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 carburo de silicio (SiC) monocristalino presenta amplias perspectivas de aplicación en la fabricación de dispositivos electrónicos de alta frecuencia y alta potencia. La tecnología de procesamiento del SiC es crucial para 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. Asimismo, señala los retos 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 importancia y un potencial de mercado significativos en campos como la microelectrónica, la electrónica de potencia y la iluminación semiconductora. Debido a la dureza y estabilidad química extremadamente altas demonocristales de SiCLos métodos tradicionales de procesamiento de semiconductores no son del todo adecuados para su mecanizado. Si bien muchas empresas internacionales han llevado a cabo una extensa investigación sobre el procesamiento técnicamente complejo de monocristales de SiC, las tecnologías pertinentes se mantienen en estricta confidencialidad.

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 actualmente limitado por las deficiencias 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 pasos principales del proceso incluyen: corte → desbaste → desbaste 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 vital importancia. La curvatura, la deformación y la variación total del espesor (TTV) de la oblea, resultantes del proceso de corte, determinan la calidad y la eficacia de las operaciones posteriores de rectificado y pulido.

Las herramientas de corte se pueden clasificar por su forma en sierras de diamante de diámetro interior (DI), sierras de diamante de diámetro exterior (DE), sierras de cinta y sierras de hilo. Estas últimas, a su vez, se clasifican según su tipo de movimiento en sistemas de hilo alternativo y de hilo continuo (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 de 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 interna de la hoja como filo. Estas hojas pueden tener un grosor de tan solo 0,2 mm. Durante el corte, la hoja DI gira a alta velocidad mientras que el material a cortar se mueve radialmente con respecto al centro de la hoja, logrando el corte mediante este movimiento relativo.

Las sierras de cinta de diamante requieren paradas y cambios de dirección frecuentes, y su velocidad de corte es muy baja, generalmente no superior a 2 m/s. Además, sufren un desgaste mecánico significativo y tienen altos costos de mantenimiento. Debido al ancho de la hoja, el radio de corte no puede ser demasiado pequeño y no es posible realizar cortes en varias capas. Estas herramientas de corte tradicionales están limitadas por la rigidez de la base y no pueden realizar cortes curvos ni tienen radios de giro restringidos. Solo son capaces de realizar cortes rectos, producen ranuras anchas, tienen un bajo rendimiento y, por lo tanto, no son adecuadas para cortar.cristales de SiC.

1.2 Sierra de hilo abrasivo gratuita para corte con múltiples hilos

La técnica de corte con sierra de hilo abrasivo libre utiliza el rápido movimiento del hilo para transportar la suspensión abrasiva al corte, lo que permite la eliminación de material. Emplea principalmente una estructura de movimiento alternativo 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 con menor profundidad.

Las sierras de hilo abrasivo libre pueden procesar obleas con espesores inferiores a 300 μm. Ofrecen una baja pérdida de material, rara vez provocan astillamiento y dan como resultado una calidad superficial relativamente buena. Sin embargo, debido al mecanismo de remoción de material —basado en el rodamiento y la indentación de los abrasivos— la superficie de la oblea tiende a desarrollar tensiones residuales significativas, microfisuras y capas de daño más profundas. Esto conlleva a la deformación de la oblea, dificulta el control de la precisión del perfil superficial y aumenta la carga en las etapas de procesamiento posteriores.

El rendimiento del corte se ve fuertemente influenciado por la suspensión abrasiva; es necesario mantener el filo de los abrasivos y la concentración de la suspensión. El tratamiento y el reciclaje de la suspensión resultan 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 material en el corte es mayor que en las sierras de hilo abrasivo fijo.

1.3 Sierra de hilo de diamante abrasivo fijo para corte multihilo

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

Actualmente, la sierra de hilo diamantado electrodepositado de movimiento alternativo es el método más utilizado para cortar SiC. La figura 1 (no se muestra aquí) ilustra la planitud superficial de las obleas de SiC cortadas con esta técnica. A medida que avanza el corte, la deformación de la oblea aumenta. Esto se debe a que el área de contacto entre el hilo y el material aumenta conforme el hilo desciende, incrementando la resistencia y la vibración del hilo. Cuando el hilo alcanza el diámetro máximo de la oblea, la vibración es máxima, lo que resulta en la máxima deformación.

En las últimas etapas del corte, debido a la aceleración, el movimiento a velocidad constante, la desaceleración, la parada y la inversión de sentido del hilo, junto con las dificultades para eliminar los residuos con el refrigerante, la calidad superficial de la oblea se deteriora. La inversión de sentido y las fluctuaciones de velocidad del hilo, así como las grandes partículas de diamante presentes en él, 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 considerable atención debido a sus notables ventajas en la mejora del rendimiento y la reducción de la pérdida de material. La tecnología se puede analizar desde tres perspectivas: principio de funcionamiento, flujo del proceso y ventajas principales.

