El carbur de silici té una duresa Mohs de 9,2-9,5, només per darrere del diamant. És molt fràgil i té una resistència a la fractura baixa, alhora que ofereix una excel·lent resistència a alta temperatura, resistència a la corrosió i resistència a la radiació. No obstant això, és difícil i costós de processar, i requereix múltiples passos com ara tallar, treure, gravar i polir. La qualitat del processament afecta directament la pèrdua de conducció, el nivell de tensió de suport i la vida útil dels dispositius d'alimentació. Actualment, el tall de filferro s'utilitza àmpliament a causa del seu baix cost, l'estructura senzilla d'equips i la idoneïtat per a la producció en massa, i les eines de tall de diamant també són relativament fàcils d'obtenir. Tanmateix, el tall de filferro provoca una pèrdua substancial de material i té una eficiència de processament extremadament baixa.
Pèrdua de material causada pel tall de filferro
Durant el tall de filferro, el moviment d'alta velocitat del cable de tall no només produeix una pèrdua de tall amb una amplada de tall igual al diàmetre del cable; com que la superfície de l'hòstia preparada mitjançant el tall de filferro és molt rugosa, també es requereixen processos de rectificat i polit posteriors i altres processos d'acabat. En última instància, la pèrdua acumulada de material pot arribar al 30%-50% de la matèria primera total. El procés de serrat de diversos fils també requereix solucions per refredar el tall i netejar els residus, generant grans quantitats de líquid residual que conté silici. Les partícules micro/nano-escala que hi ha són difícils de flocular i de reciclar, causant un impacte ambiental important.
Aixecament làser: realització d'una "cirurgia invisible" dins del cristall
L'aixecament làser és un procés important per al tall de SiC i pertany a la tecnologia de processament de modificació interna i divisió de capes. El seu principi bàsic és la modificació de l'enfocament intern del làser més la separació per divisió de força externa.
Diagrama esquemàtic de la tecnologia d'aixecament làser de cristall SiC
La primera etapa és la modificació interna. Utilitzant les característiques de penetració i enfocament ultraalta dels làsers de pols ultracurt, l'enfocament del làser està controlat amb precisió per un camí òptic i enfocat a una profunditat predeterminada dins de la hòstia de carbur de silici. Després de l'enfocament làser d'alta energia a l'interior de la hòstia, el material de carbur de silici local experimenta una distorsió de la gelosia, transformació de fase i propagació de microcrack, formant una capa modificada contínua i uniforme. La resistència mecànica de la capa modificada és molt inferior a la del material del substrat, i no hi ha marques de processament a la superfície, realitzant una modificació invisible. La segona etapa és la separació dividida. Mitjançant la micro-tensió mecànica, el bufat de gas o la força externa de tracció, l'hòstia es separa amb precisió al llarg de la capa interna modificada, completant el tall sense pèrdues i la separació de tota l'hòstia.
A diferència del tall de filferro tradicional, la tecnologia d'aixecament làser sense contacte pot evitar eficaçment problemes com el desgast de l'eina de tall i la fallada de l'hòstia de SiC causada per l'estrès mecànic, aconseguint així un enlairament d'alta qualitat i precisió. La tecnologia d'aixecament làser millora significativament l'eficiència i la qualitat del processament de les hòsties de carbur de silici i redueix el cost de fabricació dels substrats de carbur de silici. Té avantatges destacats d'alta eficiència de producció i baixa pèrdua de material. L'aixecament làser té un gruix de capa modificat molt petit, que pot millorar significativament la utilització del material durant la preparació de les hòsties de carbur de silici. S'espera que l'assoliment d'alta qualitat i alta eficiència de les hòsties de carbur de silici superi els colls d'ampolla tècnics i les limitacions d'alt cost, i promogui aplicacions de mercat en què els dispositius de carbur de silici substitueixin els substrats de silici. Els efectes ambientals de la tecnologia d'aixecament làser també són importants. En els processos de tall tradicionals, els problemes de contaminació de fluids de tall i pols són relativament greus, mentre que l'aixecament làser, com a procés sense contacte, pot reduir les emissions de residus industrials. Combinada amb el rendiment eficient dels dispositius de carbur de silici en la conversió d'energia, aquesta tecnologia ajuda als objectius globals de neutralitat de carboni tant des de la fabricació com de l'aplicació.
