Estado actual y tendencias de la tecnología de procesamiento de obleas de SiC

Como material de sustrato semiconductor de tercera generación,carburo de silicio (SiC)El monocristal tiene amplias posibilidades de aplicación en la fabricación de dispositivos electrónicos de alta frecuencia y alta potencia. La tecnología de procesamiento del SiC desempeña un papel decisivo en la producción de materiales de sustrato de alta calidad. Este artículo presenta el estado actual de la investigación sobre tecnologías de procesamiento de SiC, tanto en China como en el extranjero, analizando y comparando los mecanismos de los procesos de corte, rectificado y pulido, así como las tendencias en la planitud y la rugosidad superficial de las obleas. También señala los desafíos existentes en el procesamiento de obleas de SiC y analiza las futuras líneas de desarrollo.

carburo de silicio (SiC)Las obleas son materiales fundamentales para los dispositivos semiconductores de tercera generación y tienen una gran importancia y potencial de mercado en campos como la microelectrónica, la electrónica de potencia y la iluminación de semiconductores. Debido a su altísima dureza y estabilidad química,monocristales de SiCLos métodos tradicionales de procesamiento de semiconductores no son totalmente adecuados para su mecanizado. Si bien numerosas empresas internacionales han realizado investigaciones exhaustivas sobre el procesamiento técnicamente exigente de monocristales de SiC, las tecnologías relevantes se mantienen estrictamente confidenciales.

En los últimos años, China ha intensificado sus esfuerzos en el desarrollo de materiales y dispositivos monocristalinos de SiC. Sin embargo, el avance de la tecnología de dispositivos de SiC en el país se ve limitado actualmente por las limitaciones en las tecnologías de procesamiento y la calidad de las obleas. Por lo tanto, es fundamental que China mejore sus capacidades de procesamiento de SiC para optimizar la calidad de los sustratos monocristalinos de SiC y lograr su aplicación práctica y producción en masa.

Los principales pasos del procesamiento incluyen: corte → pulido grueso → pulido fino → pulido grueso (pulido mecánico) → pulido fino (pulido químico-mecánico, CMP) → inspección.

Corte de monocristales de SiC

En el procesamiento demonocristales de SiCEl corte es el primer paso, y uno de los más críticos. La curvatura, la deformación y la variación del espesor total (TTV) de la oblea resultantes del proceso de corte determinan la calidad y la eficacia de las operaciones de esmerilado y pulido posteriores.

Las herramientas de corte se clasifican, según su forma, en sierras de diamante de diámetro interior (DI), sierras de diámetro exterior (DE), sierras de cinta y sierras de hilo. Las sierras de hilo, a su vez, se clasifican, según su tipo de movimiento, en sistemas de hilo alternativo y de bucle (sin fin). Según el mecanismo de corte del abrasivo, las técnicas de corte con sierra de hilo se dividen en dos tipos: corte con hilo abrasivo libre y corte con hilo de diamante abrasivo fijo.

1.1 Métodos de corte tradicionales

La profundidad de corte de las sierras de diámetro exterior (DE) está limitada por el diámetro de la hoja. Durante el proceso de corte, la hoja es propensa a vibraciones y desviaciones, lo que genera altos niveles de ruido y poca rigidez. Las sierras de diámetro interior (DI) utilizan abrasivos de diamante en la circunferencia interior de la hoja como filo de corte. Estas hojas pueden tener un espesor de hasta 0,2 mm. Durante el corte, la hoja de DI gira a alta velocidad mientras el material a cortar se mueve radialmente respecto al centro de la hoja, logrando el corte mediante este movimiento relativo.

