O carbeto de silício (SiC) não é apenas uma tecnologia crítica para a segurança da defesa nacional, mas também um material chave que impulsiona os avanços nas indústrias automotiva e de energia globais. Na cadeia de processamento de monocristais de SiC, o corte do lingote cultivado em wafers é o primeiro passo, e o desempenho desta etapa de corte determina a eficiência e a qualidade dos processos subsequentes de afinamento e polimento. No entanto, o corte de wafers frequentemente induz rachaduras na superfície e subsuperfície, o que aumenta significativamente as taxas de quebra de wafers e os custos gerais de fabricação. Portanto, controlar os danos por rachaduras na superfície durante o corte é de grande importância para o avanço da fabricação de dispositivos SiC.
Atualmente, o corte de lingotes de SiC enfrenta dois grandes desafios:
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Alta perda de material na serragem multi-fio tradicional
SiC é um material extremamente duro e frágil, o que torna o corte e o polimento altamente desafiadores. A serragem multi-fio convencional frequentemente leva a arqueamento, empenamento e rachaduras severas durante o processamento, resultando em perda substancial de material. De acordo com os dados da Infineon, sob o método tradicional de serragem com fio de diamante abrasivo fixo recíproco, a taxa de utilização do material durante o corte é de apenas cerca de 50%. Após a moagem e polimento subsequentes, a perda cumulativa pode chegar a 75% (cerca de 250 µm por wafer), restando uma porção utilizável muito limitada.
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Ciclo de processamento longo e baixa produtividade
Dados de produção internacional mostram que, com operação contínua de 24 horas, a produção de 10.000 wafers pode levar aproximadamente 273 dias. Para atender à demanda do mercado, grandes quantidades de equipamentos de serra de fio e consumíveis são necessários. Além disso, a serragem multi-fio introduz alta rugosidade da superfície/interface e causa sérios problemas de contaminação, como poeira e águas residuais.
Para enfrentar esses desafios críticos, a equipe de pesquisa do Professor Xiangqian Xiu da Universidade de Nanjing desenvolveu equipamentos de corte a laser SiC em larga escala. Essa tecnologia inovadora adota o corte a laser em vez da serragem com fio, reduzindo significativamente a perda de material e aumentando a eficiência da produção. Por exemplo, usando um único lingote de SiC de 20 mm, o número de wafers produzidos por corte a laser é mais do que o dobro do da serragem com fio convencional. Além disso, os wafers cortados a laser demonstram propriedades geométricas superiores, com a espessura de um único wafer reduzida para tão baixo quanto 200 µm, aumentando ainda mais a produção de wafers.
Vantagens Competitivas
O projeto concluiu com sucesso o desenvolvimento de um sistema de corte a laser protótipo de grande porte, alcançando o corte e o afinamento de wafers de SiC semi-isolantes de 4 a 6 polegadas, bem como lingotes de SiC condutores de 6 polegadas. A validação para o corte de lingotes de SiC de 8 polegadas está em andamento. O equipamento oferece múltiplas vantagens, incluindo tempos de corte mais curtos, maior produção anual de wafers e menor perda de material por wafer, com uma melhoria geral no rendimento da produção superior a 50%.
Perspectivas de Mercado
Espera-se que o equipamento de corte a laser SiC em larga escala se torne a ferramenta principal para o futuro processamento de lingotes de SiC de 8 polegadas. Atualmente, tal equipamento depende fortemente de importações do Japão, que não são apenas caras, mas também sujeitas a restrições de exportação. A demanda doméstica por equipamentos de corte e afinamento a laser SiC excede 1.000 unidades, mas nenhuma solução doméstica madura está comercialmente disponível. Portanto, o equipamento de corte a laser SiC em larga escala desenvolvido pela Universidade de Nanjing possui um tremendo potencial de mercado e valor econômico.
Além das aplicações em SiC, este sistema de corte a laser também pode ser aplicado a outros materiais avançados, como nitreto de gálio (GaN), óxido de gálio (Ga₂O₃) e diamante, ampliando suas perspectivas de aplicação industrial.
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