Cacbua silic có độ cứng Mohs từ 9,2–9,5, chỉ đứng sau kim cương. Nó rất giòn và có độ bền gãy thấp, đồng thời có khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn và chống bức xạ tuyệt vời. Tuy nhiên, việc xử lý rất khó khăn và tốn kém, đòi hỏi nhiều bước như cắt, nhấc ra, khắc và đánh bóng. Chất lượng xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất dẫn điện, mức điện áp chịu được và tuổi thọ của thiết bị điện. Hiện nay, cắt dây được sử dụng rộng rãi vì giá thành rẻ, kết cấu thiết bị đơn giản, phù hợp cho sản xuất hàng loạt và dụng cụ cắt kim cương cũng tương đối dễ kiếm. Tuy nhiên, việc cắt dây gây ra tổn thất vật liệu đáng kể và hiệu quả xử lý cực kỳ thấp.
Tổn thất vật chất do cắt dây
Trong quá trình cắt dây, chuyển động tốc độ cao của dây cắt không chỉ tạo ra vết cắt có chiều rộng vết cắt bằng đường kính dây; Bởi vì bề mặt wafer được chuẩn bị bằng cách cắt dây rất thô nên việc mài và đánh bóng tiếp theo cũng như các quy trình hoàn thiện khác cũng được yêu cầu. Cuối cùng, tổn thất nguyên liệu tích lũy có thể lên tới 30%–50% tổng nguyên liệu thô. Quá trình cưa nhiều dây còn cần đến giải pháp làm mát rãnh cắt và làm sạch các mảnh vụn, tạo ra lượng lớn chất lỏng thải chứa silicon. Các hạt có kích thước micro/nano trong đó khó kết tụ và khó tái chế, gây tác động đáng kể đến môi trường.
Nâng cơ bằng Laser: Thực hiện một “Phẫu thuật vô hình” bên trong viên pha lê
Nâng hạ bằng laser là một quá trình quan trọng để cắt SiC và thuộc về công nghệ xử lý tách lớp và sửa đổi bên trong. Nguyên lý cốt lõi của nó là sửa đổi tiêu điểm bên trong bằng laser cộng với khả năng tách lực bên ngoài.
Sơ đồ công nghệ nâng hạ bằng laser tinh thể SiC
Giai đoạn đầu tiên là sửa đổi nội bộ. Sử dụng đặc tính xuyên thấu và lấy nét siêu cao của laser xung siêu ngắn, tiêu điểm laser được điều khiển chính xác bằng đường quang và tập trung ở độ sâu đặt trước bên trong tấm wafer cacbua silic. Sau khi tập trung tia laser năng lượng cao bên trong tấm bán dẫn, vật liệu cacbua silic cục bộ trải qua quá trình biến dạng mạng, biến đổi pha và lan truyền vết nứt vi mô, tạo thành một lớp biến đổi đồng nhất, liên tục. Độ bền cơ học của lớp được sửa đổi thấp hơn rất nhiều so với lớp vật liệu nền và không có dấu vết xử lý trên bề mặt, thực hiện sự sửa đổi vô hình. Giai đoạn thứ hai là tách tách. Thông qua lực căng vi mô cơ học, thổi khí hoặc lực kéo bên ngoài, tấm bán dẫn được phân tách chính xác dọc theo lớp được sửa đổi bên trong, hoàn thành quá trình cắt và tách toàn bộ tấm bán dẫn mà không bị mất mát.
Không giống như cắt dây truyền thống, công nghệ nâng hạ bằng laser không tiếp xúc có thể tránh được một cách hiệu quả các vấn đề như mài mòn dụng cụ cắt và hỏng tấm bán dẫn SiC do ứng suất cơ học, từ đó đạt được chất lượng cao và độ chính xác cao. Công nghệ nâng hạ bằng laser cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý và chất lượng của tấm silicon cacbua và giảm chi phí sản xuất chất nền cacbua silic. Nó có ưu điểm nổi bật là hiệu quả sản xuất cao và tổn thất nguyên liệu thấp. Nâng bằng laser có độ dày lớp được sửa đổi rất nhỏ, có thể cải thiện đáng kể việc sử dụng vật liệu trong quá trình chuẩn bị tấm wafer cacbua silic. Việc đạt được chất lượng cao và hiệu quả cao trên các tấm silicon cacbua dự kiến sẽ vượt qua các nút thắt kỹ thuật và hạn chế về chi phí cao, đồng thời thúc đẩy các ứng dụng thị trường trong đó các thiết bị cacbua silic thay thế chất nền silicon. Tác động môi trường của công nghệ nâng hạ bằng laser cũng rất đáng kể. Trong các quy trình cắt truyền thống, vấn đề ô nhiễm chất lỏng và bụi cắt là tương đối nghiêm trọng, trong khi quá trình nâng hạ bằng laser, như một quy trình không tiếp xúc, có thể làm giảm lượng khí thải chất thải công nghiệp. Kết hợp với hiệu suất hiệu quả của các thiết bị cacbua silic trong chuyển đổi năng lượng, công nghệ này giúp đạt được mục tiêu trung hòa lượng carbon toàn cầu từ cả hai phía sản xuất và ứng dụng.