Global Race: Estat actual del desenvolupament de tecnologia d'aixecament làser
Les hòsties de carbur de silici s'estan desenvolupant cap a mides més grans i s'ha promocionat àmpliament la tecnologia de tall amb làser. La longitud d'ona del làser, l'energia del pols, la profunditat d'enfocament i l'espaiat d'escaneig són els paràmetres bàsics que determinen la continuïtat i la uniformitat de la capa modificada. 532 nm i els làsers ultraràpids de 1064 nm tenen una penetració excel·lent al carbur de silici i el punt enfocat és més petit. El gruix de la capa modificada es pot controlar amb precisió a 10-30 μm i les esquerdes modificades es propaguen de manera dirigida sense difondre's a l'àrea funcional del dispositiu. Mitjançant el control dinàmic de la polarització i la tecnologia de conformació del feix, es pot optimitzar la morfologia de la capa modificada, es pot millorar la planitud de tall i es pot suprimir eficaçment la deformació de les hòsties. La investigació nacional se centra en la consistència del processament per lots per a hòsties de gran mida, el tall de baixes tensions d'hòsties ultrafines (50-100 μm) i l'optimització de la tecnologia de troquelat d'espai estret. S'ha aconseguit un tall amb làser totalment automatitzat d'hòsties de carbur de silici de 8 polzades. En condicions de procés optimitzades, l'amplada del carrer de tall es pot reduir a 20 μm, el rendiment de la matriu supera el 98% i l'eficiència del processament d'hòsties individuals augmenta en més d'un 30% en comparació amb els processos tradicionals, solucionant el problema que la modificació única tradicional no pot adaptar-se al processament d'hòsties gruixudes. Font: Shuoke Crystal.
En la tecnologia d'aixecament de cristalls, ja l'any 1985, els científics nord-americans van demostrar que les capes primes es podien treure de les hòsties de Si i GaAs sota l'acció de l'esforç de tracció residual en una capa d'estrès. Tanmateix, els primers processos experimentals d'aixecament de cristalls van ser difícils de controlar perquè quan l'estrès arribava al llindar determinat per la duresa de la fractura de l'hòstia, les esquerdes es generarien i es propagarien de manera espontània de manera aleatòria, provocant un gruix desigual de la capa d'aixecament o fins i tot una fragmentació.
IBM va desenvolupar una tecnologia d'enlairament controlat. Aquest mètode dissenya una capa de tracció addicional per aplicar una força externa per desencadenar la fractura i guiar direccionalment la propagació de l'esquerda, i també estableix un model teòric per a la correlació entre l'estrès crític i el gruix de la capa de trencament, proporcionant orientació per a l'optimització del procés. A més, el nivell d'hòstia Si, els cristalls únics GaN, així com les cèl·lules solars III-V, els circuits integrats, els LED i altres dispositius semiconductors, poden utilitzar aquesta tecnologia per aconseguir un enlairament controlat.
Pel que fa a la tecnologia d'industrialització, la tecnologia de divisió en fred Siltectra d'Alemanya i el procés de modificació làser Disco del Japó poden controlar la pèrdua de material de tall SiC fins a 60 μm i han aconseguit una producció massiva d'hòsties de 8 polzades; Els fabricants europeus i nord-americans monopolitzen les fonts de llum d'excimer UV i han dominat durant molt de temps el mercat d'equips d'aixecament d'interfície per a hòsties epitaxials Micro-LED.
En els darrers anys, el progrés intern ha estat important. Els equips de recerca de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Huazhong i el CETC han superat la modificació interna de SiC i la tecnologia de control direccional de crack. Empreses com Han's Laser i HGTECH han aconseguit la localització d'equips d'aixecament làser UV i l'equip domèstic ha entrat a la verificació a les línies de producció de dispositius LED i d'alimentació. Actualment, els indicadors domèstics de procés d'aixecament de SiC de 6 polzades s'apropen als nivells internacionals, però la uniformitat energètica de les hòsties completes de 8 polzades de gran mida és relativament pobre i el problema de desviació d'esquerdes del carbur de silici de tipus N no s'ha resolt completament. Els làsers UV d'alta potència i els mòduls òptics d'alta precisió encara depenen de les importacions.