F: Welche Haupttechnologien werden beim Schneiden und Verarbeiten von SiC-Wafern verwendet?
A:Siliziumkarbid (SiC) hat eine Härte, die nur von Diamant übertroffen wird, und gilt als sehr hartes und sprödes Material. Der Schneidprozess, bei dem gewachsene Kristalle in dünne Scheiben geschnitten werden, ist zeitaufwändig und anfällig für Absplitterungen. Als erster Schritt inSiCBei der Einkristallverarbeitung beeinflusst die Qualität des Schneidens maßgeblich das nachfolgende Schleifen, Polieren und Dünnstellen. Beim Schneiden entstehen häufig Risse an der Oberfläche und unter der Oberfläche, was die Waferbruchrate und die Produktionskosten erhöht. Daher ist die Kontrolle von Oberflächenrissschäden beim Schneiden entscheidend für die Weiterentwicklung der SiC-Bauelementherstellung.
Zu den aktuell bekannten SiC-Schneideverfahren gehören das Schneiden mit festem und freiem Schleifmittel, das Laserschneiden, das Schichttransferverfahren (Kalttrennen) und das Funkenerosionsschneiden. Das hin- und hergehende Mehrdrahtschneiden mit festem Diamantschleifmittel ist dabei die am häufigsten verwendete Methode zur Bearbeitung von SiC-Einkristallen. Ab einer Ingotgröße von 8 Zoll wird das traditionelle Drahtsägen jedoch aufgrund des hohen Gerätebedarfs, der Kosten und der geringen Effizienz immer unpraktischer. Es besteht dringender Bedarf an kostengünstigen, verlustarmen und hocheffizienten Schneidtechnologien.
F: Welche Vorteile bietet das Laserschneiden gegenüber dem herkömmlichen Mehrdrahtschneiden?
A:Traditionelle Drahtsägen schneiden dieSiC-Blockentlang einer bestimmten Richtung in mehrere hundert Mikrometer dicke Scheiben geschnitten. Die Scheiben werden dann mit Diamantschliff geschliffen, um Sägespuren und Beschädigungen unter der Oberfläche zu entfernen. Anschließend erfolgt eine chemisch-mechanische Politur (CMP) zur globalen Planarisierung und abschließende Reinigung, um SiC-Wafer zu erhalten.
Aufgrund der hohen Härte und Sprödigkeit von SiC können diese Schritte jedoch leicht zu Verformungen, Rissen, erhöhten Bruchraten und höheren Produktionskosten führen sowie zu hoher Oberflächenrauheit und Verunreinigungen (Staub, Abwasser usw.). Zudem ist das Drahtsägen langsam und hat eine geringe Ausbeute. Schätzungen zufolge erreicht das traditionelle Mehrdrahtsägen nur eine Materialausnutzung von etwa 50 %, und bis zu 75 % des Materials gehen nach dem Polieren und Schleifen verloren. Erste ausländische Produktionsdaten deuten darauf hin, dass die Herstellung von 10.000 Wafern bei kontinuierlicher 24-Stunden-Produktion etwa 273 Tage dauern kann – ein sehr zeitintensiver Prozess.
Viele Unternehmen im Bereich der SiC-Kristallzüchtung konzentrieren sich auf die Erhöhung ihrer Ofenkapazität. Doch nicht nur die Produktion muss gesteigert werden, sondern es gilt, Verluste zu reduzieren – insbesondere, wenn die Kristallzüchtungsausbeute noch nicht optimal ist.
Laserschneidanlagen können den Materialverlust deutlich reduzieren und die Ausbeute verbessern. Beispielsweise kann mit einem einzigen 20 mmSiC-BlockDrahtsägen können etwa 30 Wafer mit 350 μm Dicke produzieren. Laserschneiden kann mehr als 50 Wafer liefern. Bei einer Reduzierung der Waferdicke auf 200 μm können aus demselben Ingot mehr als 80 Wafer hergestellt werden. Während Drahtsägen häufig für Wafer mit einer Dicke von 6 Zoll und kleiner eingesetzt werden, kann das Schneiden eines 8-Zoll-SiC-Ingots mit herkömmlichen Methoden 10–15 Tage dauern. Dies erfordert High-End-Geräte und verursacht hohe Kosten bei geringer Effizienz. Unter diesen Bedingungen werden die Vorteile des Laserschneidens deutlich und machen es zur Mainstream-Technologie der Zukunft für 8-Zoll-Wafer.
