Status dan Tren Terkini Teknologi Pemrosesan Wafer SiC

Sebagai material substrat semikonduktor generasi ketiga,silikon karbida (SiC)Kristal tunggal SiC memiliki prospek aplikasi yang luas dalam pembuatan perangkat elektronik frekuensi tinggi dan daya tinggi. Teknologi pemrosesan SiC memainkan peran penting dalam produksi material substrat berkualitas tinggi. Artikel ini memperkenalkan keadaan penelitian terkini tentang teknologi pemrosesan SiC baik di Tiongkok maupun di luar negeri, menganalisis dan membandingkan mekanisme proses pemotongan, penggerindaan, dan pemolesan, serta tren kerataan wafer dan kekasaran permukaan. Artikel ini juga menunjukkan tantangan yang ada dalam pemrosesan wafer SiC dan membahas arah pengembangan di masa depan.

Silikon karbida (SiC)Wafer merupakan material dasar yang sangat penting untuk perangkat semikonduktor generasi ketiga dan memiliki peran penting serta potensi pasar yang signifikan di bidang-bidang seperti mikroelektronika, elektronika daya, dan pencahayaan semikonduktor. Karena kekerasan dan stabilitas kimianya yang sangat tinggi,Kristal tunggal SiCMetode pemrosesan semikonduktor tradisional tidak sepenuhnya cocok untuk pengerjaannya. Meskipun banyak perusahaan internasional telah melakukan penelitian ekstensif tentang pemrosesan kristal tunggal SiC yang menuntut secara teknis, teknologi terkait dirahasiakan dengan ketat.

Dalam beberapa tahun terakhir, Tiongkok telah meningkatkan upaya dalam pengembangan material dan perangkat kristal tunggal SiC. Namun, kemajuan teknologi perangkat SiC di negara tersebut saat ini dibatasi oleh keterbatasan teknologi pemrosesan dan kualitas wafer. Oleh karena itu, sangat penting bagi Tiongkok untuk meningkatkan kemampuan pemrosesan SiC guna meningkatkan kualitas substrat kristal tunggal SiC dan mencapai aplikasi praktis serta produksi massalnya.

Tahapan pemrosesan utama meliputi: pemotongan → penggilingan kasar → penggilingan halus → pemolesan kasar (pemolesan mekanis) → pemolesan halus (pemolesan mekanis kimia, CMP) → inspeksi.

Pemotongan Kristal Tunggal SiC

Dalam pemrosesanKristal tunggal SiCPemotongan adalah langkah pertama dan sangat penting. Kelengkungan, distorsi, dan variasi ketebalan total (TTV) wafer yang dihasilkan dari proses pemotongan menentukan kualitas dan efektivitas operasi penggerindaan dan pemolesan selanjutnya.

Alat potong dapat dikategorikan berdasarkan bentuknya menjadi gergaji berlian dengan diameter dalam (ID), gergaji berlian dengan diameter luar (OD), gergaji pita, dan gergaji kawat. Gergaji kawat, pada gilirannya, dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis gerakannya menjadi sistem kawat bolak-balik dan sistem kawat melingkar (tanpa ujung). Berdasarkan mekanisme pemotongan bahan abrasif, teknik pemotongan dengan gergaji kawat dapat dibagi menjadi dua jenis: pemotongan dengan gergaji kawat abrasif bebas dan pemotongan dengan gergaji kawat berlian abrasif tetap.

1.1 Metode Pemotongan Tradisional

Kedalaman pemotongan gergaji diameter luar (OD) dibatasi oleh diameter mata pisau. Selama proses pemotongan, mata pisau rentan terhadap getaran dan penyimpangan, yang mengakibatkan tingkat kebisingan tinggi dan kekakuan yang buruk. Gergaji diameter dalam (ID) menggunakan bahan abrasif intan pada keliling bagian dalam mata pisau sebagai mata potong. Mata pisau ini bisa setipis 0,2 mm. Selama pemotongan, mata pisau ID berputar dengan kecepatan tinggi sementara material yang akan dipotong bergerak secara radial relatif terhadap pusat mata pisau, sehingga pemotongan terjadi melalui gerakan relatif ini.

Gergaji pita berlian memerlukan penghentian dan pembalikan yang sering, dan kecepatan pemotongannya sangat rendah—biasanya tidak melebihi 2 m/s. Gergaji ini juga mengalami keausan mekanis yang signifikan dan biaya perawatan yang tinggi. Karena lebar mata gergaji, radius pemotongan tidak boleh terlalu kecil, dan pemotongan multi-irisan tidak memungkinkan. Alat gergaji tradisional ini dibatasi oleh kekakuan alasnya dan tidak dapat melakukan pemotongan melengkung atau memiliki radius putar yang terbatas. Gergaji ini hanya mampu melakukan pemotongan lurus, menghasilkan celah yang lebar, memiliki tingkat hasil yang rendah, dan karenanya tidak cocok untuk pemotongan.Kristal SiC.

