Silicon carbide (SiC) không chỉ là một công nghệ quan trọng đối với an ninh quốc phòng mà còn là một vật liệu then chốt thúc đẩy sự tiến bộ trong ngành công nghiệp ô tô và năng lượng toàn cầu. Trong chuỗi quy trình xử lý tinh thể đơn SiC, việc cắt phôi đã phát triển thành các tấm wafer là bước đầu tiên, và hiệu suất của giai đoạn cắt này quyết định hiệu quả và chất lượng của các quy trình làm mỏng và đánh bóng tiếp theo. Tuy nhiên, việc cắt wafer thường gây ra các vết nứt trên bề mặt và dưới bề mặt, làm tăng đáng kể tỷ lệ vỡ wafer và tổng chi phí sản xuất. Do đó, việc kiểm soát hư hỏng do nứt bề mặt trong quá trình cắt là rất quan trọng đối với sự tiến bộ của việc sản xuất thiết bị SiC.
Hiện tại, việc cắt phôi SiC phải đối mặt với hai thách thức chính:
Tổn thất vật liệu cao trong quá trình cưa dây đa sợi truyền thống
SiC là một vật liệu cực kỳ cứng và giòn, khiến cho việc cắt và đánh bóng trở nên rất khó khăn. Việc cưa dây đa sợi thông thường thường dẫn đến cong vênh, biến dạng và nứt nghiêm trọng trong quá trình xử lý, dẫn đến tổn thất vật liệu đáng kể. Theo dữ liệu của Infineon, theo phương pháp cưa dây kim cương mài mòn cố định qua lại truyền thống, tỷ lệ sử dụng vật liệu trong quá trình cắt chỉ khoảng 50%. Sau khi mài và đánh bóng tiếp theo, tổn thất tích lũy có thể lên tới 75% (khoảng 250 µm trên mỗi wafer), chỉ để lại một phần có thể sử dụng rất hạn chế.
Chu kỳ xử lý dài và thông lượng thấp
Dữ liệu sản xuất quốc tế cho thấy rằng với hoạt động liên tục 24 giờ, việc sản xuất 10.000 wafer có thể mất khoảng 273 ngày. Để đáp ứng nhu cầu thị trường, cần một lượng lớn thiết bị cưa dây và vật tư tiêu hao. Hơn nữa, việc cưa dây đa sợi gây ra độ nhám bề mặt/giao diện cao và gây ra các vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng như bụi và nước thải.
Để giải quyết những thách thức quan trọng này, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Xiangqian Xiu tại Đại học Nam Kinh đã phát triển thiết bị cắt laser SiC quy mô lớn. Công nghệ tiên tiến này áp dụng phương pháp cắt laser thay vì cưa dây, giảm đáng kể tổn thất vật liệu và tăng cường hiệu quả sản xuất. Ví dụ, bằng cách sử dụng một phôi SiC 20 mm duy nhất, 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 được cắt bằng laser thể hiện các đặc tính hình học vượt trội, với độ dày của một wafer giảm xuống chỉ còn 200 µm, giúp tăng sản lượng wafer hơn nữa.
Lợi thế cạnh tranh
Dự án đã hoàn thành thành công việc phát triển một hệ thống cắt laser nguyên mẫu cỡ lớn, đạt được việc cắt và làm mỏng các wafer SiC bán cách điện 4–6 inch, cũng như các phôi SiC dẫn điện 6 inch. Việc xác nhận để cắt phôi SiC 8 inch hiện đang được tiến hành. Thiết bị này mang lại nhiều lợi thế, bao gồm thời gian cắt ngắn hơn, sản lượng wafer hàng năm cao hơn và tổn thất vật liệu trên mỗi wafer thấp hơn, với việc cải thiện tổng thể năng suất sản xuất vượt quá 50%.
Triển vọng thị trường
Thiết bị cắt laser SiC quy mô lớn dự kiến sẽ trở thành công cụ cốt lõi cho việc xử lý phôi SiC 8 inch trong tương lai. Hiện tại, các thiết bị như vậy phụ thuộc nhiều vào hàng nhập khẩu từ Nhật Bản, không chỉ đắt tiền mà còn phải tuân theo các hạn chế xuất khẩu. Nhu cầu trong nước về thiết bị cắt và làm mỏng bằng laser SiC vượt quá 1.000 chiếc, nhưng chưa có giải pháp nội địa trưởng thành nào được bán trên thị trường. Do đó, thiết bị cắt laser SiC quy mô lớn do Đại học Nam Kinh phát triển có tiềm năng thị trường và giá trị kinh tế to lớn.
Ngoài các ứng dụng SiC, hệ thống cắt laser này còn có thể được áp dụng cho các vật liệu tiên tiến khác như gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga₂O₃) và kim cương, mở rộng triển vọng ứng dụng công nghiệp của nó.