Las sierras de cinta de diamante requieren paradas y retrocesos frecuentes, y su velocidad de corte es muy baja, no suele superar los 2 m/s. Además, sufren un desgaste mecánico considerable y altos costes de mantenimiento. Debido al ancho de la hoja de sierra, el radio de corte no puede ser demasiado pequeño, lo que impide el corte multicorte. Estas herramientas de aserrado tradicionales están limitadas por la rigidez de la base y no pueden realizar cortes curvos o tienen radios de giro limitados. Solo pueden realizar cortes rectos, producen ranuras anchas, tienen un bajo rendimiento y, por lo tanto, no son aptas para el corte.cristales de SiC.

1.2 Sierra de alambre abrasivo libre Corte multialambre

La técnica de corte con sierra de hilo abrasivo libre utiliza el rápido movimiento del hilo para transportar la pulpa a la ranura, lo que permite la eliminación de material. Emplea principalmente una estructura reciprocante y actualmente es un método consolidado y ampliamente utilizado para el corte eficiente de múltiples obleas de silicio monocristalino. Sin embargo, su aplicación en el corte de SiC se ha estudiado menos extensamente.

Las sierras de hilo abrasivo libre pueden procesar obleas con espesores inferiores a 300 μm. Ofrecen una baja pérdida de corte, rara vez causan astillamiento y resultan en una calidad superficial relativamente buena. Sin embargo, debido al mecanismo de eliminación de material —basado en la laminación y la indentación de los abrasivos—, la superficie de la oblea tiende a desarrollar una tensión residual significativa, microfisuras y capas de daño más profundas. Esto provoca la deformación de la oblea, dificulta el control de la precisión del perfil superficial y aumenta la carga en los pasos de procesamiento posteriores.

El rendimiento de corte se ve muy afectado por la pulpa; es necesario mantener el filo de los abrasivos y su concentración. El tratamiento y el reciclaje de la pulpa son costosos. Al cortar lingotes de gran tamaño, los abrasivos tienen dificultad para penetrar en cortes profundos y largos. Con el mismo tamaño de grano abrasivo, la pérdida de corte es mayor que con las sierras de hilo con abrasivo fijo.

1.3 Sierra de hilo diamantado abrasivo fijo para corte multihilo

Las sierras de hilo diamantado con abrasivo fijo se fabrican generalmente incrustando partículas de diamante sobre un sustrato de alambre de acero mediante galvanoplastia, sinterización o unión con resina. Las sierras de hilo diamantado con galvanoplastia ofrecen ventajas como cortes más estrechos, mejor calidad de corte, mayor eficiencia, menor contaminación y la capacidad de cortar materiales de alta dureza.

La sierra reciprocante de hilo de diamante electrodepositado es actualmente el método más utilizado para cortar SiC. La Figura 1 (no se muestra aquí) ilustra la planitud de la superficie de las obleas de SiC cortadas con esta técnica. A medida que avanza el corte, aumenta la deformación de la oblea. Esto se debe a que el área de contacto entre el hilo y el material aumenta a medida que este desciende, lo que incrementa la resistencia y la vibración del hilo. Cuando el hilo alcanza el diámetro máximo de la oblea, la vibración alcanza su punto máximo, lo que provoca la máxima deformación.

En las últimas etapas del corte, debido a la aceleración, el movimiento a velocidad constante, la desaceleración, la detención y la inversión del hilo, junto con las dificultades para eliminar los residuos con el refrigerante, la calidad de la superficie de la oblea se deteriora. La inversión del hilo y las fluctuaciones de velocidad, así como las grandes partículas de diamante en el hilo, son las principales causas de los arañazos superficiales.

1.4 Tecnología de separación en frío

La separación en frío de monocristales de SiC es un proceso innovador en el campo del procesamiento de materiales semiconductores de tercera generación. En los últimos años, ha atraído gran atención debido a sus notables ventajas en la mejora del rendimiento y la reducción de la pérdida de material. Esta tecnología puede analizarse desde tres puntos de vista: principio de funcionamiento, flujo del proceso y ventajas principales.

Determinación de la orientación del cristal y rectificado del diámetro exterior: Antes del procesamiento, se debe determinar la orientación del cristal del lingote de SiC. A continuación, se le da forma cilíndrica (comúnmente llamada disco de SiC) mediante el rectificado del diámetro exterior. Este paso sienta las bases para el posterior corte direccional y corte en láminas.