1.2 Gergaji Kawat Abrasif Bebas untuk Pemotongan Multi Kawat

Teknik pemotongan dengan gergaji kawat abrasif bebas menggunakan gerakan cepat kawat untuk membawa bubur abrasif ke dalam celah pemotongan, sehingga memungkinkan penghilangan material. Teknik ini terutama menggunakan struktur bolak-balik dan saat ini merupakan metode yang sudah mapan dan banyak digunakan untuk pemotongan multi-wafer silikon kristal tunggal secara efisien. Namun, penerapannya dalam pemotongan SiC masih kurang banyak dipelajari.

Gergaji kawat abrasif bebas dapat memproses wafer dengan ketebalan kurang dari 300 μm. Gergaji ini menawarkan kehilangan material yang rendah, jarang menyebabkan pengelupasan, dan menghasilkan kualitas permukaan yang relatif baik. Namun, karena mekanisme penghilangan material—berdasarkan pengguliran dan penekanan abrasif—permukaan wafer cenderung mengembangkan tegangan sisa yang signifikan, retakan mikro, dan lapisan kerusakan yang lebih dalam. Hal ini menyebabkan wafer melengkung, menyulitkan pengendalian akurasi profil permukaan, dan meningkatkan beban pada langkah pemrosesan selanjutnya.

Kinerja pemotongan sangat dipengaruhi oleh bubur abrasif; penting untuk menjaga ketajaman abrasif dan konsentrasi bubur abrasif. Pengolahan dan daur ulang bubur abrasif membutuhkan biaya yang mahal. Saat memotong ingot berukuran besar, abrasif kesulitan menembus celah yang dalam dan panjang. Dengan ukuran butiran abrasif yang sama, kehilangan celah lebih besar daripada gergaji kawat abrasif tetap.

1.3 Gergaji Kawat Berlian Abrasif Tetap Pemotongan Multi-Kawat

Gergaji kawat berlian abrasif tetap biasanya dibuat dengan menanamkan partikel berlian ke substrat kawat baja melalui metode pelapisan listrik, sintering, atau pengikatan resin. Gergaji kawat berlian hasil pelapisan listrik menawarkan keunggulan seperti lebar potongan yang lebih sempit, kualitas potongan yang lebih baik, efisiensi yang lebih tinggi, kontaminasi yang lebih rendah, dan kemampuan untuk memotong material dengan kekerasan tinggi.

Gergaji kawat berlian elektroplating bolak-balik saat ini merupakan metode yang paling banyak digunakan untuk memotong SiC. Gambar 1 (tidak ditampilkan di sini) mengilustrasikan kerataan permukaan wafer SiC yang dipotong menggunakan teknik ini. Seiring berjalannya pemotongan, kelengkungan wafer meningkat. Hal ini karena area kontak antara kawat dan material meningkat saat kawat bergerak ke bawah, meningkatkan resistansi dan getaran kawat. Ketika kawat mencapai diameter maksimum wafer, getaran berada pada puncaknya, sehingga menghasilkan kelengkungan maksimum.

Pada tahap akhir pemotongan, karena kawat mengalami percepatan, pergerakan kecepatan stabil, perlambatan, penghentian, dan pembalikan arah, serta kesulitan dalam menghilangkan serpihan dengan cairan pendingin, kualitas permukaan wafer memburuk. Pembalikan arah kawat dan fluktuasi kecepatan, serta partikel intan berukuran besar pada kawat, merupakan penyebab utama goresan pada permukaan.

1.4 Teknologi Pemisahan Dingin

Pemisahan dingin kristal tunggal SiC merupakan proses inovatif di bidang pengolahan material semikonduktor generasi ketiga. Dalam beberapa tahun terakhir, proses ini telah menarik perhatian yang signifikan karena keunggulannya yang nyata dalam meningkatkan hasil dan mengurangi kehilangan material. Teknologi ini dapat dianalisis dari tiga aspek: prinsip kerja, alur proses, dan keunggulan inti.

Penentuan Orientasi Kristal dan Penggilingan Diameter Luar: Sebelum diproses, orientasi kristal ingot SiC harus ditentukan. Ingot kemudian dibentuk menjadi struktur silindris (biasanya disebut cakram SiC) melalui penggilingan diameter luar. Langkah ini meletakkan dasar untuk pemotongan dan pengirisan terarah selanjutnya.

