Status dan Tren Saat Ini Teknologi Pemrosesan Wafer SiC

Sebagai bahan substrat semikonduktor generasi ketiga,silikon karbida (SiC)Kristal tunggal memiliki prospek aplikasi yang luas dalam manufaktur perangkat elektronik frekuensi tinggi dan daya tinggi. Teknologi pemrosesan SiC memainkan peran penting dalam produksi material substrat berkualitas tinggi. Artikel ini memperkenalkan perkembangan terkini penelitian teknologi pemrosesan SiC di Tiongkok dan mancanegara, menganalisis dan membandingkan mekanisme proses pemotongan, penggilingan, dan pemolesan, serta tren kerataan dan kekasaran permukaan wafer. Artikel ini juga menyoroti tantangan yang ada dalam pemrosesan wafer SiC dan membahas arah pengembangan di masa mendatang.

Silikon karbida (SiC)Wafer merupakan material dasar yang krusial bagi perangkat semikonduktor generasi ketiga dan memiliki kepentingan serta potensi pasar yang signifikan di bidang-bidang seperti mikroelektronika, elektronika daya, dan pencahayaan semikonduktor. Karena kekerasan dan stabilitas kimianya yang sangat tinggi, waferKristal tunggal SiCMetode pemrosesan semikonduktor tradisional tidak sepenuhnya cocok untuk pemesinannya. Meskipun banyak perusahaan internasional telah melakukan penelitian ekstensif tentang pemrosesan kristal tunggal SiC yang secara teknis menuntut, teknologi yang relevan dijaga kerahasiaannya.

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 terkendala oleh keterbatasan teknologi pemrosesan dan kualitas wafer. Oleh karena itu, penting bagi Tiongkok untuk meningkatkan kemampuan pemrosesan SiC guna meningkatkan kualitas substrat kristal tunggal SiC dan mencapai aplikasi praktis serta produksi massal.

Langkah-langkah pemrosesan utama meliputi: pemotongan → penggilingan kasar → penggilingan halus → pemolesan kasar (pemolesan mekanis) → pemolesan halus (pemolesan mekanis kimia, CMP) → pemeriksaan.

Pemotongan Kristal Tunggal SiC

Dalam pengolahanKristal tunggal SiCPemotongan merupakan langkah pertama dan sangat krusial. Lengkungan, lengkungan, dan variasi ketebalan total (TTV) wafer yang dihasilkan dari proses pemotongan menentukan kualitas dan efektivitas operasi penggilingan dan pemolesan selanjutnya.

Alat potong dapat dikategorikan berdasarkan bentuknya menjadi gergaji diameter dalam (ID) berlian, gergaji 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 tanpa ujung (loop). Berdasarkan mekanisme pemotongan bahan abrasifnya, teknik pemotongan dengan gergaji kawat dapat dibagi menjadi dua jenis: penggergajian kawat abrasif bebas dan penggergajian kawat berlian abrasif tetap.

1.1 Metode Pemotongan Tradisional

Kedalaman pemotongan gergaji diameter luar (OD) dibatasi oleh diameter mata gergaji. Selama proses pemotongan, mata gergaji rentan terhadap getaran dan deviasi, sehingga menghasilkan tingkat kebisingan yang tinggi dan kekakuan yang rendah. Gergaji diameter dalam (ID) menggunakan abrasif berlian pada lingkar dalam mata gergaji sebagai ujung potong. Mata gergaji ini dapat setipis 0,2 mm. Selama pemotongan, mata gergaji ID berputar dengan kecepatan tinggi sementara material yang akan dipotong bergerak secara radial relatif terhadap pusat mata gergaji, sehingga pemotongan dapat dilakukan melalui gerakan relatif ini.

Gergaji pita berlian memerlukan penghentian dan pembalikan yang sering, dan kecepatan potongnya 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 beberapa irisan tidak memungkinkan. Alat gergaji tradisional ini dibatasi oleh kekakuan alasnya dan tidak dapat membuat potongan melengkung atau memiliki radius putar yang terbatas. Alat ini hanya mampu memotong lurus, menghasilkan kerf yang lebar, memiliki tingkat hasil yang rendah, dan karenanya tidak cocok untuk memotongKristal SiC.

