Việc sản xuất thiết bị bán dẫn đòi hỏi phải có sẵn các tấm wafer chất lượng cao với bề mặt phẳng và nhẵn hoàn hảo. Chất lượng bề mặt của wafer là nền tảng để đảm bảo các thiết bị có hiệu suất cao và đáng tin cậy. Nó là cần thiết để ngăn chặn sự hình thành các tạp chất hoặc bề mặt không đều có thể gây ra các khuyết tật trong thành phần cuối cùng và dẫn đến tăng chi phí.
Công nghệ tái sử dụng chất nền và nhấc thiết bị sáng tạo dựa trên sức mạnh của âm thanh, đang được phát triển tại Crystal Sonic, Inc., nhằm mục đích giảm đáng kể chi phí sản xuất trên mỗi thiết bị.
Ngày nay, gần 50% chi phí sản xuất thiết bị băng thông rộng (WBG) là do vật liệu nền. Đồng thời, nhu cầu tấm wafer nền WBG đang tăng lên, chủ yếu được thúc đẩy bởi các ứng dụng bao gồm ô tô, bộ biến tần năng lượng mặt trời, động cơ và bộ biến tần gió, đặc biệt đối với cacbua silic (SiC).
Khoảng cách giữa nhu cầu và tính sẵn có của các tấm bán dẫn dự kiến sẽ tăng lên trong những năm tới, với nguy cơ tiềm ẩn về tình trạng thiếu hụt tấm bán dẫn SiC. Nhu cầu về gallium nitride (GaN) cũng đang tăng nhanh do tần số vô tuyến (RF) và lĩnh vực ô tô, cũng như tất cả các ứng dụng đòi hỏi mật độ năng lượng cao, hiệu suất cao, tần số chuyển đổi cao và kích thước nhỏ.
Một cách đầy hứa hẹn để thu hẹp khoảng cách này là thông qua các công nghệ tái sử dụng chất nền.
Công nghệ tái sử dụng chất nền của Crystal Sonic
Có trụ sở chính tại Phoenix, Arizona, Crystal Sonic là một công ty khởi nghiệp công nghệ cứng được thành lập vào năm 2018 với mục tiêu giảm chi phí và chất thải vật liệu để sản xuất chất bán dẫn thế hệ tiếp theo.
Công nghệ nâng hạ thiết bị và tái sử dụng chất nền của Crystal Sonic, nắm giữ hai bằng sáng chế được trao và đang hoạt động ở Hoa Kỳ và Nhật Bản (cộng với một bằng sáng chế khác đang chờ xử lý và ba hồ sơ bằng sáng chế bổ sung đang được chuẩn bị), bắt nguồn từ phòng thí nghiệm của Giáo sư Mariana Bertoni tại Đại học Bang Arizona (ASU) . Bertoni đứng đầu phòng thí nghiệm Kỹ thuật khiếm khuyết cho công nghệ chuyển đổi năng lượng (DEfECT), tập trung vào cách các khiếm khuyết có thể ảnh hưởng đến tính chất điện và quang của vật liệu.
Quy trình đã được cấp bằng sáng chế, được gọi là Sonic Lift-Off , sử dụng sóng âm thanh để cắt các tấm mỏng đơn tinh thể được sử dụng trong chế tạo thiết bị dựa trên chất bán dẫn, ngăn ngừa lãng phí và tiết kiệm tiền. Không giống như quy trình mài truyền thống, tốn kém, tốn thời gian và gây hư hại cho các bề mặt và bề mặt phụ, công nghệ của Crystal Sonic sử dụng âm thanh để cắt và nhấc các lớp thiết bị mỏng, để lại các bề mặt chất lượng cao và chất nền số lượng lớn có sẵn để tái sử dụng.
Bằng cách thay thế công nghệ mài ngược tấm wafer cơ học bằng công nghệ tái sử dụng, cho phép các nhà sản xuất giảm một nửa mức đóng góp chi phí wafer của thiết bị (khoảng 50% tổng chi phí) và có khả năng giảm xuống còn 0% với nhiều lần tái sử dụng.
Theo Crystal Sonic, các thiết bị bán dẫn thế hệ tiếp theo đang được chế tạo trên các vật liệu nền như SiC, GaN, gallium arsenide (GaAs) và các loại khác. Những vật liệu này tạo ra các thiết bị nhỏ hơn, hiệu quả hơn và hiệu quả hơn, mở ra những khả năng mới cho điện tử công suất, cảm biến, thông tin liên lạc và các lĩnh vực khác.