Beim Laserschneiden kann die Schneidzeit pro 8-Zoll-Wafer unter 20 Minuten liegen, wobei der Materialverlust pro Wafer unter 60 μm liegt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Laserschneiden im Vergleich zum Mehrdrahtschneiden eine höhere Geschwindigkeit, eine bessere Ausbeute, einen geringeren Materialverlust und eine sauberere Verarbeitung bietet.
F: Was sind die größten technischen Herausforderungen beim SiC-Laserschneiden?
A: Der Laserschneideprozess umfasst zwei Hauptschritte: Lasermodifikation und Wafertrennung.
Der Kern der Lasermodifizierung liegt in der 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 den Trennaufwand. Eine hohe Oberflächenrauheit erschwert das spätere Schleifen und erhöht den Materialverlust.
Nach der Modifikation erfolgt die Wafertrennung typischerweise durch Scherkräfte, wie Kaltbruch oder mechanische Beanspruchung. Einige Systeme im Haushalt nutzen Ultraschallwandler, um Vibrationen zur Trennung zu erzeugen. Dies kann jedoch zu Absplitterungen und Kantendefekten führen und so die Ausbeute verringern.
Obwohl diese beiden Schritte grundsätzlich nicht schwierig sind, wirken sich Schwankungen in der Kristallqualität – bedingt durch unterschiedliche Wachstumsverfahren, Dotierungsgrade und interne Spannungsverteilungen – erheblich auf den Schneideaufwand, die Ausbeute und den Materialverlust aus. Das bloße Identifizieren von Problembereichen und Anpassen der Laserscanzonen führt nicht unbedingt zu einer wesentlichen Verbesserung der Ergebnisse.
Der Schlüssel zu einer breiten Akzeptanz liegt in der Entwicklung innovativer Methoden und Geräte, die sich an eine große Bandbreite von Kristallqualitäten verschiedener Hersteller anpassen lassen, in der Optimierung der Prozessparameter und im Bau universell einsetzbarer Laserschneidesysteme.
F: Kann die Laserschneidetechnologie neben SiC auch auf andere Halbleitermaterialien angewendet werden?
A: Die Laserschneidtechnologie wurde in der Vergangenheit für eine Vielzahl von Materialien eingesetzt. Bei Halbleitern wurde sie zunächst zum Zerteilen von Wafern verwendet und wurde seitdem auf das Schneiden großer Einkristalle ausgeweitet.
Neben SiC kann das Laserschneiden auch für andere harte oder spröde Materialien wie Diamant, Galliumnitrid (GaN) und Galliumoxid (Ga₂O₃) eingesetzt werden. Vorstudien zu diesen Materialien haben die Machbarkeit und die Vorteile des Laserschneidens für Halbleiteranwendungen gezeigt.
F: Gibt es derzeit ausgereifte inländische Laserschneidgeräte? In welchem Stadium befindet sich Ihre Forschung?
A: Großkalibrige SiC-Laserschneidanlagen gelten 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.
Die Inlandsnachfrage nach Laser-Schneid-/Dünnungssystemen wird auf rund 1.000 Einheiten geschätzt, basierend auf den SiC-Produktionsplänen und den vorhandenen Drahtsägekapazitäten. Große inländische Unternehmen haben massiv in die Entwicklung investiert, doch bisher ist noch keine ausgereifte, kommerziell erhältliche inländische Anlage industriell einsetzbar.
Forschungsgruppen entwickeln seit 2001 proprietäre Laser-Lift-Off-Technologie und haben diese nun auf das Laserschneiden und -dünnen von SiC mit großem Durchmesser ausgeweitet. Sie haben ein Prototypsystem und Schneidprozesse entwickelt, die Folgendes ermöglichen: Schneiden und Dünnschneiden von 4–6 Zoll großen, halbisolierenden SiC-Wafern. Schneiden von 6–8 Zoll großen, leitfähigen SiC-Ingots. Leistungskennzahlen: 6–8 Zoll halbisolierendes SiC: Schneidzeit 10–15 Minuten/Wafer; Materialverlust <30 μm. 6–8 Zoll leitfähiges SiC: Schneidzeit 14–20 Minuten/Wafer; Materialverlust <60 μm.
Geschätzte Waferausbeute um über 50 % gesteigert
Nach dem Schneiden erfüllen die Wafer nach Schleifen und Polieren die nationalen Geometriestandards. Studien zeigen zudem, dass laserinduzierte thermische Effekte weder die Spannung noch die Geometrie der Wafer signifikant beeinflussen.
Mit derselben Ausrüstung wurde auch die Machbarkeit des Schneidens von Diamant-, GaN- und Ga₂O₃-Einkristallen überprüft.
Veröffentlichungszeit: 23. Mai 2025