Cuộc đua toàn cầu: Hiện trạng phát triển công nghệ nâng hạ bằng laser
Tấm silicon cacbua đang phát triển theo hướng kích thước lớn hơn và công nghệ cắt nâng bằng laser đã được quảng bá rộng rãi. Bước sóng laser, năng lượng xung, độ sâu lấy nét và khoảng cách quét là các thông số cốt lõi quyết định tính liên tục và tính đồng nhất của lớp biến đổi . 532 nm và laser cực nhanh 1064 nm có khả năng thâm nhập tuyệt vời vào cacbua silic và điểm lấy nét nhỏ hơn. Độ dày lớp được sửa đổi có thể được kiểm soát chính xác ở mức 10–30 μm và các vết nứt được sửa đổi lan truyền theo hướng có hướng mà không khuếch tán vào vùng chức năng của thiết bị. Thông qua công nghệ điều khiển phân cực động và định hình chùm tia, hình thái của lớp sửa đổi có thể được tối ưu hóa, độ phẳng cắt có thể được cải thiện và hiện tượng cong vênh khi tách wafer có thể được ngăn chặn một cách hiệu quả. Nghiên cứu trong nước tập trung vào tính nhất quán của quá trình xử lý hàng loạt đối với các tấm bán dẫn kích thước lớn, cắt các tấm bán dẫn siêu mỏng với ứng suất thấp (50–100 μm) và tối ưu hóa công nghệ cắt khuôn khoảng cách hẹp. Đã đạt được khả năng cắt nâng bằng laser hoàn toàn tự động đối với các tấm silicon cacbua 8 inch. Trong điều kiện quy trình được tối ưu hóa, chiều rộng đường cắt có thể giảm xuống trong vòng 20 μm, năng suất khuôn vượt quá 98% và hiệu suất xử lý tấm bán dẫn đơn tăng hơn 30% so với quy trình truyền thống, giải quyết vấn đề mà việc sửa đổi đơn truyền thống không thể thích ứng với việc xử lý tấm bán dẫn dày. Nguồn: Shuoke Crystal.
Trong công nghệ nâng tinh thể, ngay từ năm 1985, các nhà khoa học Mỹ đã chứng minh rằng các lớp mỏng có thể được tách ra khỏi các tấm wafer Si và GaAs dưới tác động của ứng suất kéo dư trong lớp ứng suất. Tuy nhiên, các quá trình thử nghiệm tách tinh thể ban đầu rất khó kiểm soát vì khi ứng suất đạt đến ngưỡng được xác định bởi độ bền khi gãy tấm bán dẫn, các vết nứt sẽ tự phát sinh và lan truyền ngẫu nhiên, gây ra độ dày lớp nâng không đồng đều hoặc thậm chí bị phân mảnh.
IBM đã phát triển một công nghệ cất cánh có kiểm soát. Phương pháp này thiết kế một lớp lực kéo bổ sung để tác dụng ngoại lực nhằm kích hoạt vết nứt và định hướng sự lan truyền vết nứt, đồng thời thiết lập mô hình lý thuyết về mối tương quan giữa ứng suất tới hạn và độ dày lớp nứt vỡ, cung cấp hướng dẫn tối ưu hóa quy trình. Ngoài ra, các tinh thể đơn Si, GaN ở cấp độ wafer, cũng như pin mặt trời III-V, mạch tích hợp, đèn LED và các thiết bị bán dẫn khác, đều có thể sử dụng công nghệ này để đạt được độ phóng có kiểm soát.
Về mặt công nghệ hóa, công nghệ chia lạnh Siltectra của Đức và quy trình biến đổi laser Disco của Nhật Bản có thể kiểm soát sự thất thoát vật liệu cắt SiC trong phạm vi 60 μm và đã đạt được sản lượng hàng loạt tấm bán dẫn 8 inch; Các nhà sản xuất châu Âu và Mỹ độc quyền các nguồn sáng kích thích UV và từ lâu đã thống trị thị trường thiết bị nâng hạ giao diện cho tấm wafer epiticular Micro-LED.
Trong những năm gần đây, tiến bộ trong nước đã rất đáng kể. Các nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong và CETC đã khắc phục được công nghệ điều khiển hướng bẻ khóa và sửa đổi bên trong SiC. Các doanh nghiệp như Han's Laser và HGTECH đã đạt được mục tiêu nội địa hóa thiết bị nâng hạ bằng laser UV, đồng thời thiết bị trong nước đã được đưa vào kiểm định trong dây chuyền sản xuất thiết bị điện và đèn LED. Hiện tại, các chỉ số quá trình nâng hạ SiC 6 inch trong nước đã gần bằng mức quốc tế, nhưng độ đồng đều năng lượng của tấm wafer đầy đủ kích thước lớn 8 inch tương đối kém và vấn đề sai lệch vết nứt của cacbua silic loại N vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn. Laser UV công suất cao và mô-đun quang học có độ chính xác cao vẫn phải nhập khẩu.