Pemotongan Multi-Kawat: Metode ini menggunakan partikel abrasif yang dikombinasikan dengan kawat pemotong untuk memotong ingot silindris. Namun, metode ini memiliki masalah kehilangan material hasil pemotongan yang signifikan dan permukaan yang tidak rata.

Teknologi Pemotongan Laser: Laser digunakan untuk membentuk lapisan yang dimodifikasi di dalam kristal, dari mana irisan tipis dapat dipisahkan. Pendekatan ini mengurangi kehilangan material dan meningkatkan efisiensi pemrosesan, menjadikannya arah baru yang menjanjikan untuk pemotongan wafer SiC.

Optimalisasi Proses Pemotongan

Pemotongan Multi-Kawat Abrasif Tetap: Ini adalah teknologi utama saat ini, sangat cocok untuk karakteristik kekerasan tinggi SiC.

Pemesinan Pelepasan Listrik (EDM) dan Teknologi Pemisahan Dingin: Metode-metode ini menyediakan solusi yang beragam dan disesuaikan dengan kebutuhan spesifik.

Proses Pemolesan: Sangat penting untuk menyeimbangkan laju pengangkatan material dan kerusakan permukaan. Pemolesan Mekanik Kimia (CMP) digunakan untuk meningkatkan keseragaman permukaan.

Pemantauan Waktu Nyata: Teknologi inspeksi online diperkenalkan untuk memantau kekasaran permukaan secara waktu nyata.

Pemotongan Laser: Teknik ini mengurangi kehilangan material akibat pemotongan dan memperpendek siklus pemrosesan, meskipun zona yang terpengaruh panas tetap menjadi tantangan.

Teknologi Pemrosesan Hibrida: Menggabungkan metode mekanis dan kimia meningkatkan efisiensi pemrosesan.

Teknologi ini telah mencapai aplikasi industri. Infineon, misalnya, mengakuisisi SILTECTRA dan sekarang memegang paten inti yang mendukung produksi massal wafer 8 inci. Di Tiongkok, perusahaan seperti Delong Laser telah mencapai efisiensi output 30 wafer per ingot untuk pemrosesan wafer 6 inci, yang mewakili peningkatan 40% dibandingkan metode tradisional.

Seiring percepatan manufaktur peralatan dalam negeri, teknologi ini diharapkan menjadi solusi utama untuk pemrosesan substrat SiC. Dengan meningkatnya diameter material semikonduktor, metode pemotongan tradisional menjadi usang. Di antara pilihan yang ada, teknologi gergaji kawat berlian bolak-balik menunjukkan prospek aplikasi yang paling menjanjikan. Pemotongan laser, sebagai teknik yang sedang berkembang, menawarkan keunggulan signifikan dan diperkirakan akan menjadi metode pemotongan utama di masa depan.

2.Penggilingan Kristal Tunggal SiC

Sebagai perwakilan dari semikonduktor generasi ketiga, silikon karbida (SiC) menawarkan keunggulan signifikan karena celah pita yang lebar, medan listrik tembus yang tinggi, kecepatan hanyut elektron jenuh yang tinggi, dan konduktivitas termal yang sangat baik. Sifat-sifat ini membuat SiC sangat menguntungkan dalam aplikasi tegangan tinggi (misalnya, lingkungan 1200V). Teknologi pemrosesan untuk substrat SiC merupakan bagian fundamental dari fabrikasi perangkat. Kualitas permukaan dan presisi substrat secara langsung memengaruhi kualitas lapisan epitaksial dan kinerja perangkat akhir.

Tujuan utama dari proses penggerindaan adalah untuk menghilangkan bekas gergaji pada permukaan dan lapisan kerusakan yang disebabkan selama pemotongan, serta untuk memperbaiki deformasi yang disebabkan oleh proses pemotongan. Mengingat kekerasan SiC yang sangat tinggi, penggerindaan memerlukan penggunaan bahan abrasif keras seperti boron karbida atau intan. Penggerindaan konvensional biasanya dibagi menjadi penggerindaan kasar dan penggerindaan halus.

2.1 Penggilingan Kasar dan Halus

Penggilingan dapat dikategorikan berdasarkan ukuran partikel abrasif:

Penggilingan Kasar: Menggunakan bahan abrasif yang lebih besar terutama untuk menghilangkan bekas gergaji dan lapisan kerusakan yang disebabkan selama pemotongan, sehingga meningkatkan efisiensi pemrosesan.