1.2 Gergaji Kawat Abrasif Gratis Pemotongan Multi-Kawat

Teknik pemotongan dengan gergaji kawat abrasif bebas memanfaatkan gerakan kawat yang cepat untuk membawa bubur ke dalam kerf, sehingga memungkinkan pembuangan material. Teknik ini terutama menggunakan struktur resiprokal dan saat ini merupakan metode yang matang dan banyak digunakan untuk pemotongan multi-wafer silikon kristal tunggal yang efisien. Namun, penerapannya dalam pemotongan SiC belum banyak dipelajari.

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

Performa pemotongan sangat dipengaruhi oleh bubur; ketajaman dan konsentrasi bubur perlu dijaga. Pengolahan dan daur ulang bubur membutuhkan biaya yang mahal. Saat memotong ingot berukuran besar, bahan abrasif kesulitan menembus kerf yang dalam dan panjang. Pada ukuran butiran abrasif yang sama, kehilangan kerf lebih besar dibandingkan dengan 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 elektroplating, sintering, atau pengikatan resin. Gergaji kawat berlian elektroplating menawarkan keunggulan seperti kerf 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 resiprokal 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 proses pemotongan, lengkungan wafer meningkat. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya luas kontak antara kawat dan material seiring kawat bergerak ke bawah, sehingga meningkatkan resistansi dan getaran kawat. Ketika kawat mencapai diameter maksimum wafer, getaran mencapai puncaknya, sehingga menghasilkan lengkungan maksimum.

Pada tahap pemotongan selanjutnya, akibat kawat yang mengalami percepatan, pergerakan dengan kecepatan stabil, perlambatan, penghentian, dan pembalikan, serta kesulitan dalam membersihkan serpihan dengan pendingin, kualitas permukaan wafer menurun. Pembalikan dan fluktuasi kecepatan kawat, serta partikel berlian besar pada kawat, merupakan penyebab utama goresan permukaan.

1.4 Teknologi Pemisahan Dingin

Pemisahan dingin kristal tunggal SiC merupakan proses inovatif di bidang pemrosesan material semikonduktor generasi ketiga. Dalam beberapa tahun terakhir, proses ini telah menarik perhatian signifikan karena keunggulannya yang signifikan 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 pemrosesan, orientasi kristal ingot SiC harus ditentukan. Ingot kemudian dibentuk menjadi struktur silinder (umumnya disebut puck SiC) melalui penggilingan diameter luar. Langkah ini menjadi dasar untuk pemotongan dan pengirisan terarah selanjutnya.

Pemotongan Multi-Kawat: Metode ini menggunakan partikel abrasif yang dikombinasikan dengan kawat pemotong untuk mengiris ingot silinder. Namun, metode ini memiliki masalah kehilangan kerf dan ketidakrataan permukaan yang signifikan.

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

Optimasi Proses Pemotongan

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

Electrical Discharge Machining (EDM) dan Teknologi Pemisahan Dingin: Metode ini menyediakan solusi beragam yang disesuaikan dengan persyaratan spesifik.

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

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

Laser Slicing: Teknik ini mengurangi kehilangan keratan dan memperpendek siklus pemrosesan, meskipun zona yang terpengaruh termal tetap menjadi tantangan.

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

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

Seiring dengan percepatan produksi peralatan rumah tangga, teknologi ini diperkirakan akan menjadi solusi utama untuk pemrosesan substrat SiC. Dengan meningkatnya diameter material semikonduktor, metode pemotongan tradisional telah menjadi usang. Di antara pilihan yang ada saat ini, teknologi gergaji kawat berlian resiprokal menunjukkan prospek aplikasi yang paling menjanjikan. Pemotongan laser, sebagai teknik yang sedang berkembang, menawarkan keuntungan yang signifikan dan diperkirakan akan menjadi metode pemotongan utama di masa mendatang.