Corte multihilo: Este método utiliza partículas abrasivas combinadas con hilos de corte para cortar el lingote cilíndrico. Sin embargo, presenta una pérdida significativa de corte y problemas de irregularidades en la superficie.

Tecnología de corte por láser: Se utiliza un láser para formar una capa modificada dentro del cristal, de la cual se pueden desprender láminas finas. Este método reduce la pérdida de material y mejora la eficiencia del procesamiento, lo que lo convierte en una nueva y prometedora opción para el corte de obleas de SiC.

Optimización del proceso de corte

Corte multialambre abrasivo fijo: Esta es actualmente la tecnología más utilizada, muy adecuada para las características de alta dureza del SiC.

Tecnología de separación en frío y mecanizado por descarga eléctrica (EDM): estos métodos proporcionan soluciones diversificadas adaptadas a requisitos específicos.

Proceso de pulido: Es fundamental equilibrar la tasa de eliminación de material y el daño superficial. El pulido químico-mecánico (CMP) se emplea para mejorar la uniformidad de la superficie.

Monitoreo en tiempo real: Se introducen tecnologías de inspección en línea para monitorear la rugosidad de la superficie en tiempo real.

Corte láser: esta técnica reduce la pérdida de corte y acorta los ciclos de procesamiento, aunque la zona afectada térmicamente sigue siendo un desafío.

Tecnologías de procesamiento híbrido: la combinación de métodos mecánicos y químicos mejora la eficiencia del procesamiento.

Esta tecnología ya ha alcanzado aplicaciones industriales. Infineon, por ejemplo, adquirió SILTECTRA y ahora posee patentes clave que respaldan la producción en masa de obleas de 8 pulgadas. En China, empresas como Delong Laser han logrado una eficiencia de producción de 30 obleas por lingote para el procesamiento de obleas de 6 pulgadas, lo que representa una mejora del 40 % con respecto a los métodos tradicionales.

A medida que se acelera la fabricación de equipos domésticos, se espera que esta tecnología se convierta en la solución principal para el procesamiento de sustratos de SiC. Con el aumento del diámetro de los materiales semiconductores, los métodos de corte tradicionales han quedado obsoletos. Entre las opciones actuales, la tecnología de sierra de hilo de diamante alternativo presenta las perspectivas de aplicación más prometedoras. El corte por láser, como técnica emergente, ofrece ventajas significativas y se prevé que se convierta en el principal método de corte en el futuro.

2、Molienda de monocristales de SiC

Como representante de los semiconductores de tercera generación, el carburo de silicio (SiC) ofrece ventajas significativas gracias a su amplia banda prohibida, su elevado campo eléctrico de ruptura, su alta velocidad de deriva de electrones de saturación y su excelente conductividad térmica. Estas propiedades hacen que el SiC sea especialmente ventajoso en aplicaciones de alta tensión (p. ej., entornos de 1200 V). La tecnología de procesamiento de los sustratos de SiC es fundamental en la fabricación de dispositivos. La calidad superficial y la precisión del sustrato influyen directamente en la calidad de la capa epitaxial y el rendimiento del dispositivo final.

El objetivo principal del proceso de rectificado es eliminar las marcas de sierra superficiales y las capas de daño causadas durante el corte, así como corregir la deformación inducida por el proceso de corte. Dada la altísima dureza del SiC, el rectificado requiere el uso de abrasivos duros como el carburo de boro o el diamante. El rectificado convencional se divide generalmente en rectificado grueso y rectificado fino.

2.1 Molienda gruesa y fina

El pulido se puede clasificar según el tamaño de las partículas abrasivas:

Rectificado grueso: utiliza abrasivos más grandes principalmente para eliminar marcas de sierra y capas de daño causadas durante el corte, lo que mejora la eficiencia del procesamiento.