Determinación de la orientación cristalina y rectificado del diámetro exterior: Antes del procesamiento, se debe determinar la orientación cristalina 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 el laminado.

Corte con múltiples hilos: Este método utiliza partículas abrasivas combinadas con hilos de corte para seccionar el lingote cilíndrico. Sin embargo, presenta importantes problemas de pérdida de material y de irregularidad 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 separar láminas delgadas. Este método reduce la pérdida de material y mejora la eficiencia del procesamiento, lo que lo convierte en una nueva y prometedora vía para el corte de obleas de SiC.

Optimización del proceso de corte

Corte con múltiples hilos abrasivos fijos: Esta es actualmente la tecnología predominante, muy adecuada para las características de alta dureza del SiC.

Mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y tecnología de separación en frío: 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.

Monitorización en tiempo real: Se introducen tecnologías de inspección online para monitorizar la rugosidad superficial en tiempo real.

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

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

Esta tecnología ya se aplica a nivel industrial. Infineon, por ejemplo, adquirió SILTECTRA y ahora posee patentes clave que permiten la producción en masa de obleas de 8 pulgadas. En China, empresas como Delong Laser han alcanzado 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 nacionales, 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 corte con hilo de diamante reciprocante 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 método de corte principal en el futuro.

2、Molienda de monocristal de SiC

Como representante de los semiconductores de tercera generación, el carburo de silicio (SiC) ofrece ventajas significativas gracias a su amplio ancho de banda prohibida, su elevado campo eléctrico de ruptura, su alta velocidad de deriva electrónica de saturación y su excelente conductividad térmica. Estas propiedades hacen que el SiC sea particularmente ventajoso en aplicaciones de alto voltaje (por ejemplo, en entornos de 1200 V). La tecnología de procesamiento de los sustratos de SiC es fundamental para la fabricación de dispositivos. La calidad y precisión de la superficie del sustrato influyen directamente en la calidad de la capa epitaxial y en el rendimiento del dispositivo final.

El objetivo principal del proceso de rectificado es eliminar las marcas de sierra superficiales y las capas dañadas producidas durante el corte, así como corregir la deformación inducida por este. Dada la extrema 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 de mayor tamaño principalmente para eliminar las marcas de sierra y las capas dañadas causadas durante el corte, mejorando así la eficiencia del procesamiento.

Rectificado fino: Utiliza abrasivos más finos para eliminar la capa dañada que deja el rectificado grueso, reducir la rugosidad superficial 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 a 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 tasa de eliminación de material es estable, alcanzando típicamente entre 0,8 y 1,2 μm/min. Sin embargo, la superficie resultante de la oblea es mate, con una rugosidad relativamente alta —normalmente en torno a 50 nm—, lo que exige mayores prestaciones en las etapas de pulido posteriores.

2.2 Rectificado unilateral

El proceso de rectificado unilateral trata solo una cara de la oblea a la vez. Durante este proceso, la oblea se fija con cera a 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 cesar la presión, la superficie superior tiende a recuperar su forma original, lo que también afecta a la superficie inferior ya rectificada, provocando que ambas caras se deformen y pierdan planitud.

Además, la placa de rectificado puede volverse cóncava rápidamente, provocando que la oblea se vuelva convexa. Para mantener la planitud de la placa, se requiere un rectificado frecuente. Debido a su baja eficiencia y a la deficiente planitud de la oblea, el rectificado por una sola cara no es adecuado para la producción en masa.

Normalmente, se utilizan muelas abrasivas de grano 8000 para el desbaste. En Japón, este proceso está bastante consolidado e incluso se emplean muelas de pulido de grano 30000. Esto permite que la rugosidad superficial de las obleas procesadas sea inferior a 2 nm, preparándolas así para el pulido químico-mecánico final sin necesidad de procesamiento adicional.

2.3 Tecnología de adelgazamiento unilateral

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

Tras el adelgazamiento, una oblea de 100 mm puede alcanzar:

Arco < 5 μm

TTV < 2 μm

Rugosidad superficial < 1 nm

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

2.4 Rectificado de doble cara

El rectificado a doble cara utiliza una placa de rectificado superior y otra inferior para rectificar simultáneamente ambas caras del sustrato, garantizando una excelente calidad superficial en ambas caras.