2.Penggilingan Kristal Tunggal SiC

Sebagai perwakilan semikonduktor generasi ketiga, silikon karbida (SiC) menawarkan keunggulan signifikan karena celah pita yang lebar, medan listrik tembus yang tinggi, kecepatan drift elektron saturasi yang tinggi, dan konduktivitas termal yang sangat baik. Sifat-sifat ini menjadikan SiC sangat menguntungkan dalam aplikasi tegangan tinggi (misalnya, lingkungan 1200V). Teknologi pemrosesan 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 proses penggilingan adalah untuk menghilangkan bekas gergaji permukaan dan lapisan kerusakan yang disebabkan selama pemotongan, serta untuk memperbaiki deformasi yang disebabkan oleh proses pemotongan. Mengingat kekerasan SiC yang sangat tinggi, penggilingan memerlukan penggunaan bahan abrasif keras seperti boron karbida atau intan. Penggilingan konvensional biasanya dibagi menjadi penggilingan kasar dan penggilingan 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 ditinggalkan oleh penggilingan kasar, mengurangi kekasaran permukaan, dan meningkatkan kualitas permukaan.

Banyak produsen substrat SiC domestik menggunakan proses produksi berskala besar. Metode yang umum digunakan adalah penggilingan dua sisi menggunakan pelat besi cor dan bubur berlian monokristalin. Proses ini secara efektif menghilangkan lapisan kerusakan akibat penggergajian 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 bersifat matte dengan kekasaran yang relatif tinggi—biasanya sekitar 50 nm—yang menuntut proses pemolesan selanjutnya yang lebih tinggi.

2.2 Penggilingan Satu Sisi

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

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

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

2.3 Teknologi Pengenceran Satu Sisi

Teknologi Pengenceran Satu Sisi Berlian merupakan metode baru untuk penggilingan satu sisi. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 5 (tidak ditampilkan di sini), proses ini menggunakan pelat penggiling yang diikat dengan berlian. Wafer difiksasi melalui adsorpsi vakum, sementara wafer dan roda penggiling berlian berputar secara bersamaan. Roda penggiling bergerak ke bawah secara bertahap untuk mengencerkan wafer hingga mencapai ketebalan yang diinginkan. Setelah satu sisi selesai, wafer dibalik untuk memproses sisi lainnya.

Setelah menipis, wafer 100 mm dapat mencapai:

Busur < 5 μm

TTV < 2 μm

Kekasaran permukaan < 1 nm

Metode pemrosesan wafer tunggal ini menawarkan stabilitas tinggi, konsistensi prima, 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 penggiling atas dan bawah untuk menggiling kedua sisi substrat secara bersamaan, memastikan kualitas permukaan yang sangat baik di kedua sisi.

Selama proses ini, pelat gerinda pertama-tama memberikan tekanan pada titik tertinggi benda kerja, yang menyebabkan deformasi dan pelepasan material secara bertahap pada titik-titik tersebut. Seiring dengan meratakannya titik-titik tinggi, tekanan pada substrat secara bertahap menjadi lebih merata, 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 merata karena tekanan yang sama yang dialaminya. Hal ini menghasilkan lengkungan minimal dan kerataan yang baik.

Kekasaran permukaan wafer setelah penggilingan bergantung pada ukuran partikel abrasif—partikel yang lebih kecil menghasilkan permukaan yang lebih halus. Saat menggunakan abrasif 5 μm untuk penggilingan dua sisi, kerataan dan variasi ketebalan wafer dapat dikontrol dalam radius 5 μm. Pengukuran Atomic Force Microscopy (AFM) menunjukkan kekasaran permukaan (Rq) sekitar 100 nm, dengan lubang penggilingan sedalam 380 nm dan tanda-tanda linear yang terlihat akibat aksi abrasif.

Metode yang lebih canggih melibatkan penggilingan dua sisi menggunakan bantalan busa poliuretan yang dikombinasikan dengan bubur berlian 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 jumlah yang rendah, dan sangat mahal.

Pemolesan Kristal Tunggal SiC

Untuk mencapai permukaan poles berkualitas tinggi pada wafer silikon karbida (SiC), pemolesan harus menghilangkan lubang gerinda dan undulasi permukaan berskala nanometer sepenuhnya. Tujuannya adalah menghasilkan permukaan yang halus dan bebas cacat, tanpa kontaminasi atau degradasi, tanpa kerusakan bawah permukaan, dan tanpa tegangan permukaan sisa.

3.1 Poles Mekanis dan CMP Wafer SiC

Setelah ingot kristal tunggal SiC tumbuh, cacat permukaan mencegahnya digunakan langsung untuk pertumbuhan epitaksial. Oleh karena itu, diperlukan pemrosesan lebih lanjut. Ingot tersebut 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 penggoresan kimia; cocok untuk pemolesan presisi.