Esmerilado fino: utiliza abrasivos más finos para eliminar la capa dañada que deja el esmerilado grueso, reducir la rugosidad de la superficie y mejorar la calidad de la superficie.

Muchos fabricantes nacionales de sustratos de SiC utilizan procesos de producción a gran escala. Un método común consiste en el rectificado de doble cara con una placa de hierro fundido y una suspensión de diamante monocristalino. Este proceso elimina eficazmente la capa dañada por el corte con hilo, corrige la forma de la oblea y reduce la variación total del espesor (TTV), la curvatura y la deformación. La velocidad de eliminación de material es estable y suele alcanzar entre 0,8 y 1,2 μm/min. Sin embargo, la superficie de la oblea resultante es mate con una rugosidad relativamente alta (normalmente de unos 50 nm), lo que exige mayores exigencias en los pasos de pulido posteriores.

2.2 Rectificado de un solo lado

El rectificado unilateral procesa solo una cara de la oblea a la vez. Durante este proceso, la oblea se monta con cera sobre una placa de acero. Bajo presión, el sustrato sufre una ligera deformación y la superficie superior se aplana. Tras el rectificado, la superficie inferior se nivela. Al retirar la presión, la superficie superior tiende a recuperar su forma original, lo que también afecta a la superficie inferior, ya rectificada, provocando deformaciones y pérdida de planitud en ambas caras.

Además, la placa de molienda puede volverse cóncava en poco tiempo, provocando que la oblea se vuelva convexa. Para mantener la planitud de la placa, se requiere un rectificado frecuente. Debido a la baja eficiencia y la baja planitud de la oblea, el rectificado unilateral no es adecuado para la producción en masa.

Normalmente, se utilizan muelas de pulido n.° 8000 para el pulido fino. En Japón, este proceso está relativamente consolidado e incluso se utilizan muelas de pulido n.° 30000. Esto permite que la rugosidad superficial de las obleas procesadas sea inferior a 2 nm, preparándolas para el pulido químico-mecánico (CMP) final sin necesidad de procesamiento adicional.

2.3 Tecnología de adelgazamiento de un solo lado

La tecnología de adelgazamiento unilateral con diamante es un novedoso método de rectificado unilateral. Como se ilustra en la Figura 5 (no se muestra aquí), el proceso utiliza una placa de rectificado diamantada. La oblea se fija mediante adsorción al vacío, mientras que tanto la oblea como la muela de diamante giran simultáneamente. La muela se mueve gradualmente hacia abajo para adelgazar la oblea hasta alcanzar el espesor deseado. Una vez completado un lado, se voltea la oblea para procesar el otro.

Después del adelgazamiento, una oblea de 100 mm puede lograr:

Arco < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugosidad superficial < 1 nm

Este método de procesamiento de una sola oblea ofrece alta estabilidad, excelente consistencia y una alta tasa de eliminación de material. En comparación con el rectificado convencional de doble cara, esta técnica mejora la eficiencia del rectificado en más de un 50 %.

2.4 Rectificado de doble cara

El pulido de doble cara utiliza una placa de pulido superior y otra inferior para pulir simultáneamente ambos lados del sustrato, lo que garantiza una excelente calidad de superficie en ambos lados.

Durante el proceso, las placas de rectificado aplican presión primero en los puntos más altos de la pieza, lo que provoca deformación y una eliminación gradual de material en dichos puntos. A medida que se nivelan los puntos más altos, la presión sobre el sustrato se vuelve gradualmente más uniforme, lo que resulta en una deformación uniforme en toda la superficie. Esto permite rectificar uniformemente tanto la superficie superior como la inferior. Una vez finalizado el rectificado y liberada la presión, cada parte del sustrato se recupera uniformemente gracias a la misma presión. Esto minimiza la deformación y proporciona una buena planitud.