Penggilingan Halus: Menggunakan bahan abrasif yang lebih halus untuk menghilangkan lapisan kerusakan yang tertinggal akibat penggilingan kasar, mengurangi kekasaran permukaan, dan meningkatkan kualitas permukaan.

Banyak produsen substrat SiC domestik menggunakan proses produksi skala besar. Metode umum melibatkan penggerindaan dua sisi menggunakan pelat besi cor dan bubur intan monokristalin. Proses ini secara efektif menghilangkan lapisan kerusakan yang tertinggal akibat pemotongan kawat, memperbaiki bentuk wafer, dan mengurangi TTV (Total Thickness Variation), Bow, dan Warp. Laju penghilangan material stabil, biasanya mencapai 0,8–1,2 μm/menit. Namun, permukaan wafer yang dihasilkan buram dengan kekasaran yang relatif tinggi—biasanya sekitar 50 nm—yang menuntut langkah pemolesan selanjutnya yang lebih tinggi.

2.2 Penggilingan Satu Sisi

Proses penggilingan satu sisi hanya memproses satu sisi wafer pada satu waktu. Selama proses ini, wafer dipasang dengan lilin pada pelat baja. Di bawah tekanan yang diberikan, substrat mengalami sedikit deformasi, dan permukaan atas menjadi rata. Setelah penggilingan, permukaan bawah menjadi rata. Ketika tekanan dihilangkan, permukaan atas cenderung kembali ke bentuk aslinya, yang juga memengaruhi permukaan bawah yang sudah digiling—menyebabkan kedua sisi melengkung dan kerataannya menurun.

Selain itu, pelat penggilingan dapat menjadi cekung dalam waktu singkat, menyebabkan wafer menjadi cembung. Untuk menjaga kerataan pelat, diperlukan pengasahan yang sering. Karena efisiensi yang rendah dan kerataan wafer yang buruk, penggilingan satu sisi tidak cocok untuk produksi massal.

Biasanya, roda gerinda #8000 digunakan untuk penggerindaan halus. Di Jepang, proses ini relatif sudah matang dan bahkan menggunakan roda poles #30000. Hal ini memungkinkan kekasaran permukaan wafer yang diproses mencapai di bawah 2 nm, sehingga wafer siap untuk CMP (Chemical Mechanical Polishing) akhir tanpa pemrosesan tambahan.

2.3 Teknologi Penipisan Satu Sisi

Teknologi Penipisan Satu Sisi Berlian adalah metode baru untuk penggerindaan satu sisi. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 5 (tidak ditampilkan di sini), proses ini menggunakan pelat gerinda yang diikat berlian. Wafer difiksasi melalui adsorpsi vakum, sementara wafer dan roda gerinda berlian berputar secara bersamaan. Roda gerinda secara bertahap bergerak ke bawah untuk menipiskan wafer hingga ketebalan target. Setelah satu sisi selesai, wafer dibalik untuk memproses sisi lainnya.

Setelah ditipiskan, wafer 100 mm dapat menghasilkan:

Busur < 5 μm

TTV < 2 μm

Kekasaran permukaan < 1 nm

Metode pemrosesan wafer tunggal ini menawarkan stabilitas tinggi, konsistensi yang sangat baik, dan tingkat penghilangan material yang tinggi. Dibandingkan dengan penggilingan dua sisi konvensional, teknik ini meningkatkan efisiensi penggilingan lebih dari 50%.

2.4 Penggilingan Dua Sisi

Penggilingan dua sisi menggunakan pelat penggilingan atas dan bawah untuk menggiling kedua sisi substrat secara bersamaan, sehingga memastikan kualitas permukaan yang sangat baik di kedua sisi.

Selama proses tersebut, pelat gerinda pertama-tama memberikan tekanan pada titik tertinggi benda kerja, menyebabkan deformasi dan penghilangan material secara bertahap pada titik-titik tersebut. Saat titik-titik tinggi diratakan, tekanan pada substrat secara bertahap menjadi lebih seragam, menghasilkan deformasi yang konsisten di seluruh permukaan. Hal ini memungkinkan permukaan atas dan bawah digerinda secara merata. Setelah penggerindaan selesai dan tekanan dilepaskan, setiap bagian substrat pulih secara seragam karena tekanan yang sama yang dialaminya. Hal ini menghasilkan distorsi minimal dan kerataan yang baik.