Etsa hidrogen: Memerlukan peralatan yang rumit, umumnya digunakan dalam proses HTCVD.

Pemolesan berbantuan plasma: Rumit dan jarang digunakan.

Pemolesan mekanis saja cenderung menyebabkan goresan, sementara pemolesan kimia saja dapat menyebabkan goresan 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 bahan abrasif berukuran nano dalam bubur dan aksi kimia dari agen reaktif, menghasilkan permukaan yang rata.

Bahan utama yang digunakan:

Bubur pemoles: Mengandung bahan abrasif dan reagen kimia.

Bantalan pemoles: Aus saat digunakan, mengurangi ukuran pori dan efisiensi penghantaran bubur. Pemolesan rutin, biasanya menggunakan diamond dressing, diperlukan untuk mengembalikan kekasaran.

Proses CMP yang Khas

Abrasif: bubur berlian 0,5 μm

Kekasaran permukaan target: ~0,7 nm

Poles Mekanik Kimia:

Peralatan pemoles: pemoles satu sisi AP-810

Tekanan: 200 g/cm²

Kecepatan pelat: 50 rpm

Kecepatan dudukan keramik: 38 rpm

Komposisi bubur:

SiO₂ (30 wt%, pH = 10,15)

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

Sesuaikan pH menjadi 8,5 menggunakan 5 wt% KOH dan 1 wt% HNO₃

Laju aliran bubur: 3 L/menit, disirkulasikan kembali

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

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 radiasi. Namun, sifatnya yang keras dan getas menghadirkan tantangan besar untuk proses penggilingan dan pemolesan.

Seiring dengan transisi produsen global terkemuka dari wafer 6 inci ke 8 inci, masalah seperti keretakan dan kerusakan wafer selama pemrosesan menjadi lebih umum, yang berdampak signifikan pada hasil. 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:

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

Meskipun pertumbuhan kristal tunggal SiC 8 inci telah matang, proses akhir seperti penggilingan dan pemolesan masih menghadapi hambatan, sehingga menghasilkan hasil yang rendah (hanya 40–50%).

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

Meskipun ketebalan wafer 8 inci mendekati ketebalan wafer 6 inci, wafer ini lebih rentan terhadap kerusakan selama penanganan akibat tekanan dan lengkungan.

Untuk mengurangi tekanan akibat pemotongan, lengkungan, dan keretakan, pemotongan laser semakin banyak digunakan. Namun:

Laser dengan panjang gelombang panjang menimbulkan kerusakan termal.

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

Alur Kerja Pemolesan Mekanis untuk SiC

Alur proses umum meliputi:

Pemotongan orientasi

Penggilingan kasar

Penggilingan halus

Pemolesan mekanis

Chemical Mechanical Polishing (CMP) sebagai langkah terakhir

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

(a) Keluarkan ingot SiC dari wadah peleburan;

(b) Melakukan pembentukan awal dengan menggunakan penggilingan diameter luar;

(c) Tentukan orientasi kristal menggunakan garis datar atau takik;

(d) Iris ingot menjadi lapisan tipis dengan menggunakan gergaji kawat ganda;

(e) Dapatkan permukaan halus seperti cermin melalui langkah penggilingan dan pemolesan.

Setelah serangkaian langkah pemrosesan selesai, tepi luar wafer SiC seringkali menjadi tajam, yang meningkatkan risiko terkelupas selama penanganan atau penggunaan. Untuk menghindari kerapuhan tersebut, diperlukan pengasahan 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 aliran proses:

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

Lapisan SiC yang telah dipisahkan menjalani perlakuan 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 berkembang pesat untuk memungkinkan produksi wafer berbiaya rendah.

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

Untuk mendapatkan permukaan polesan berkualitas tinggi, perlu dilakukan:

Sesuaikan jenis abrasif,

Mengurangi ukuran partikel,

Mengoptimalkan parameter proses,

Pilih bahan pemoles dan bantalan dengan kekerasan yang memadai.

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

3.2 Pemolesan Mekanik Kimia (CMP)

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

Reaksi kimia terjadi antara bubur pemoles dan permukaan wafer, membentuk lapisan lembut.