La rugosidad superficial de la oblea tras el rectificado depende del tamaño de las partículas abrasivas: las partículas más pequeñas producen superficies más lisas. Al utilizar abrasivos de 5 μm para el rectificado de doble cara, la planitud y la variación del espesor de la oblea se pueden controlar con una precisión de 5 μm. Las mediciones de microscopía de fuerza atómica (AFM) muestran una rugosidad superficial (Rq) de aproximadamente 100 nm, con picaduras de rectificado de hasta 380 nm de profundidad y marcas lineales visibles causadas por la acción abrasiva.

Un método más avanzado consiste en el pulido de doble cara con almohadillas de espuma de poliuretano combinadas con una suspensión de diamante policristalino. Este proceso produce obleas con una rugosidad superficial muy baja, alcanzando un Ra < 3 nm, lo cual resulta muy beneficioso para el pulido posterior de sustratos de SiC.

Sin embargo, el rayado superficial sigue siendo un problema sin resolver. Además, el diamante policristalino utilizado en este proceso se produce mediante síntesis explosiva, lo cual presenta un desafío técnico, produce cantidades limitadas y es extremadamente costoso.

Pulido de monocristales de SiC

Para lograr una superficie pulida de alta calidad en obleas de carburo de silicio (SiC), el pulido debe eliminar por completo las picaduras y las ondulaciones superficiales a escala nanométrica. El objetivo es producir una superficie lisa y sin defectos, sin contaminación ni degradación, sin daños subsuperficiales ni tensiones superficiales residuales.

3.1 Pulido mecánico y CMP de obleas de SiC

Tras el crecimiento de un lingote monocristalino de SiC, los defectos superficiales impiden su uso directo para el crecimiento epitaxial. Por lo tanto, se requiere un procesamiento posterior. El lingote se moldea primero en una forma cilíndrica estándar mediante redondeo, luego se corta en obleas mediante corte por hilo y, a continuación, se verifica la orientación cristalográfica. El pulido es un paso fundamental para mejorar la calidad de la oblea, ya que aborda los posibles daños superficiales causados ​​por defectos en el crecimiento cristalino y procesos previos.

Hay cuatro métodos principales para eliminar las capas de daño superficial en SiC:

Pulido mecánico: Simple pero deja rayones, adecuado para pulido inicial.

Pulido químico mecánico (CMP): elimina rayones mediante grabado químico; adecuado para pulido de precisión.

Grabado con hidrógeno: Requiere equipo complejo, comúnmente utilizado en procesos HTCVD.

Pulido asistido por plasma: complejo y poco utilizado.

El pulido exclusivamente mecánico suele causar rayones, mientras que el pulido exclusivamente químico puede provocar un grabado irregular. El CMP combina ambas ventajas y ofrece una solución eficiente y rentable.

Principio de funcionamiento del CMP

El CMP funciona girando la oblea bajo una presión determinada contra una almohadilla de pulido giratoria. Este movimiento relativo, combinado con la abrasión mecánica de los abrasivos nanométricos presentes en la suspensión y la acción química de los agentes reactivos, logra la planarización de la superficie.

Materiales clave utilizados:

Lechada de pulido: Contiene abrasivos y reactivos químicos.

Almohadilla de pulido: Se desgasta con el uso, lo que reduce el tamaño de los poros y la eficiencia de la distribución de la lechada. Se requiere un afilado regular, generalmente con un afilador de diamante, para restaurar la rugosidad.

Proceso típico de CMP

Abrasivo: lodo de diamante de 0,5 μm

Rugosidad de la superficie del objetivo: ~0,7 nm

Pulido químico mecánico:

Equipo de pulido: Pulidora de una sola cara AP-810

Presión: 200 g/cm²

Velocidad de la placa: 50 rpm

Velocidad del soporte cerámico: 38 rpm

Composición de la suspensión:

SiO₂ (30 % en peso, pH = 10,15)

0–70 % en peso de H₂O₂ (30 % en peso, grado reactivo)

Ajuste el pH a 8,5 usando 5 % en peso de KOH y 1 % en peso de HNO₃

Caudal de lodo: 3 L/min, recirculado

Este proceso mejora eficazmente la calidad de las obleas de SiC y cumple con los requisitos de los procesos posteriores.

