Siliziumkarbid hat eine Mohs-Härte von 9,2–9,5 und liegt damit nur hinter Diamant. Es ist sehr spröde und weist eine geringe Bruchzähigkeit auf, bietet aber gleichzeitig eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit. Die Verarbeitung ist jedoch schwierig und kostspielig und erfordert mehrere Schritte wie Schneiden, Abheben, Ätzen und Polieren. Die Verarbeitungsqualität wirkt sich direkt auf den Leitungsverlust, die Spannungsfestigkeit und die Lebensdauer von Leistungsgeräten aus. Derzeit wird das Drahtschneiden aufgrund seiner geringen Kosten, der einfachen Gerätestruktur und der Eignung für die Massenproduktion häufig eingesetzt, und Diamantschneidwerkzeuge sind auch relativ leicht zu beschaffen. Allerdings verursacht das Drahtschneiden einen erheblichen Materialverlust und weist eine äußerst geringe Verarbeitungseffizienz auf.
Materialverlust durch Drahtschneiden
Beim Drahtschneiden führt die Hochgeschwindigkeitsbewegung des Schneiddrahtes nicht nur zu einem Schnittfugenverlust mit einer Schnittfugenbreite, die dem Drahtdurchmesser entspricht; Da die durch Drahtschneiden vorbereitete Waferoberfläche sehr rau ist, sind auch nachfolgende Schleif- und Poliervorgänge sowie andere Nachbearbeitungsprozesse erforderlich. Letztendlich kann der kumulative Materialverlust 30–50 % des gesamten Rohmaterials betragen. Der Mehrdraht-Sägeprozess erfordert außerdem Lösungen zur Kühlung der Schnittfuge und zur Reinigung von Rückständen, wodurch große Mengen an siliziumhaltiger Abfallflüssigkeit entstehen. Die darin enthaltenen Mikro-/Nanopartikel lassen sich nur schwer ausflocken und nur schwer recyceln, was erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hat.
Laser-Lift-Off: Durchführung einer „unsichtbaren Operation“ im Inneren des Kristalls
Das Laser-Lift-Off ist ein wichtiger Prozess für das SiC-Schneiden und gehört zur internen Modifikations- und Schichtteilungsverarbeitungstechnologie. Sein Kernprinzip ist die interne Laserfokussierungsmodifikation plus Trennung durch externe Kraftaufteilung.
Schematische Darstellung der SiC-Kristall-Laser-Lift-off-Technologie
Die erste Stufe ist die interne Modifikation. Mithilfe der ultrahohen Durchdringungs- und Fokussierungseigenschaften von Ultrakurzpulslasern wird der Laserfokus durch einen optischen Pfad präzise gesteuert und auf eine voreingestellte Tiefe im Siliziumkarbidwafer fokussiert. Nach der hochenergetischen Laserfokussierung innerhalb des Wafers erfährt das lokale Siliziumkarbidmaterial eine Gitterverzerrung, Phasenumwandlung und Mikrorissausbreitung, wodurch eine kontinuierliche, gleichmäßige modifizierte Schicht entsteht. Die mechanische Festigkeit der modifizierten Schicht ist deutlich geringer als die des Substratmaterials und es gibt keine Bearbeitungsspuren auf der Oberfläche, wodurch eine unsichtbare Modifikation realisiert wird. Die zweite Stufe ist die Spaltungstrennung. Durch mechanische Mikrospannung, Gasblasen oder äußere Zugkraft wird der Wafer entlang der inneren modifizierten Schicht präzise getrennt, wodurch das Schneiden und Trennen des gesamten Wafers verlustfrei erfolgt.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Drahtschneiden kann die berührungslose Laser-Lift-Off-Technologie Probleme wie den Verschleiß des Schneidwerkzeugs und den Ausfall von SiC-Wafern aufgrund mechanischer Belastung effektiv vermeiden und so ein qualitativ hochwertiges und hochpräzises Lift-Off erzielen. Die Laser-Lift-off-Technologie verbessert die Verarbeitungseffizienz und Qualität von Siliziumkarbid-Wafern erheblich und senkt die Herstellungskosten von Siliziumkarbid-Substraten. Es zeichnet sich durch eine hohe Produktionseffizienz und einen geringen Materialverlust aus. Das Laser-Lift-Off weist eine sehr geringe modifizierte Schichtdicke auf, was die Materialausnutzung bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Wafern deutlich verbessern kann. Durch die Erzielung eines hochqualitativen und hocheffizienten Lift-Offs auf Siliziumkarbid-Wafern wird erwartet, dass technische Engpässe und hohe Kostenbeschränkungen überwunden werden und Marktanwendungen gefördert werden, bei denen Siliziumkarbid-Geräte Siliziumsubstrate ersetzen. Auch die Umweltauswirkungen der Laser-Lift-Off-Technologie sind erheblich. Bei herkömmlichen Schneidverfahren sind die Probleme der Schneidflüssigkeits- und Staubverschmutzung relativ gravierend, während das Laser-Lift-Off als berührungsloses Verfahren die Industrieabfallemissionen reduzieren kann. In Kombination mit der effizienten Leistung von Siliziumkarbid-Geräten bei der Energieumwandlung unterstützt diese Technologie die globalen Ziele der CO2-Neutralität sowohl bei der Herstellung als auch bei der Anwendung.