Gesekan antara partikel abrasif dan lapisan lunak menghilangkan material.

Keunggulan CMP:

Mengatasi kelemahan pemolesan mekanis atau kimia murni,

Mencapai planarisasi global dan lokal,

Menghasilkan permukaan dengan kerataan tinggi dan kekasaran rendah,

Tidak meninggalkan kerusakan pada permukaan maupun bawah permukaan.

Secara terperinci:

Wafer bergerak relatif terhadap bantalan pemoles di bawah tekanan.

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

Jenis-jenis Teknik CMP:

Pemolesan Abrasif Bebas: Bahan abrasif (misalnya, SiO₂) disuspensikan dalam bubur. Penghapusan material dilakukan melalui abrasi tiga badan (wafer–pad–abrasif). Ukuran abrasif (biasanya 60–200 nm), pH, dan suhu harus dikontrol secara presisi untuk meningkatkan keseragaman.

Poles Abrasif Tetap: Bahan abrasif ditanamkan dalam bantalan poles untuk mencegah penggumpalan—ideal untuk pemrosesan presisi tinggi.

Pembersihan Pasca Pemolesan:

Wafer yang dipoles mengalami:

Pembersihan kimia (termasuk pembuangan air DI dan residu bubur),

Pembilasan air DI, dan

Pengeringan nitrogen panas

untuk meminimalkan kontaminan permukaan.

Kualitas & Kinerja Permukaan

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

Planarisasi Global: Kombinasi pelunakan kimia dan penghilangan mekanis mengurangi goresan dan etsa yang tidak rata, mengungguli metode mekanis atau kimia murni.

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

Teknik Pemolesan Baru Lainnya

Selain CMP, metode alternatif telah diusulkan, termasuk:

Pemolesan elektrokimia, Pemolesan atau etsa berbantuan katalis, dan

Pemolesan tribokimia.

Namun, metode ini masih dalam tahap penelitian dan berkembang perlahan karena sifat material SiC yang menantang.

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

Teknologi Pengolahan

Pada tahap penggilingan wafer, bubur berlian dengan berbagai ukuran partikel digunakan untuk menggiling wafer hingga mencapai kerataan dan kekasaran permukaan yang diinginkan. Proses ini dilanjutkan dengan pemolesan, menggunakan teknik pemolesan mekanis dan kimia (CMP) untuk menghasilkan wafer silikon karbida (SiC) poles yang bebas kerusakan.

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

Setelah bertahun-tahun berupaya, kemajuan signifikan telah dicapai dalam pemrosesan kristal tunggal SiC di Tiongkok. Di dalam negeri, kristal tunggal 4H-SiC semi-isolasi dengan doping 100 mm telah berhasil dikembangkan, dan kristal tunggal 4H-SiC dan 6H-SiC tipe-n kini dapat diproduksi secara batch. Perusahaan seperti TankeBlue dan TYST telah mengembangkan kristal tunggal SiC 150 mm.

Dalam hal teknologi pemrosesan wafer SiC, lembaga-lembaga domestik telah mengeksplorasi kondisi dan rute proses untuk pemotongan, penggilingan, 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 jauh tertinggal. Terdapat beberapa masalah:

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

Kurangnya penelitian teoritis dan dukungan untuk perbaikan dan pengoptimalan proses.

Biaya impor peralatan dan komponen asing 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 masih diimpor. Peralatan dan metodologi pengujian juga perlu ditingkatkan lebih lanjut.

Dengan terus berkembangnya semikonduktor generasi ketiga, 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 pemrosesan yang ada, penting untuk mempelajari lebih lanjut mekanisme yang terlibat dalam pemotongan, penggilingan, dan pemolesan, serta mengeksplorasi metode dan rute proses yang sesuai untuk pembuatan wafer SiC. Pada saat yang sama, penting untuk belajar dari teknologi pemrosesan internasional yang canggih dan mengadopsi teknik serta peralatan permesinan 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 pun berkurang. Saat ini, pemasok wafer SiC utama di seluruh dunia menawarkan produk dengan diameter mulai dari 4 inci hingga 6 inci. Perusahaan-perusahaan terkemuka seperti Cree dan II-VI telah mulai merencanakan pengembangan lini produksi wafer SiC 8 inci.