Silicon carbide (SiC) không chỉ là một vật liệu chiến lược quan trọng đối với quốc phòng quốc gia, mà còn là công nghệ nền tảng cho ngành công nghiệp ô tô và năng lượng toàn cầu. Bước đầu tiên trong sản xuất wafer SiC là cắt các thỏi SiC được nuôi cấy khối lớn thành các wafer mỏng. Chất lượng của quá trình cắt này quyết định trực tiếp hiệu quả và sản lượng của các bước làm mỏng và đánh bóng tiếp theo. Tuy nhiên, các phương pháp cắt thông thường thường gây ra các vết nứt trên bề mặt và dưới bề mặt wafer, làm tăng tỷ lệ vỡ wafer và đẩy chi phí sản xuất lên cao. Do đó, việc giảm thiểu hư hỏng bề mặt trong quá trình cắt là rất quan trọng để thúc đẩy các công nghệ sản xuất thiết bị SiC.
Hiện tại, việc cắt wafer SiC phải đối mặt với hai thách thức chính:
Mất vật liệu cao với cưa nhiều dây truyền thống.
Do độ cứng và độ giòn cực cao của SiC, việc cưa và đánh bóng đòi hỏi kỹ thuật cao, thường dẫn đến cong vênh wafer nghiêm trọng, nứt và lãng phí vật liệu quá mức. Theo dữ liệu của Infineon, các phương pháp cưa dây kim cương qua lại truyền thống chỉ đạt được ~50% khả năng sử dụng vật liệu ở giai đoạn cắt. Sau khi mài và đánh bóng, sản lượng hiệu quả có thể giảm tới 75% (với tổng tổn thất trên mỗi wafer là ~250 μm), chỉ để lại một tỷ lệ tương đối thấp các wafer có thể sử dụng.
Chu kỳ xử lý dài và thông lượng thấp.
Thống kê sản xuất quốc tế cho thấy rằng trong điều kiện hoạt động liên tục 24 giờ, việc sản xuất 10.000 wafer cần khoảng 273 ngày. Do đó, việc đáp ứng nhu cầu thị trường bằng công nghệ cưa dây đòi hỏi một số lượng lớn máy móc và vật tư tiêu hao. Hơn nữa, phương pháp này dẫn đến độ nhám bề mặt kém, ô nhiễm đáng kể và gánh nặng môi trường nặng nề (bụi, nước thải, v.v.).
Để giải quyết những thách thức này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Xiu Xiangqian tại Đại học Nam Kinh dẫn đầu đã phát triển thiết bị cắt laser SiC đường kính lớn. Bằng cách áp dụng các kỹ thuật cắt laser tiên tiến, hệ thống làm giảm đáng kể sự mất mát vật liệu đồng thời cải thiện đáng kể thông lượng. Ví dụ, khi xử lý một thỏi SiC 20 mm, số lượng wafer được sản xuất bằng phương pháp cắt laser nhiều hơn gấp đôi so với phương pháp cưa dây thông thường. Ngoài ra, các wafer cắt bằng laser thể hiện các đặc tính hình học vượt trội và độ dày wafer có thể giảm xuống chỉ còn 200 μm, giúp tăng sản lượng trên mỗi thỏi.
Lợi thế cạnh tranh của dự án này nằm ở sự trưởng thành về công nghệ của nó. Một nguyên mẫu của thiết bị cắt laser quy mô lớn đã được phát triển và chứng minh thành công trong:
Cắt và làm mỏng wafer SiC bán cách điện 4–6 inch
Cắt thỏi SiC dẫn điện 6 inch
Xác nhận đang diễn ra cho cắt thỏi SiC 8 inch
Hệ thống này cung cấp chu kỳ cắt ngắn hơn, sản lượng wafer hàng năm cao hơn và giảm tổn thất vật liệu trên mỗi wafer, đạt được hơn cải thiện 50% về sản lượng so với các phương pháp thông thường.
Từ góc độ thị trường, thiết bị cắt laser SiC đường kính lớn được dự kiến sẽ trở thành công nghệ cốt lõi cho sản xuất wafer SiC 8 inch. Hiện tại, thiết bị như vậy gần như chỉ được nhập khẩu từ Nhật Bản, với chi phí cao và các hạn chế xuất khẩu tiềm ẩn. Nhu cầu trong nước về thiết bị cắt/làm mỏng bằng laser dự kiến sẽ vượt quá 1.000 đơn vị, nhưng hiện tại không có nhà cung cấp nội địa trưởng thành nào. Do đó, hệ thống do Đại học Nam Kinh phát triển có tiềm năng thị trường đáng kể và giá trị kinh tế to lớn.
Ngoài SiC, nền tảng cắt laser này cũng có thể được mở rộng sang các vật liệu bán dẫn và quang học tiên tiến khác, bao gồm gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga₂O₃) và kim cương tổng hợp, giúp mở rộng hơn nữa ứng dụng công nghiệp của nó.