Desafíos técnicos en el pulido mecánico

El SiC, como semiconductor de banda prohibida amplia, desempeña un papel fundamental en la industria electrónica. Gracias a sus excelentes propiedades físicas y químicas, los monocristales de SiC son aptos para entornos extremos, como alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y resistencia a la radiación. Sin embargo, su dureza y fragilidad presentan importantes dificultades para el esmerilado y pulido.

A medida que los principales fabricantes mundiales cambian de obleas de 6 a 8 pulgadas, problemas como el agrietamiento y el daño de las obleas durante el procesamiento se han vuelto más comunes, lo que afecta significativamente el rendimiento. Abordar los desafíos técnicos de los sustratos de SiC de 8 pulgadas es ahora un punto de referencia clave para el avance de la industria.

En la era de las 8 pulgadas, el procesamiento de obleas de SiC enfrenta numerosos desafíos:

El escalado de obleas es necesario para aumentar la producción de chips por lote, reducir la pérdida de borde y disminuir los costos de producción, especialmente dada la creciente demanda en aplicaciones de vehículos eléctricos.

Si bien el crecimiento de los monocristales de SiC de 8 pulgadas ha madurado, los procesos posteriores, como el esmerilado y el pulido, aún enfrentan cuellos de botella, lo que genera rendimientos bajos (solo 40-50%).

Las obleas más grandes experimentan distribuciones de presión más complejas, lo que aumenta la dificultad de gestionar la tensión de pulido y la consistencia del rendimiento.

Aunque el espesor de las obleas de 8 pulgadas se acerca al de las de 6 pulgadas, son más propensas a dañarse durante la manipulación debido a la tensión y la deformación.

Para reducir la tensión, la deformación y el agrietamiento relacionados con el corte, el corte por láser se utiliza cada vez más. Sin embargo:

Los láseres de longitud de onda larga causan daños térmicos.

Los láseres de longitud de onda corta generan residuos pesados ​​y profundizan la capa dañada, aumentando la complejidad del pulido.

Flujo de trabajo de pulido mecánico para SiC

El flujo general del proceso incluye:

Corte de orientación

Molienda gruesa

Molienda fina

Pulido mecánico

Pulido químico mecánico (CMP) como paso final

La elección del método CMP, el diseño de la ruta de proceso y la optimización de los parámetros son cruciales. En la fabricación de semiconductores, el CMP es el paso decisivo para producir obleas de SiC con superficies ultralisas, sin defectos ni daños, esenciales para un crecimiento epitaxial de alta calidad.

(a) Retire el lingote de SiC del crisol;

(b) Realizar la conformación inicial mediante rectificado del diámetro exterior;

(c) Determinar la orientación del cristal utilizando planos o muescas de alineación;

(d) Corte el lingote en láminas finas utilizando una sierra de varios alambres;

(e) Lograr una suavidad superficial similar a la de un espejo mediante pasos de esmerilado y pulido.

Tras completar la serie de pasos de procesamiento, el borde exterior de la oblea de SiC suele afilarse, lo que aumenta el riesgo de astillamiento durante su manipulación o uso. Para evitar esta fragilidad, es necesario rectificar los bordes.

Además de los procesos de corte tradicionales, un método innovador para preparar obleas de SiC implica la tecnología de unión. Este enfoque permite la fabricación de obleas mediante la unión de una fina capa monocristalina de SiC a un sustrato heterogéneo (sustrato de soporte).

La figura 3 ilustra el flujo del proceso:

En primer lugar, se forma una capa de delaminación a una profundidad específica en la superficie del monocristal de SiC mediante implantación de iones de hidrógeno o técnicas similares. El monocristal de SiC procesado se une a un sustrato de soporte plano y se somete a presión y calor. Esto permite la transferencia y separación correcta de la capa de monocristal de SiC sobre el sustrato de soporte.

