简化SiC衬底生产
2024/2/19 9:32:36 材料来源：ACT化合物半导体
作者：Jeff Gum，哈挺（Hardinge）公司
效率低下，成本高昂。这两个词最恰当地描述了制造碳化硅晶碇的传统方法。
然而，现在已经进入了生产晶圆级碳化硅晶体的新时代。它始于2022年底，当时我们在哈挺(Hardinge)公司的团队推出了BoulePro-200AX。凭借其单步双平面补偿功能，它简化了碳化硅行业将生长好的晶体转化为晶碇的工艺。SiC是推动电动汽车和其他高增长市场发展的重要半导体材料，鉴于对SiC的极高需求，我们推出BoulePro的时机再好不过了。
SiC行业需要一种新的晶锭成型方法，这背后有很多原因。原因包括：使用多个工具集来执行不同功能的低效率，以及需要雇用多个操作员来操作这些工具集；在不同步骤中，将坯料粘合到载体上以及从载体上脱胶所耗费的时间；人工材料处理和设置导致的工艺差异增大；缺乏推动优化和改进的最佳实践。
凭借130年的研磨和材料相关知识，我们的开发团队在SiC行业主要专家的支持下，通过创建全面且经济高效套件，解决了碳化硅晶碇加工中的所有低效问题。我们的工艺优化能够全面大幅降低成本，包括耗材、运营支出和资本支出。
在过去的几年里，我们一直与一些碳化硅原材料供应商合作，以优化制造晶碇的生产工艺。凭借在磨削、车削、铣削和工件夹具方面的丰富经验，我们通过优化正确的加工速度、角度、工件夹具和加工刀具类型，以及在机床中采用X射线计量技术，大幅削减了成本。
提高效率
我们的BoulePro 200AX具有制造能力，可满足改进工艺流程的所有要求。这种全自动、独立的机床可以将生长的SiC晶体加工标准晶碇，无需粘合/固定、外部材料设置或手动干预。
BoulePro的另一个优势是通过集成X射线衍射功能实现的单步双平面补偿能力。有了这一功能，BoulePro可以在极短的时间内完成从晶体到晶碇的所有转换步骤。
将晶体转变为晶碇的传统工艺流程可以根据不同的客户、不同的晶体坯料进行调整。然而，一般来说，首先是手动或自动加载晶体坯料，然后加工初始外径，应用粗圆顶研磨并通过X射线衍射评估晶体取向。此后，进行精加工圆顶磨削以校正方向，然后移交给辅助工作头、去除籽晶、通过X射线衍射进行确认测量、应用最终外径和平面/凹口，最后手动或自动取下晶碇（参见图1的流程示意图）。
BoulePro缩短了将晶体加工成晶碇所需的时间。传统方法需要24小时以上，而BoulePro使用自动化单一设置解决方案，只需2-3小时。考虑到劳动力、生产占地面积、废料、产能效率和耗材等因素（有关详细信息，请参见图2），这种时间上的节省使总成本降低了近70%。这将在帮助碳化硅生产商降低生产成本和提高这种宽带隙材料的行业利用率方面发挥关键作用。
秘诀
由于没有用于生产晶标准SiC晶碇的行业标准工艺，制造商们转而采用各自的方法。在所有情况下，他们都采用五步工艺，首先使用X射线衍射法确定晶体取向，以获得正确的表面取向，接着进行外径研磨，最后去除头尾（籽晶和圆顶侧），然后制备参考边或凹槽。
我们的专家对这一流程中的各个步骤及其固有的低效率进行了评估。凭借我们作为定制磨削解决方案国际提供商的背景，我们利用一个多世纪磨削经验中的核心专业技术，采用了一种简洁的方法来提供一体化解决方案。
这一努力的成果就是BoulePro，它建立在我们行业领先的USACH研磨机平台之上。它具有集成的X射线衍射工具和五轴功能，能够根据客户所需的规格对零件进行定向、X射线、研磨和/或切割。这些都是全自动化完成的。请注意，BoulePro能够处理当前所有相关尺寸的SiC晶体，包括100毫米、150毫米和200毫米材料。我们的工具具有卓越效率的关键在于其先进的碳化硅晶体夹具。在整个工艺步骤中，都不再需要将晶体粘合和脱胶到固定装置上——这是当今SiC生产商面临的一个主要且极其耗时的问题。此外，BoulePro无需从一台机器上移除晶体坯料，也无需为下一步做准备以及将其安装在另一台工具中。