Kekasaran permukaan wafer setelah penggerindaan bergantung pada ukuran partikel abrasif—partikel yang lebih kecil menghasilkan permukaan yang lebih halus. Saat menggunakan abrasif 5 μm untuk penggerindaan dua sisi, kerataan wafer dan variasi ketebalan dapat dikontrol dalam batas 5 μm. Pengukuran Mikroskop Gaya Atom (AFM) menunjukkan kekasaran permukaan (Rq) sekitar 100 nm, dengan lubang penggerindaan hingga kedalaman 380 nm dan tanda linier yang terlihat akibat aksi abrasif.

Metode yang lebih canggih melibatkan penggerindaan dua sisi menggunakan bantalan busa poliuretan yang dikombinasikan dengan bubuk intan polikristalin. Proses ini menghasilkan wafer dengan kekasaran permukaan yang sangat rendah, mencapai Ra < 3 nm, yang sangat bermanfaat untuk pemolesan substrat SiC selanjutnya.

Namun, goresan permukaan masih menjadi masalah yang belum terselesaikan. Selain itu, berlian polikristalin yang digunakan dalam proses ini diproduksi melalui sintesis eksplosif, yang secara teknis menantang, menghasilkan kuantitas yang rendah, dan sangat mahal.

Pemolesan Kristal Tunggal SiC

Untuk mendapatkan permukaan yang dipoles berkualitas tinggi pada wafer silikon karbida (SiC), pemolesan harus sepenuhnya menghilangkan lubang gerinda dan gelombang permukaan skala nanometer. Tujuannya adalah untuk menghasilkan permukaan yang halus, bebas cacat, tanpa kontaminasi atau degradasi, tanpa kerusakan di bawah permukaan, dan tanpa tegangan permukaan residual.

3.1 Pemolesan Mekanis dan CMP pada Wafer SiC

Setelah pertumbuhan ingot kristal tunggal SiC, cacat permukaan mencegahnya untuk langsung digunakan untuk pertumbuhan epitaksial. Oleh karena itu, diperlukan pemrosesan lebih lanjut. Ingot pertama-tama dibentuk menjadi bentuk silinder standar melalui pembulatan, kemudian diiris menjadi wafer menggunakan pemotongan kawat, diikuti dengan verifikasi orientasi kristalografi. Pemolesan merupakan langkah penting dalam meningkatkan kualitas wafer, mengatasi potensi kerusakan permukaan yang disebabkan oleh cacat pertumbuhan kristal dan langkah-langkah pemrosesan sebelumnya.

Ada empat metode utama untuk menghilangkan lapisan kerusakan permukaan pada SiC:

Pemolesan mekanis: Sederhana tetapi meninggalkan goresan; cocok untuk pemolesan awal.

Pemolesan Mekanik Kimia (CMP): Menghilangkan goresan melalui pengikisan kimia; cocok untuk pemolesan presisi.

Etsa hidrogen: Membutuhkan peralatan kompleks, yang umumnya digunakan dalam proses HTCVD.

Pemolesan dengan bantuan plasma: Rumit dan jarang digunakan.

Pemolesan hanya dengan mekanik cenderung menyebabkan goresan, sedangkan pemolesan hanya dengan bahan kimia dapat menyebabkan pengikisan yang tidak merata. CMP menggabungkan kedua keunggulan tersebut dan menawarkan solusi yang efisien dan hemat biaya.

Prinsip Kerja CMP

CMP bekerja dengan memutar wafer di bawah tekanan tertentu terhadap bantalan pemoles yang berputar. Gerakan relatif ini, dikombinasikan dengan abrasi mekanis dari abrasif berukuran nano dalam bubur dan aksi kimia dari agen reaktif, menghasilkan perataan permukaan.

Bahan-bahan utama yang digunakan:

Larutan pemoles: Mengandung bahan abrasif dan reagen kimia.

Bantalan pemoles: Akan aus seiring penggunaan, mengurangi ukuran pori dan efisiensi pengiriman bubur poles. Pengasahan rutin, biasanya menggunakan pengasah berlian, diperlukan untuk mengembalikan kekasaran permukaan.

Proses CMP Khas

Bahan abrasif: bubuk intan 0,5 μm

Kekasaran permukaan target: ~0,7 nm

Pemolesan Mekanis Kimiawi:

Peralatan pemoles: Mesin pemoles satu sisi AP-810

Tekanan: 200 g/cm²

Kecepatan putaran pelat: 50 rpm

Kecepatan dudukan keramik: 38 rpm

Komposisi bubur:

SiO₂ (30 wt%, pH = 10,15)

0–70 wt% H₂O₂ (30 wt%, kualitas reagen)

Sesuaikan pH hingga 8,5 menggunakan KOH 5% berat dan HNO₃ 1% berat.