La capa de SiC separada se somete a un tratamiento superficial para lograr la planitud requerida y puede reutilizarse en procesos de unión posteriores. En comparación con el corte tradicional de cristales de SiC, esta técnica reduce la demanda de materiales costosos. Si bien persisten los desafíos técnicos, la investigación y el desarrollo avanzan activamente para permitir una producción de obleas más económica.

Dada la alta dureza y estabilidad química del SiC, que lo hace resistente a reacciones a temperatura ambiente, se requiere pulido mecánico para eliminar picaduras finas, reducir daños en la superficie, eliminar rayones, picaduras y defectos de cáscara de naranja, disminuir la rugosidad de la superficie, mejorar la planitud y mejorar la calidad de la superficie.

Para lograr una superficie pulida de alta calidad, es necesario:

Ajustar los tipos de abrasivos,

Reducir el tamaño de las partículas,

Optimizar los parámetros del proceso,

Seleccione materiales de pulido y almohadillas con la dureza adecuada.

La figura 7 muestra que el pulido de doble cara con abrasivos de 1 μm puede controlar la variación de planitud y espesor dentro de 10 μm y reducir la rugosidad de la superficie a aproximadamente 0,25 nm.

3.2 Pulido químico-mecánico (CMP)

El pulido químico-mecánico (CMP) combina la abrasión de partículas ultrafinas con el grabado químico para formar una superficie lisa y plana en el material procesado. El principio básico es:

Se produce una reacción química entre la suspensión de pulido y la superficie de la oblea, formándose una capa blanda.

La fricción entre las partículas abrasivas y la capa blanda elimina el material.

Ventajas del CMP:

Supera los inconvenientes del pulido puramente mecánico o químico,

Logra una planarización tanto global como local,

Produce superficies con alta planitud y baja rugosidad,

No deja daños en la superficie ni en el subsuelo.

En detalle:

La oblea se mueve con respecto a la almohadilla de pulido bajo presión.

Los abrasivos a escala nanométrica (por ejemplo, SiO₂) en la suspensión participan en el cizallamiento, debilitando los enlaces covalentes Si-C y mejorando la eliminación de material.

Tipos de técnicas de CMP:

Pulido abrasivo libre: Los abrasivos (p. ej., SiO₂) se suspenden en la suspensión. La eliminación del material se realiza mediante abrasión de tres cuerpos (oblea-almohadilla-abrasivo). El tamaño del abrasivo (normalmente 60-200 nm), el pH y la temperatura deben controlarse con precisión para mejorar la uniformidad.

Pulido abrasivo fijo: los abrasivos están incrustados en la almohadilla de pulido para evitar la aglomeración, ideal para un procesamiento de alta precisión.

Limpieza post-pulido:

Las obleas pulidas se someten a:

Limpieza química (incluida la eliminación de residuos de lodo y agua desionizada),

Enjuague con agua desionizada y

Secado con nitrógeno caliente

para minimizar los contaminantes de la superficie.

Calidad y rendimiento de la superficie

La rugosidad de la superficie se puede reducir a Ra < 0,3 nm, cumpliendo con los requisitos de epitaxia de semiconductores.

Planarización global: La combinación de ablandamiento químico y eliminación mecánica reduce rayones y grabados desiguales, superando los métodos mecánicos o químicos puros.

Alta eficiencia: adecuado para materiales duros y quebradizos como SiC, con tasas de eliminación de material superiores a 200 nm/h.

Otras técnicas de pulido emergentes

Además del CMP, se han propuesto métodos alternativos, entre ellos:

Pulido electroquímico, pulido o grabado asistido por catalizador y

Pulido triboquímico.

Sin embargo, estos métodos aún se encuentran en la etapa de investigación y se han desarrollado lentamente debido a las desafiantes propiedades del material SiC.