BoulePro的一个重要组成部分是集成的X射线衍射系统。它对确定晶体取向至关重要，而晶体取向是确保正确放置主平面或凹槽的必要条件，同时还能在所有平面上以正确的补偿方式加工晶圆。通过采用这种方法，整个晶碇从一端到另一端都能生产出具有正确方向和几何形状的晶圆。使用BoulePro，X射线衍射系统的输出会告知工具平面或凹槽的位置，以及最终加工时必须对晶体表面进行多少调整。
能够在工艺允许的任何步骤现场进行原位X射线衍射分析的另一个优点是有机会切换工艺步骤的顺序。这样做的一个结果是，可以在稍后的过程中制备参考面或凹槽，确保其方向高度准确。
附加功能
BoulePro的功能远不止这些。除了其特色功能外，还可以根据需求提供其他功能。
其中之一是通过紫外光检测来识别外来晶体类型。当将SiC晶体置于紫外光下时，某些外来晶体（例如6H）会显示出不同的颜色。识别出6H杂质的位置后，BoulePro就能将其去除。确保最终的SiC晶碇仅包含所需的4H晶型。
XRD正在测量晶体的取向，以便了解晶体取向并可以在后续研磨步骤中进行校正。
此外，还可以在成品碳化硅晶碇表面添加激光刻划功能。这样，客户就能够跟踪批号、坯料编号等。这项功能在材料跟踪方面很有价值。
BoulePro中包含的另一项功能是视觉系统。它可以在加工过程的任何阶段拍摄高水准的晶体坯料或晶碇照片，这也是一些客户所需要的功能。
拥抱BoulePro
今年，来自世界各地的客户参观了我们位于伊利诺伊州埃尔金的工厂，观看BoulePro的运行情况。该工厂是我们USACH品牌的专业应用磨床的所在地。该工厂的工程师和应用专家团队利用他们的专业知识，迅速将BoulePro原型机安装并运行起来，以展示该机床的功能。参观者现在可以看到如何利用该设备的最终设计来生产碳化硅晶碇，我们预计该设备将在今年晚些时候发货�？悸堑绞谐〉目焖倮┱�，即使是原型机，客户也迫切希望看到BoulePro的实际应用。这些参观者希望亲眼目睹BoulePro如何在整个生产过程中适应他们独特的晶体坯料几何形状。在亲眼目睹了BoulePro的功能之后，他们对BoulePro的灵活性以及我们的工程和应用专家如何满足他们的需求感到兴奋不已。
BoulePro内置的X射线衍射仪的精确性令我们的客户惊叹不已。由于BoulePro工艺操作顺序的灵活性，并且所有参数都受到极其严格的控制，因此我们的机器对晶体取向的角度校正比目前使用的手动工艺准确度高达100倍。这对于SiC生产商来说意味着，随着不同规格的发展，他们可以满足甚至超越客户的期望和要求。
BoulePro的光明未来
激动人心的时刻即将到来。鉴于市场对BoulePro的极大热情，我们正在实施扩产计划，以满足产量增加的需求。将在2023年持续进行演示活动，第一批客户机器计划于年底前发货。我们将利用我们的全球足迹来满足客户需求和售后市场的需求，以确保我们的BoulePro供应和支持服务符合客户的要求。
SiC在许多其他增长型市场中也蕴藏着无限商机，我们的BoulePro的通用配置和功能使其成为这些应用的解决方案。我们很高兴能够站在这场革命的最前沿，并成为全球碳化硅生产商可以信赖的可靠制造合作伙伴，满足他们的制造需求。
一种突破性工具可在生产标准碳化硅晶碇时实现高精度
△ 图1. 生产SiC圆盘的一般工艺流程为：晶体加载（手动或自动）；应用初始外径（OD）；圆顶粗磨；进行X射线衍射；将圆顶磨削完成至正确的方向；切换到辅助工作台；籽晶侧面去除；X射线衍射证实；最终外径和参考面/凹槽；并取下晶碇（手动或自动）。
△ 图2. BoulePro200AX的使用大幅削减了资本支出、运营支出以及与耗材相关的成本。
左侧是工件夹具中的晶体，右侧是XRD（X射线）机。
位于伊利诺伊州埃尔金的原型机用于进一步开发和客户演示。
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