Durante el proceso, las placas de rectificado aplican presión inicialmente en los puntos más altos de la pieza, provocando deformación y una eliminación gradual de material en dichas zonas. A medida que se nivelan los puntos altos, la presión sobre el sustrato se vuelve progresivamente más uniforme, lo que resulta en una deformación homogénea en toda la superficie. Esto permite rectificar de manera uniforme tanto la superficie superior como la inferior. Una vez finalizado el rectificado y liberada la presión, cada parte del sustrato se recupera de forma uniforme debido a la presión constante a la que estuvo sometida. Esto minimiza la deformación y garantiza una excelente 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 a doble cara, la planitud y la variación del espesor de la oblea se pueden controlar con una precisión de 5 μm. Las mediciones mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) muestran una rugosidad superficial (Rq) de aproximadamente 100 nm, con cavidades 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 a doble cara mediante almohadillas de espuma de poliuretano combinadas con una suspensión de diamante policristalino. Este proceso produce obleas con una rugosidad superficial muy baja, alcanzando Ra < 3 nm, lo cual resulta muy beneficioso para el posterior pulido 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 es técnicamente complejo, produce bajas cantidades y resulta 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 marcas de rectificado y las ondulaciones superficiales a nanoescala. El objetivo es obtener una superficie lisa y sin defectos, sin contaminación ni degradación, sin daños subsuperficiales y sin 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 adicional. El lingote se conforma primero en una forma cilíndrica estándar mediante redondeo, luego se corta en obleas mediante electroerosión por hilo y, finalmente, se verifica la orientación cristalográfica. El pulido es un paso crítico para mejorar la calidad de las obleas, ya que corrige los posibles daños superficiales causados ​​por los defectos de crecimiento cristalino y los pasos de procesamiento previos.

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

Pulido mecánico: Sencillo pero deja arañazos; adecuado para el pulido inicial.

Pulido químico-mecánico (CMP): Elimina arañazos mediante grabado químico; adecuado para el pulido de precisión.

Grabado por hidrógeno: Requiere equipos complejos, comúnmente utilizados en procesos HTCVD.

Pulido asistido por plasma: Complejo y de uso poco frecuente.

El pulido exclusivamente mecánico tiende a causar rayaduras, mientras que el pulido exclusivamente químico puede provocar un grabado irregular. El pulido químico-mecánico (CMP) combina ambas ventajas y ofrece una solución eficiente y rentable.

Principio de funcionamiento de CMP

El proceso CMP funciona haciendo girar la oblea bajo una presión determinada contra una almohadilla de pulido giratoria. Este movimiento relativo, combinado con la abrasión mecánica producida por abrasivos de tamaño nanométrico en la suspensión y la acción química de agentes reactivos, logra la planarización de la superficie.

Materiales clave utilizados:

Pasta de pulido: Contiene abrasivos y reactivos químicos.

Almohadilla de pulido: Se desgasta durante el uso, reduciendo el tamaño de los poros y la eficacia de aplicación de la pasta abrasiva. Se requiere un rectificado regular, generalmente con una herramienta de diamante, para restaurar la rugosidad.

Proceso CMP típico

Abrasivo: suspensión de diamante de 0,5 μm

Rugosidad superficial objetivo: ~0,7 nm

Pulido químico-mecánico:

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

Presión: 200 g/cm²

Velocidad del plato: 50 rpm

Velocidad del portamuestras 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)

Ajustar el pH a 8,5 usando KOH al 5 % en peso y HNO₃ al 1 % en peso.

Caudal de lodo: 3 L/min, recirculado

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

Desafíos técnicos en el pulido mecánico

El SiC, como semiconductor de banda prohibida ancha, desempeña un papel fundamental en la industria electrónica. Gracias a sus excelentes propiedades físicas y químicas, los monocristales de SiC son idóneos para entornos extremos, como alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y resistencia a la radiación. Sin embargo, su dureza y fragilidad dificultan considerablemente los procesos de rectificado y pulido.

A medida que los principales fabricantes mundiales pasan de obleas de 6 pulgadas a obleas de 8 pulgadas, problemas como el agrietamiento y los daños en las obleas durante el procesamiento se han vuelto más frecuentes, lo que afecta significativamente al rendimiento. Superar los desafíos técnicos de los sustratos de SiC de 8 pulgadas es ahora un indicador clave para el avance de la industria.

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

La reducción de la escala de las obleas es necesaria para aumentar la producción de chips por lote, reducir las pérdidas en los bordes y disminuir los costes de producción, especialmente dada la creciente demanda en aplicaciones para vehículos eléctricos.

Aunque el crecimiento de monocristales de SiC de 8 pulgadas ha madurado, los procesos posteriores como el rectificado y el pulido todavía se enfrentan a cuellos de botella, lo que da como resultado bajos rendimientos (solo del 40 al 50%).

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

Aunque el grosor de las obleas de 8 pulgadas se está acercando al de las obleas de 6 pulgadas, son más propensas a sufrir daños durante su 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 provocan daños térmicos.

Los láseres de longitud de onda corta generan residuos pesados ​​y profundizan la capa dañada, lo que aumenta 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 del proceso y la optimización de los parámetros son cruciales. En la fabricación de semiconductores, el CMP es el paso determinante para producir obleas de SiC con superficies ultrasuaves, libres de defectos y daños, esenciales para un crecimiento epitaxial de alta calidad.