En última instancia, el procesamiento de SiC es un proceso gradual de reducción de la deformación y la rugosidad para mejorar la calidad de la superficie, donde el control de la planitud y la rugosidad son fundamentales en cada etapa.

Tecnología de procesamiento

Durante la etapa de molienda de la oblea, se utiliza una suspensión de diamante con diferentes tamaños de partícula para moler la oblea hasta obtener la planitud y rugosidad superficial requeridas. A continuación, se realiza el pulido, utilizando técnicas de pulido mecánico y químico-mecánico (CMP) para producir obleas de carburo de silicio (SiC) pulidas y sin daños.

Tras el pulido, las obleas de SiC se someten a una rigurosa inspección de calidad con instrumentos como microscopios ópticos y difractómetros de rayos X para garantizar que todos los parámetros técnicos cumplan con los estándares requeridos. Finalmente, las obleas pulidas se limpian con agentes de limpieza especializados y agua ultrapura para eliminar los contaminantes superficiales. A continuación, se secan con nitrógeno gaseoso de ultraalta pureza y centrifugadoras, completando así el proceso de producción.

Tras años de esfuerzo, se han logrado avances significativos en el procesamiento de monocristales de SiC en China. A nivel nacional, se han desarrollado con éxito monocristales de 4H-SiC semiaislantes dopados de 100 µm, y ahora es posible producir monocristales de 4H-SiC y 6H-SiC de tipo n en lotes. Empresas como TankeBlue y TYST ya han desarrollado monocristales de SiC de 150 µm.

En cuanto a la tecnología de procesamiento de obleas de SiC, las instituciones nacionales han explorado preliminarmente las condiciones y rutas de proceso para el corte, la molienda y el pulido de cristales. Son capaces de producir muestras que cumplen básicamente con los requisitos para la fabricación de dispositivos. Sin embargo, en comparación con los estándares internacionales, la calidad del procesamiento superficial de las obleas nacionales aún presenta un retraso considerable. Existen varios problemas:

Las teorías y tecnologías de procesamiento internacionales de SiC están estrechamente protegidas y no son fácilmente accesibles.

Existe una falta de investigación teórica y de apoyo para la mejora y optimización de procesos.

El costo de importar equipos y componentes extranjeros es elevado.

La investigación nacional sobre diseño de equipos, precisión de procesamiento y materiales aún muestra brechas significativas en comparación con los niveles internacionales.

Actualmente, la mayoría de los instrumentos de alta precisión que se utilizan en China son importados. Los equipos y las metodologías de prueba también requieren mejoras.

Con el continuo desarrollo de los semiconductores de tercera generación, el diámetro de los sustratos monocristalinos de SiC aumenta constantemente, junto con los requisitos más exigentes para la calidad del procesamiento de superficies. La tecnología de procesamiento de obleas se ha convertido en uno de los pasos técnicamente más desafiantes después del crecimiento de monocristales de SiC.

Para abordar los desafíos actuales en el procesamiento, es fundamental profundizar en el estudio de los mecanismos de corte, rectificado y pulido, así como explorar métodos y rutas de proceso adecuados para la fabricación de obleas de SiC. Al mismo tiempo, es necesario aprender de las tecnologías de procesamiento internacionales más avanzadas y adoptar técnicas y equipos de mecanizado de ultraprecisión de vanguardia para producir sustratos de alta calidad.

A medida que aumenta el tamaño de la oblea, también aumenta la dificultad del crecimiento y procesamiento de los cristales. Sin embargo, la eficiencia de fabricación de los dispositivos posteriores mejora significativamente y el coste unitario se reduce. Actualmente, los principales proveedores de obleas de SiC a nivel mundial ofrecen productos con diámetros que van desde 4 pulgadas hasta 6 pulgadas. Empresas líderes como Cree e II-VI ya han comenzado a planificar el desarrollo de líneas de producción de obleas de SiC de 8 pulgadas.