Silicon carbide (SiC) không chỉ là một vật liệu chiến lược quan trọng đối với quốc phòng quốc gia, mà còn là công nghệ nền tảng cho ngành công nghiệp ô tô và năng lượng toàn cầu. Bước đầu tiên trong sản xuất wafer SiC là cắt các thỏi SiC được nuôi cấy khối lớn thành các wafer mỏng. Chất lượng của quá trình cắt này quyết định trực tiếp hiệu quả và sản lượng của các bước làm mỏng và đánh bóng tiếp theo. Tuy nhiên, các phương pháp cắt thông thường thường gây ra các vết nứt trên bề mặt và dưới bề mặt wafer, làm tăng tỷ lệ vỡ wafer và đẩy chi phí sản xuất lên cao. Do đó, việc giảm thiểu hư hỏng bề mặt trong quá trình cắt là rất quan trọng để thúc đẩy các công nghệ sản xuất thiết bị SiC.
Hiện tại, việc cắt wafer SiC phải đối mặt với hai thách thức chính:
Mất vật liệu cao với cưa nhiều dây truyền thống.
Do độ cứng và độ giòn cực cao của SiC, việc cưa và đánh bóng đòi hỏi kỹ thuật cao, thường dẫn đến cong vênh wafer nghiêm trọng, nứt và lãng phí vật liệu quá mức. Theo dữ liệu của Infineon, các phương pháp cưa dây kim cương qua lại truyền thống chỉ đạt được ~50% khả năng sử dụng vật liệu ở giai đoạn cắt. Sau khi mài và đánh bóng, sản lượng hiệu quả có thể giảm tới 75% (với tổng tổn thất trên mỗi wafer là ~250 μm), chỉ để lại một tỷ lệ tương đối thấp các wafer có thể sử dụng.
Chu kỳ xử lý dài và thông lượng thấp.
Thống kê sản xuất quốc tế cho thấy rằng trong điều kiện hoạt động liên tục 24 giờ, việc sản xuất 10.000 wafer cần khoảng 273 ngày. Do đó, việc đáp ứng nhu cầu thị trường bằng công nghệ cưa dây đòi hỏi một số lượng lớn máy móc và vật tư tiêu hao. Hơn nữa, phương pháp này dẫn đến độ nhám bề mặt kém, ô nhiễm đáng kể và gánh nặng môi trường nặng nề (bụi, nước thải, v.v.).
Để giải quyết những thách thức này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Xiu Xiangqian tại Đại học Nam Kinh dẫn đầu đã phát triển thiết bị cắt laser SiC đường kính lớn. Bằng cách áp dụng các kỹ thuật cắt laser tiên tiến, hệ thống làm giảm đáng kể sự mất mát vật liệu đồng thời cải thiện đáng kể thông lượng. Ví dụ, khi xử lý một thỏi SiC 20 mm, số lượng wafer được sản xuất bằng phương pháp cắt laser nhiều hơn gấp đôi so với phương pháp cưa dây thông thường. Ngoài ra, các wafer cắt bằng laser thể hiện các đặc tính hình học vượt trội và độ dày wafer có thể giảm xuống chỉ còn 200 μm, giúp tăng sản lượng trên mỗi thỏi.
Lợi thế cạnh tranh của dự án này nằm ở sự trưởng thành về công nghệ của nó. Một nguyên mẫu của thiết bị cắt laser quy mô lớn đã được phát triển và chứng minh thành công trong:
Cắt và làm mỏng wafer SiC bán cách điện 4–6 inch
Cắt thỏi SiC dẫn điện 6 inch
Xác nhận đang diễn ra cho cắt thỏi SiC 8 inch
Hệ thống này cung cấp chu kỳ cắt ngắn hơn, sản lượng wafer hàng năm cao hơn và giảm tổn thất vật liệu trên mỗi wafer, đạt được hơn cải thiện 50% về sản lượng so với các phương pháp thông thường.
Từ góc độ thị trường, thiết bị cắt laser SiC đường kính lớn được dự kiến sẽ trở thành công nghệ cốt lõi cho sản xuất wafer SiC 8 inch. Hiện tại, thiết bị như vậy gần như chỉ được nhập khẩu từ Nhật Bản, với chi phí cao và các hạn chế xuất khẩu tiềm ẩn. Nhu cầu trong nước về thiết bị cắt/làm mỏng bằng laser dự kiến sẽ vượt quá 1.000 đơn vị, nhưng hiện tại không có nhà cung cấp nội địa trưởng thành nào. Do đó, hệ thống do Đại học Nam Kinh phát triển có tiềm năng thị trường đáng kể và giá trị kinh tế to lớn.
Ngoài SiC, nền tảng cắt laser này cũng có thể được mở rộng sang các vật liệu bán dẫn và quang học tiên tiến khác, bao gồm gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga₂O₃) và kim cương tổng hợp, giúp mở rộng hơn nữa ứng dụng công nghiệp của nó.