Silicon carbide (SiC) không chỉ là một công nghệ quan trọng đối với an ninh quốc phòng mà còn là một vật liệu then chốt thúc đẩy sự tiến bộ trong ngành công nghiệp ô tô và năng lượng toàn cầu. Trong chuỗi quy trình xử lý tinh thể đơn SiC, việc cắt phôi đã phát triển thành các tấm wafer là bước đầu tiên, và hiệu suất của giai đoạn cắt này quyết định hiệu quả và chất lượng của các quy trình làm mỏng và đánh bóng tiếp theo. Tuy nhiên, việc cắt wafer thường gây ra các vết nứt trên bề mặt và dưới bề mặt, làm tăng đáng kể tỷ lệ vỡ wafer và tổng chi phí sản xuất. Do đó, việc kiểm soát hư hỏng do nứt bề mặt trong quá trình cắt là rất quan trọng đối với sự tiến bộ của việc sản xuất thiết bị SiC.
Hiện tại, việc cắt phôi SiC phải đối mặt với hai thách thức chính:
Tổn thất vật liệu cao trong quá trình cưa dây đa sợi truyền thống
SiC là một vật liệu cực kỳ cứng và giòn, khiến cho việc cắt và đánh bóng trở nên rất khó khăn. Việc cưa dây đa sợi thông thường thường dẫn đến cong vênh, biến dạng và nứt nghiêm trọng trong quá trình xử lý, dẫn đến tổn thất vật liệu đáng kể. Theo dữ liệu của Infineon, theo phương pháp cưa dây kim cương mài mòn cố định qua lại truyền thống, tỷ lệ sử dụng vật liệu trong quá trình cắt chỉ khoảng 50%. Sau khi mài và đánh bóng tiếp theo, tổn thất tích lũy có thể lên tới 75% (khoảng 250 µm trên mỗi wafer), chỉ để lại một phần có thể sử dụng rất hạn chế.
Chu kỳ xử lý dài và thông lượng thấp
Dữ liệu sản xuất quốc tế cho thấy rằng với hoạt động liên tục 24 giờ, việc sản xuất 10.000 wafer có thể mất khoảng 273 ngày. Để đáp ứng nhu cầu thị trường, cần một lượng lớn thiết bị cưa dây và vật tư tiêu hao. Hơn nữa, việc cưa dây đa sợi gây ra độ nhám bề mặt/giao diện cao và gây ra các vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng như bụi và nước thải.
Để giải quyết những thách thức quan trọng này, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Xiangqian Xiu tại Đại học Nam Kinh đã phát triển thiết bị cắt laser SiC quy mô lớn. Công nghệ tiên tiến này áp dụng phương pháp cắt laser thay vì cưa dây, giảm đáng kể tổn thất vật liệu và tăng cường hiệu quả sản xuất. Ví dụ, bằng cách sử dụng một phôi SiC 20 mm duy nhất, 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 được cắt bằng laser thể hiện các đặc tính hình học vượt trội, với độ dày của một wafer giảm xuống chỉ còn 200 µm, giúp tăng sản lượng wafer hơn nữa.
Lợi thế cạnh tranh
Dự án đã hoàn thành thành công việc phát triển một hệ thống cắt laser nguyên mẫu cỡ lớn, đạt được việc cắt và làm mỏng các wafer SiC bán cách điện 4–6 inch, cũng như các phôi SiC dẫn điện 6 inch. Việc xác nhận để cắt phôi SiC 8 inch hiện đang được tiến hành. Thiết bị này mang lại nhiều lợi thế, bao gồm thời gian cắt ngắn hơn, sản lượng wafer hàng năm cao hơn và tổn thất vật liệu trên mỗi wafer thấp hơn, với việc cải thiện tổng thể năng suất sản xuất vượt quá 50%.
Triển vọng thị trường
Thiết bị cắt laser SiC quy mô lớn dự kiến sẽ trở thành công cụ cốt lõi cho việc xử lý phôi SiC 8 inch trong tương lai. Hiện tại, các thiết bị như vậy phụ thuộc nhiều vào hàng nhập khẩu từ Nhật Bản, không chỉ đắt tiền mà còn phải tuân theo các hạn chế xuất khẩu. Nhu cầu trong nước về thiết bị cắt và làm mỏng bằng laser SiC vượt quá 1.000 chiếc, nhưng chưa có giải pháp nội địa trưởng thành nào được bán trên thị trường. Do đó, thiết bị cắt laser SiC quy mô lớn do Đại học Nam Kinh phát triển có tiềm năng thị trường và giá trị kinh tế to lớn.
Ngoài các ứng dụng SiC, hệ thống cắt laser này còn có thể được áp dụng cho các vật liệu tiên tiến khác như gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga₂O₃) và kim cương, mở rộng triển vọng ứng dụng công nghiệp của nó.