Laju aliran bubur: 3 L/menit, disirkulasi ulang

Proses ini secara efektif meningkatkan kualitas wafer SiC dan memenuhi persyaratan untuk proses selanjutnya.

Tantangan Teknis dalam Pemolesan Mekanis

SiC, sebagai semikonduktor dengan celah pita lebar, memainkan peran penting dalam industri elektronik. Dengan sifat fisik dan kimia yang sangat baik, kristal tunggal SiC cocok untuk lingkungan ekstrem, seperti suhu tinggi, frekuensi tinggi, daya tinggi, dan ketahanan terhadap radiasi. Namun, sifatnya yang keras dan rapuh menghadirkan tantangan besar untuk proses penggerindaan dan pemolesan.

Seiring transisi produsen global terkemuka dari wafer 6 inci ke 8 inci, masalah seperti retak dan kerusakan wafer selama pemrosesan menjadi lebih menonjol, yang secara signifikan berdampak pada hasil produksi. Mengatasi tantangan teknis substrat SiC 8 inci kini menjadi tolok ukur utama bagi kemajuan industri.

Di era 8 inci, pemrosesan wafer SiC menghadapi banyak tantangan:

Penskalasian wafer diperlukan untuk meningkatkan output chip per batch, mengurangi kehilangan tepi, dan menurunkan biaya produksi—terutama mengingat meningkatnya permintaan dalam aplikasi kendaraan listrik.

Meskipun pertumbuhan kristal tunggal SiC berukuran 8 inci telah matang, proses-proses di tahap akhir seperti penggerindaan dan pemolesan masih menghadapi hambatan, yang mengakibatkan hasil yang rendah (hanya 40–50%).

Wafer yang lebih besar mengalami distribusi tekanan yang lebih kompleks, sehingga meningkatkan kesulitan dalam mengelola tegangan pemolesan dan konsistensi hasil produksi.

Meskipun ketebalan wafer 8 inci mendekati ketebalan wafer 6 inci, wafer 8 inci lebih rentan terhadap kerusakan selama penanganan karena tekanan dan perubahan bentuk.

Untuk mengurangi tegangan, distorsi, dan keretakan yang terkait dengan pemotongan, pemotongan laser semakin banyak digunakan. Namun:

Laser dengan panjang gelombang panjang menyebabkan kerusakan termal.

Laser dengan panjang gelombang pendek menghasilkan serpihan yang berat dan memperdalam lapisan kerusakan, sehingga meningkatkan kompleksitas pemolesan.

Alur Kerja Pemolesan Mekanis untuk SiC

Alur proses secara umum meliputi:

Pemotongan orientasi

Penggilingan kasar

Penggilingan halus

Pemolesan mekanis

Pemolesan Mekanik Kimia (CMP) sebagai langkah terakhir

Pemilihan metode CMP, desain jalur proses, dan optimasi parameter sangatlah penting. Dalam manufaktur semikonduktor, CMP merupakan langkah penentu untuk menghasilkan wafer SiC dengan permukaan ultra-halus, bebas cacat, dan bebas kerusakan, yang sangat penting untuk pertumbuhan epitaksial berkualitas tinggi.

(a) Keluarkan ingot SiC dari wadah peleburan;

(b) Lakukan pembentukan awal dengan menggerinda diameter luar;

(c) Tentukan orientasi kristal menggunakan bidang penyejajaran atau takik;

(d) Iris batangan logam menjadi lempengan tipis menggunakan gergaji multi-kawat;

(e) Mencapai kehalusan permukaan seperti cermin melalui langkah-langkah penggerindaan dan pemolesan.

Setelah menyelesaikan serangkaian langkah pemrosesan, tepi luar wafer SiC seringkali menjadi tajam, yang meningkatkan risiko pecah saat penanganan atau penggunaan. Untuk menghindari kerapuhan tersebut, diperlukan penggerindaan tepi.

Selain proses pemotongan tradisional, metode inovatif untuk menyiapkan wafer SiC melibatkan teknologi pengikatan. Pendekatan ini memungkinkan fabrikasi wafer dengan mengikat lapisan kristal tunggal SiC tipis ke substrat heterogen (substrat pendukung).

Gambar 3 mengilustrasikan alur proses:

Pertama, lapisan delaminasi dibentuk pada kedalaman tertentu di permukaan kristal tunggal SiC melalui implantasi ion hidrogen atau teknik serupa. Kristal tunggal SiC yang telah diproses kemudian diikat ke substrat pendukung datar dan diberi tekanan serta panas. Hal ini memungkinkan transfer dan pemisahan lapisan kristal tunggal SiC ke substrat pendukung secara berhasil.