(a) Retire el lingote de SiC del crisol;

(b) Realizar el conformado inicial utilizando rectificado del diámetro exterior;

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

(d) Cortar el lingote en láminas delgadas utilizando un sierra de múltiples hilos;

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

Tras completar la serie de pasos de procesamiento, el borde exterior de la oblea de SiC suele quedar afilado, 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 emplea 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 deslaminación a una profundidad específica en la superficie del monocristal de SiC mediante implantación de iones de hidrógeno o técnicas similares. A continuación, el monocristal de SiC procesado se une a un sustrato plano y se somete a presión y calor. Esto permite la transferencia y separación exitosas de la capa de monocristal de SiC sobre el sustrato.

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 aún existen desafíos técnicos, la investigación y el desarrollo avanzan activamente para permitir la producción de obleas a menor costo.

Dada la elevada dureza y estabilidad química del SiC —que lo hace resistente a las reacciones a temperatura ambiente—, se requiere un pulido mecánico para eliminar las pequeñas picaduras de rectificado, reducir los daños superficiales, eliminar arañazos, picaduras y defectos de piel de naranja, disminuir la rugosidad superficial, 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 y almohadillas de pulido con la dureza adecuada.

La figura 7 muestra que el pulido de doble cara con abrasivos de 1 μm puede controlar la planitud y la variación del 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 con partículas ultrafinas y 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, formando una capa blanda.

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

Ventajas de 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 nanoescala (por ejemplo, SiO₂) presentes en la suspensión participan en el cizallamiento, debilitando los enlaces covalentes Si–C y mejorando la eliminación de material.

Tipos de técnicas CMP:

Pulido abrasivo libre: Los abrasivos (p. ej., SiO₂) se encuentran suspendidos en una pasta abrasiva. La eliminación de material se produce mediante abrasión de tres cuerpos (lámina-almohadilla-abrasivo). El tamaño del abrasivo (normalmente de 60 a 200 nm), el pH y la temperatura deben controlarse con precisión para mejorar la uniformidad.

Pulido abrasivo fijo: Los abrasivos están integrados en la almohadilla de pulido para evitar la aglomeración; ideal para procesos de alta precisión.

Limpieza posterior al pulido:

Las obleas pulidas se someten a:

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

enjuague con agua desionizada y

Secado con nitrógeno caliente

para minimizar los contaminantes superficiales.

Calidad y rendimiento de la superficie

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

Planarización global: La combinación de ablandamiento químico y eliminación mecánica reduce los arañazos y el grabado irregular, superando a los métodos puramente mecánicos o químicos.

Alta eficiencia: Adecuado para materiales duros y quebradizos como el 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 fase de investigación y se han desarrollado lentamente debido a las difíciles propiedades del material SiC.

En definitiva, 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 es fundamental en cada etapa.

Tecnología de procesamiento

Durante la etapa de rectificado de obleas, se utiliza una suspensión de diamante con diferentes tamaños de partícula para rectificar la oblea hasta obtener la planitud y rugosidad superficial requeridas. Posteriormente, se procede al pulido, empleando 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 mediante 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 ultra alta pureza y secadores centrífugos, 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 dopados y semi-aislantes de 100 mm, y ahora es posible producir en serie monocristales de 4H-SiC y 6H-SiC de tipo n. Empresas como TankeBlue y TYST ya han desarrollado monocristales de SiC de 150 mm.

En lo que respecta a la tecnología de procesamiento de obleas de SiC, las instituciones nacionales han explorado preliminarmente las condiciones y rutas de proceso para el corte, el pulido y la rectificación 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 está muy por detrás. Existen varios problemas:

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

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

El coste de importar equipos y componentes extranjeros es elevado.

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

Actualmente, la mayoría de los instrumentos de alta precisión utilizados en China son importados. Los equipos y metodologías de ensayo también requieren mejoras.

Con el continuo desarrollo de semiconductores de tercera generación, el diámetro de los sustratos monocristalinos de SiC aumenta constantemente, junto con mayores exigencias en cuanto a la calidad del procesamiento de la superficie. La tecnología de procesamiento de obleas se ha convertido en una de las etapas más complejas desde el punto de vista técnico tras el crecimiento del monocristal 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 procesamiento adecuados para la fabricación de obleas de SiC. Asimismo, es necesario aprender de las tecnologías de procesamiento internacionales más avanzadas y adoptar técnicas y equipos de mecanizado de ultraprecisión de última generación para producir sustratos de alta calidad.

A medida que aumenta el tamaño de las obleas, 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 mundiales de obleas de SiC ofrecen productos con diámetros que oscilan entre 4 y 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.