Global Race: Aktueller Stand der Entwicklung der Laser-Lift-Off-Technologie
Siliziumkarbid-Wafer werden immer größer, und die Laser-Lift-Off-Schneidtechnologie wird weithin gefördert. Laserwellenlänge, Pulsenergie, Fokussierungstiefe und Scanabstand sind die Kernparameter, die die Kontinuität und Gleichmäßigkeit der modifizierten Schicht bestimmen. Ultraschnelle Laser mit . 532 nm und 1064 nm dringen hervorragend in Siliziumkarbid ein und der fokussierte Punkt ist kleiner. Die Dicke der modifizierten Schicht kann auf 10–30 μm genau gesteuert werden, und modifizierte Risse breiten sich gezielt aus, ohne in den Funktionsbereich des Geräts zu diffundieren. Durch dynamische Polarisationssteuerung und Strahlformungstechnologie kann die Morphologie der modifizierten Schicht optimiert, die Schnittflachheit verbessert und der Waferspaltungsverzug effektiv unterdrückt werden. Die inländische Forschung konzentriert sich auf die Konsistenz der Chargenverarbeitung für großformatige Wafer, das spannungsarme Schneiden von ultradünnen Wafern (50–100 μm) und die Optimierung der Stanztechnologie für enge Abstände. Es wurde ein vollautomatisches Laser-Lift-Off-Schneiden von 8-Zoll-Siliziumkarbid-Wafern erreicht. Unter optimierten Prozessbedingungen kann die Breite der Schnittstraße auf bis zu 20 μm reduziert werden, die Chip-Ausbeute übersteigt 98 % und die Effizienz der Einzelwafer-Verarbeitung wird im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um mehr als 30 % gesteigert, wodurch das Problem gelöst wird, dass herkömmliche Einzelmodifikationen sich nicht an die Verarbeitung dicker Wafer anpassen können. Quelle: Shuoke Crystal.
In der Kristall-Lift-Off-Technologie zeigten amerikanische Wissenschaftler bereits 1985, dass sich dünne Schichten von Si- und GaAs-Wafern unter der Wirkung der Eigenzugspannung in einer Spannungsschicht abheben lassen. Frühe experimentelle Kristall-Lift-off-Prozesse waren jedoch schwer zu kontrollieren, denn wenn die Spannung den durch die Bruchzähigkeit des Wafers bestimmten Schwellenwert erreichte, bildeten sich spontan Risse, die sich zufällig ausbreiteten, was zu einer ungleichmäßigen Dicke der Lift-off-Schicht oder sogar zur Fragmentierung führte.
IBM hat eine kontrollierte Lift-off-Technologie entwickelt. Diese Methode entwirft eine zusätzliche Traktionsschicht, um eine äußere Kraft auszuüben, um einen Bruch auszulösen und die Rissausbreitung richtungsweisend zu steuern. Außerdem wird ein theoretisches Modell für die Korrelation zwischen kritischer Spannung und der Dicke der Abplatzschicht erstellt, das als Leitfaden für die Prozessoptimierung dient. Darüber hinaus können Si- und GaN-Einkristalle auf Waferebene sowie III-V-Solarzellen, integrierte Schaltkreise, LEDs und andere Halbleiterbauelemente diese Technologie nutzen, um ein kontrolliertes Abheben zu erreichen.
Im Hinblick auf die Industrialisierungstechnologie können die deutsche Siltectra-Kaltspaltungstechnologie und der japanische Disco-Lasermodifikationsprozess den Materialverlust beim SiC-Schneiden auf bis zu 60 μm kontrollieren und haben eine Massenproduktion von 8-Zoll-Wafern erreicht; Europäische und amerikanische Hersteller monopolisieren UV-Excimer-Lichtquellen und dominieren seit langem den Markt für Interface-Lift-Off-Geräte für Mikro-LED-Epitaxiewafer.
In den letzten Jahren waren im Inland erhebliche Fortschritte zu verzeichnen. Forschungsteams der Huazhong University of Science and Technology und des CETC haben die interne Modifikation von SiC und die Technologie zur Rissrichtungskontrolle überwunden. Unternehmen wie Han's Laser und HGTECH haben die Lokalisierung von UV-Laser-Lift-Off-Geräten erreicht, und Haushaltsgeräte haben die Verifizierung in Produktionslinien für LED- und Leistungsgeräte durchlaufen. Derzeit liegen die inländischen 6-Zoll-SiC-Lift-Off-Prozessindikatoren nahe am internationalen Niveau, aber die Energiegleichmäßigkeit von 8-Zoll-Vollwafern mit großer Größe ist relativ schlecht, und das Problem der Rissabweichung von Siliziumkarbid vom N-Typ wurde noch nicht vollständig gelöst. Hochleistungs-UV-Laser und hochpräzise optische Module sind immer noch auf Importe angewiesen.