Lapisan SiC yang terpisah menjalani perawatan permukaan untuk mencapai kerataan yang dibutuhkan dan dapat digunakan kembali dalam proses pengikatan selanjutnya. Dibandingkan dengan pemotongan kristal SiC tradisional, teknik ini mengurangi kebutuhan akan material yang mahal. Meskipun tantangan teknis masih ada, penelitian dan pengembangan terus dilakukan secara aktif untuk memungkinkan produksi wafer dengan biaya lebih rendah.

Mengingat kekerasan dan stabilitas kimia SiC yang tinggi—yang membuatnya tahan terhadap reaksi pada suhu ruangan—pemolesan mekanis diperlukan untuk menghilangkan lubang-lubang kecil akibat penggerindaan, mengurangi kerusakan permukaan, menghilangkan goresan, lubang-lubang kecil, dan cacat seperti kulit jeruk, menurunkan kekasaran permukaan, meningkatkan kerataan, dan meningkatkan kualitas permukaan.

Untuk mendapatkan permukaan yang dipoles dengan kualitas tinggi, perlu dilakukan hal-hal berikut:

Sesuaikan jenis bahan abrasif,

Mengurangi ukuran partikel,

Optimalkan parameter proses,

Pilih bahan dan bantalan pemoles dengan kekerasan yang memadai.

Gambar 7 menunjukkan bahwa pemolesan dua sisi dengan abrasif 1 μm dapat mengontrol kerataan dan variasi ketebalan dalam batas 10 μm, dan mengurangi kekasaran permukaan hingga sekitar 0,25 nm.

3.2 Pemolesan Mekanik Kimia (CMP)

Pemolesan Mekanik Kimia (CMP) menggabungkan abrasi partikel ultrahalus dengan etsa kimia untuk membentuk permukaan yang halus dan rata pada material yang diproses. Prinsip dasarnya adalah:

Reaksi kimia terjadi antara bubuk pemoles dan permukaan wafer, membentuk lapisan lunak.

Gesekan antara partikel abrasif dan lapisan lunak akan menghilangkan material tersebut.

Keunggulan CMP:

Mengatasi kekurangan dari pemolesan mekanis atau kimiawi semata,

Mencapai planarisasi baik secara global maupun lokal,

Menghasilkan permukaan dengan kerataan tinggi dan kekasaran rendah,

Tidak meninggalkan kerusakan pada permukaan maupun di bawah permukaan tanah.

Secara terperinci:

Pelat tersebut bergerak relatif terhadap bantalan pemoles di bawah tekanan.

Bahan abrasif skala nanometer (misalnya, SiO₂) dalam bubur berperan dalam proses geser, melemahkan ikatan kovalen Si–C dan meningkatkan penghilangan material.

Jenis-jenis Teknik CMP:

Pemolesan Abrasif Bebas: Bahan abrasif (misalnya, SiO₂) disuspensikan dalam bubur. Penghilangan material terjadi melalui abrasi tiga benda (wafer–bantalan–abrasif). Ukuran abrasif (biasanya 60–200 nm), pH, dan suhu harus dikontrol secara tepat untuk meningkatkan keseragaman.

Pemolesan Abrasif Tetap: Bahan abrasif tertanam di dalam bantalan pemoles untuk mencegah penggumpalan—ideal untuk pemrosesan presisi tinggi.

Pembersihan Pasca Pemolesan:

Pelat yang telah dipoles menjalani proses berikut:

Pembersihan kimia (termasuk air deionisasi dan penghilangan residu lumpur),

Pembilasan dengan air deionisasi, dan

Pengeringan nitrogen panas

untuk meminimalkan kontaminan permukaan.

Kualitas dan Kinerja Permukaan

Kekasaran permukaan dapat dikurangi hingga Ra < 0,3 nm, memenuhi persyaratan epitaksi semikonduktor.

Perataan Global: Kombinasi pelunakan kimia dan penghilangan mekanis mengurangi goresan dan pengikisan yang tidak merata, mengungguli metode mekanis atau kimia murni.

Efisiensi Tinggi: Cocok untuk material keras dan rapuh seperti SiC, dengan laju penghilangan material di atas 200 nm/jam.

Teknik Pemolesan Baru Lainnya

Selain CMP, metode alternatif lainnya juga telah diusulkan, termasuk:

Pemolesan elektrokimia, pemolesan atau pengikisan dengan bantuan katalis, dan

Pemolesan tribokimia.

