Резка SiC-булей алмазно-канатной пилой для производства подложек силовой электроники

Карбид кремния стал предпочтительным материалом для силовых полупроводниковых приборов — MOSFET, диодов Шоттки и диодов с барьером Шоттки для инверторов электромобилей, солнечных инверторов и промышленных преобразователей мощности. Свойства, делающие SiC привлекательным — широкий запрещённый диапазон, высокое пробивное напряжение, теплопроводность в 3 раза выше, чем у кремния, — связаны со свойствами самого кристалла, а выращивание такого кристалла крайне затратное.

Boule SiC диаметром 150 мм, выращенная методом физико-паровой транспортировки, требует недели на производство и обходится значительно дороже за единицу объёма по сравнению с аналогичным слитком кремния. Операция нарезки, превращающая булю в подложки, — не просто технологический шаг, а вопрос учёта дорогостоящего сырья. Каждый миллиметр пропила (kerf) — это оплаченный кристалл, выброшенный в отходы. Количество пригодных подложек с одной були напрямую зависит от ширины пропила и толщины среза, а экономика производства SiC-подложек крайне чувствительна к этим параметрам.

Это формирует требования к выбору оборудования и технологии резки SiC. Вопрос состоит не только в том, какая технология даёт самый чистый распил — таких технологий несколько. Ключевой вопрос — какая технология обеспечивает приемлемое качество поверхности при минимально возможном пропиле, с достаточной стабильностью процесса во всей серийной партии.

SiC обладает уникальным сочетанием характеристик, делающих его более сложным для раскроя, чем кремний или сапфир. Понимание этих свойств необходимо, чтобы ясно видеть: подбор параметров каната и управление его износом — это основные инженерные задачи не только в теории, но и на практике массового производства SiC.

С твёрдостью по Моосу 9.5, SiC — один из самых твёрдых материалов, которые обрабатываются алмазно-канатной резкой в промышленности. Снятие материала происходит за счёт абразивного действия алмазной крошки на поверхности каната, но сам SiC интенсивно изнашивает рабочий слой каната. Элетроосаждённый алмаз стачивается заметно быстрее, чем при резке кремния или сапфира. Изношенный канат режет иначе, чем новый: требуется большее усилие, увеличивается ширина пропила и ухудшается качество поверхности подложки. Управление износом каната в серийной работе — главная задача по обеспечению стабильности процесса резки SiC.

При диаметре були SiC 150 мм возможно получить 30–50 подложек в зависимости от толщины. Разница между пропилом 0,35 мм и 0,55 мм по всей длине були — это несколько дополнительных подложек, каждая из которых стоит от сотен до тысяч долларов по текущим рыночным ценам SiC. Поэтому ширина пропила — основной экономический параметр, а не вторичная характеристика. Этот параметр связан и с износом каната: по мере износа канат даёт более широкий пропил. Балансировка подбора каната, натяжения и скорости подачи с целью поддержания минимального пропила и контроля износа — центральная задача оптимизации процесса.

Твердость и хрупкость SiC приводят к тому, что любая нестабильность резки — вибрации каната, колебания натяжения, неравномерность подачи — сразу отражаются на геометрии поверхности среза. При работе с более мягким кремнием процесс менее чувствителен к небольшим отклонениям параметров. При работе с SiC любое отклонение напрямую проявляется в TTV. Для получения стабильных параметров толщины требуется безупречно стабильный процесс, а мониторинг износа каната — его неотъемлемая часть.

В данном проекте проводилась серийная резка булей 4H-SiC для изготовления подложек под силовые электронные приборы. Диаметры булей и требуемая толщина подложки соответствовали типовым значениям массового производства.

Подбор каната для SiC отличается от работы с кремнием. Размер алмазных зёрен, плотность покрытия и состав сердечника — параметры, существенно влияющие на баланс между скоростью резки, качеством поверхности и ресурсом каната. Исходная спецификация подбиралась в пробных резах на этапе запуска — проводилась оценка качества поверхности, ширины пропила и износостойкости каната на определённом количестве проходов до перехода к основным параметрам производства.

Скорость подачи была задана значительно ниже максимально допустимой для избежания потери качества в начале новой нити — меньшая скорость обеспечивает более высокое качество и больший ресурс каната, но увеличивает время обработки. Для SiC, где себестоимость подложки высока, этот компромисс всегда — в пользу поверхности и ресурса каната, а не скорости резки.

Контроль износа каната осуществлялся на протяжении всего цикла через отслеживание данных по усилию резки — изношенный канат требует большего усилия для поддержания заданной скорости подачи, и тенденция роста нагрузки даёт заранее достоверный сигнал ухудшения состояния до того, как изменения проявятся в качестве поверхности подложки. Смена каната производилась не по количеству резов или визуальному осмотру, а по реальной динамике усилия.

Измерения ширины пропила производились регулярно по ходу серии. Ширина пропила на всём объёме оставалась в заданных пределах, не наблюдалось признаков её систематического увеличения, указывающих на ускоренный износ каната.

Серия резки SiC булей завершена с такими итогами по основным параметрам производства:

Ширина пропила оставалась в заданном диапазоне на всей партии. Количество подложек с одной були соответствовало расчётам по целевому пропилу — экономические параметры производства, заложенные в модели на старте, полностью подтверждены.

Показатель TTV в партии уложился в спецификации. Переход на смену каната по показаниям усилия позволил избежать распространённых проблем с ростом TTV, которые появляются при замене каната по жёсткому графику вместо работы по состоянию инструмента.

Глубина подповерхностных повреждений соответствовала значениям, ожидаемым для выбранных параметров и характеристик каната — полностью вписывается в норматив снятия материала на этапах дальнейшего хонингования и полирования.

Отдельно стоит подчеркнуть: резка SiC — процесс, требующий постоянного контроля. Поведение каната на SiC значительно отличается от работы с другими материалами, и параметры производства, применяемые для кремния либо сапфира, не могут быть перенесены напрямую. Фаза квалификации на старте серии — подбор каната, параметров подачи, критериев замены — это не разовая процедура. Для нового материала, диаметра були, либо задачи по толщине подложки, цикл квалификации требуется повторять. Это данность работы с SiC в масштабах серийного производства.

Параметры производства, источник булей и данные заказчика не разглашаются и трактуются как конфиденциальные. В данной статье рассматривается лишь инженерный подход и особенности управления процессом SiC в масштабе производства — параметры материала, общедоступная информация и инженерная логика.

Если Ваша компания запускает серийное производство SiC-подложек или рассматривает алмазно-канатную резку как альтернативу действующей технологии раскроя, ключевые вопросы — спецификация каната, целевой пропил, требования по TTV и размер партии. Оборудование Dinosaw Machine работает с этими параметрами напрямую. Сообщите Ваши задачи — и Вы получите прямой технический ответ.

Свяжитесь с нами для обсуждения Вашего проекта по резке SiC.