Do độ tin cậy, hiệu quả và hiệu suất của chúng, vật liệu WBG đang phát triển nhanh chóng trên thị trường, đáp ứng nhu cầu từ các xu hướng lớn như di động điện tử, quang điện, điốt laze, tần số vô tuyến và chăm sóc sức khỏe/khử trùng.
Sonic nâng hạ
Làm mỏng thiết bị là một bước quan trọng trong quy trình sản xuất ở mặt sau. Phương pháp truyền thống (đã được thiết lập) là mài ngược cơ học, nhưng nó không hiệu quả, tốn thời gian và tốn kém khi sử dụng (như đã đề cập trước đó, 50% tổng chi phí sản xuất thiết bị là do tấm wafer).
Như được hiển thị trong Hình 1, Bước 2 của quy trình sản xuất thông thường bao gồm chế tạo thiết bị, trong khi Bước 3 là mài ngược (làm mỏng thiết bị), tiếp theo là các bước cắt hạt lựu và đóng gói. Trong quá trình mài nền, các kỹ thuật sản xuất cũ để làm mỏng tấm wafer và thiết bị làm lãng phí 90% hoặc nhiều hơn vật liệu nền, không thể tái sử dụng.
Giải pháp được cấp bằng sáng chế của Crystal Sonic, Sonic Lift-Off, khai thác sức mạnh của âm thanh để tách các thiết bị mỏng khỏi chất nền bán dẫn, cho phép tái sử dụng chất nền. Được mô tả là giải pháp thay thế ưu việt cho việc mài và đánh bóng cơ học kém hiệu quả, Sonic Lift-Off sử dụng năng lượng âm thanh để cắt các chất nền mà không để lại bất kỳ vật liệu nào.
Như thể hiện trong Hình 2, giải pháp thay thế cho mài ngược này diễn ra nhanh chóng, không lãng phí vật liệu và duy trì bề mặt chất lượng cao với độ chính xác micron. Bằng cách tái sử dụng chất nền, phần đóng góp lớn nhất vào tổng chi phí sản xuất có thể giảm đáng kể.
Cho đến nay, Crystal Sonice đã thực hiện thành công các bản demo và thử nghiệm nguyên mẫu trên các tấm wafer Si, GaAs, SiC, GaN và AlN có đường kính nhỏ. Các thử nghiệm được thực hiện đã tạo ra kết quả khả quan về kiểm soát độ dày, bề mặt có độ nhám thấp và hiệu suất thiết bị được bảo toàn. Ngoài ra điều này thậm chí còn phù hợp hơn và được mô tả trong Hình 3: hiệu suất của thiết bị được chế tạo bằng chất nền tái sử dụng thực tế giống như với chất nền ban đầu.
Phương pháp mài ngược
Phương pháp mài ngược wafer truyền thống làm giảm độ dày của wafer bằng cách sử dụng bánh mài liên kết bằng nhựa kim cương để loại bỏ vật liệu bán dẫn khỏi mặt sau của wafer. Đây là một kỹ thuật cũ và đã được thiết lập, nhưng nó tốn kém, lãng phí và không thể tái sử dụng vật liệu. Hơn nữa, nó yêu cầu nước khử ion để rửa sạch các mảnh vụn trên bề mặt và ngăn ngừa ô nhiễm.
Bên cạnh mài ngược, các phương pháp làm mỏng thiết bị khác hiện đang có sẵn, chẳng hạn như hóa học (ELO), cơ học (làm nứt), Nâng hạ bằng laser, cắt thông minh (cấy ion) và kỹ thuật 2DLT (epitaxy từ xa). Mặc dù Sonic Lift-Off vẫn đang được phát triển, giải pháp (còn được gọi là phá vỡ âm thanh) là giải pháp duy nhất có thể cung cấp các đặc điểm sau:
- Độ dày nâng có thể điều chỉnh,
- Quy trình nhanh, có thể mở rộng,
- Bề mặt chất lượng cao,
- Tái sử dụng nhiều lần và
- Nhiều loại chất nền.
Liên quan đến thiệt hại dưới bề mặt, Sonic Lift-Off cung cấp độ nhám thấp (Ra < 1 µm, cho đến nay), tối thiểu hoặc không có thiệt hại dưới bề mặt, có thể duy trì góc cắt lệch (do kiểm soát âm thanh), là vật liệu nhẹ nhàng hơn quy trình hiệu quả và cho phép tái sử dụng nhiều chất nền.
Crystal Sonic cho biết: “Khả năng tái sử dụng cho phép các nhà sản xuất thiết bị lấy lại phần đắt nhất của quy trình sản xuất thiết bị, từ đó giúp giảm chi phí của các thiết bị bán dẫn thế hệ tiếp theo”.
Theo Eetimes.com