Namun, metode-metode ini masih dalam tahap penelitian dan perkembangannya lambat karena sifat material SiC yang menantang.

Pada akhirnya, pemrosesan SiC adalah proses bertahap untuk mengurangi kelengkungan dan kekasaran guna meningkatkan kualitas permukaan, di mana kontrol kerataan dan kekasaran sangat penting di setiap tahapnya.

Teknologi Pengolahan

Selama tahap penggilingan wafer, bubuk intan dengan ukuran partikel berbeda digunakan untuk menggiling wafer hingga mencapai kerataan dan kekasaran permukaan yang dibutuhkan. Selanjutnya dilakukan pemolesan, menggunakan teknik pemolesan mekanis dan pemolesan mekanis kimia (CMP) untuk menghasilkan wafer silikon karbida (SiC) yang dipoles tanpa kerusakan.

Setelah dipoles, wafer SiC menjalani inspeksi kualitas yang ketat menggunakan instrumen seperti mikroskop optik dan difraktometer sinar-X untuk memastikan semua parameter teknis memenuhi standar yang dibutuhkan. Terakhir, wafer yang telah dipoles dibersihkan menggunakan bahan pembersih khusus dan air ultra murni untuk menghilangkan kontaminan permukaan. Kemudian dikeringkan menggunakan gas nitrogen dengan kemurnian sangat tinggi dan pengering putar, sehingga seluruh proses produksi selesai.

Setelah bertahun-tahun berusaha, kemajuan signifikan telah dicapai dalam pengolahan kristal tunggal SiC di Tiongkok. Di dalam negeri, kristal tunggal 4H-SiC semi-isolasi yang didoping berukuran 100 mm telah berhasil dikembangkan, dan kristal tunggal 4H-SiC tipe-n dan 6H-SiC kini dapat diproduksi secara massal. Perusahaan seperti TankeBlue dan TYST telah mengembangkan kristal tunggal SiC berukuran 150 mm.

Dalam hal teknologi pemrosesan wafer SiC, lembaga-lembaga dalam negeri telah secara awal mengeksplorasi kondisi dan jalur proses untuk pemotongan, penggerindaan, dan pemolesan kristal. Mereka mampu menghasilkan sampel yang pada dasarnya memenuhi persyaratan untuk fabrikasi perangkat. Namun, dibandingkan dengan standar internasional, kualitas pemrosesan permukaan wafer domestik masih tertinggal jauh. Ada beberapa masalah:

Teori dan teknologi pemrosesan SiC internasional dilindungi dengan ketat dan tidak mudah diakses.

Terdapat kekurangan penelitian teoretis dan dukungan untuk peningkatan dan optimalisasi proses.

Biaya impor peralatan dan komponen dari luar negeri sangat tinggi.

Penelitian dalam negeri mengenai desain peralatan, presisi pemrosesan, dan material masih menunjukkan kesenjangan yang signifikan dibandingkan dengan tingkat internasional.

Saat ini, sebagian besar instrumen presisi tinggi yang digunakan di Tiongkok diimpor. Peralatan dan metodologi pengujian juga memerlukan perbaikan lebih lanjut.

Seiring dengan perkembangan semikonduktor generasi ketiga yang berkelanjutan, diameter substrat kristal tunggal SiC terus meningkat, seiring dengan meningkatnya persyaratan kualitas pemrosesan permukaan. Teknologi pemrosesan wafer telah menjadi salah satu langkah yang paling menantang secara teknis setelah pertumbuhan kristal tunggal SiC.

Untuk mengatasi tantangan yang ada dalam pemrosesan, sangat penting untuk mempelajari lebih lanjut mekanisme yang terlibat dalam pemotongan, penggerindaan, dan pemolesan, serta untuk mengeksplorasi metode dan jalur proses yang sesuai untuk pembuatan wafer SiC. Pada saat yang sama, perlu untuk belajar dari teknologi pemrosesan internasional yang canggih dan mengadopsi teknik dan peralatan pemesinan ultra-presisi mutakhir untuk menghasilkan substrat berkualitas tinggi.

Seiring bertambahnya ukuran wafer, kesulitan pertumbuhan dan pemrosesan kristal juga meningkat. Namun, efisiensi manufaktur perangkat hilir meningkat secara signifikan, dan biaya per unit berkurang. Saat ini, pemasok wafer SiC utama di dunia menawarkan produk dengan diameter mulai dari 4 inci hingga 6 inci. Perusahaan terkemuka seperti Cree dan II-VI telah mulai merencanakan pengembangan lini produksi wafer SiC 8 inci.