung für die zukünftige Produktion von 8-Zoll-SiC-Wafern. Derzeit kann nur Japan solche Systeme anbieten, und sie sind teuer und unterliegen Exportbeschränkungen.
Der Inlandsbedarf an Laserschneid-/Dünnschichtsystemen wird auf rund 1.000 Einheiten geschätzt, basierend auf den Produktionsplänen für Siliziumkarbid (SiC) und den vorhandenen Kapazitäten für Drahtsägen. Große inländische Unternehmen haben umfangreich in die Entwicklung investiert, doch bisher hat noch kein ausgereiftes, kommerziell erhältliches System den industriellen Einsatz erreicht.
Seit 2001 entwickeln Forschungsgruppen proprietäre Laser-Lift-off-Technologien und haben diese nun auf das Laserschneiden und -ausdünnen von SiC-Wafern mit großem Durchmesser ausgeweitet. Sie haben ein Prototypensystem und Schneidverfahren entwickelt, die Folgendes ermöglichen: Schneiden und Ausdünnen von 4–6 Zoll großen, halbisolierenden SiC-Wafern; Schneiden von 6–8 Zoll großen, leitfähigen SiC-Ingots. Leistungsvergleichswerte: 6–8 Zoll großes, halbisolierendes SiC: Schneidzeit 10–15 Minuten/Wafer; Materialverlust < 30 μm. 6–8 Zoll großes, leitfähiges SiC: Schneidzeit 14–20 Minuten/Wafer; Materialverlust < 60 μm.
Die geschätzte Waferausbeute stieg um über 50 %.
Nach dem Schneiden erfüllen die Wafer nach dem Schleifen und Polieren die nationalen Geometrienormen. Studien zeigen außerdem, dass laserinduzierte thermische Effekte die Spannungen oder die Geometrie der Wafer nicht signifikant beeinflussen.
Mit der gleichen Ausrüstung wurde auch die Machbarkeit des Schneidens von Diamant-, GaN- und Ga₂O₃-Einkristallen überprüft.
Veröffentlichungsdatum: 23. Mai 2025