Пробиви в прецизното шлифоване задават ново темпо в производството на полупроводникови пластини

Глобалният пазар на полупроводникови компоненти преживява истински бум през последните години. Полупроводниковите пластини са от ключово значение не само за електронната индустрия, но и за автомобилостроенето, електрическата мобилност и зарядната инфраструктура, соларната и вятърната енергетика, центровете за данни с изкуствен интелект, индустриалната автоматизация, телекомуникациите и редица други високотехнологични сектори.

 

С очакван ръст от над 30% на година този многомилиарден пазар предлага интересни възможности за усъвършенстване на шлифовъчните технологии, изтъкват от Германската асоциация на производителите на металообработващи машини (VDW). На организираното от секторната организация изложение GrindingHub през май тази година централна тема бяха иновациите в прецизното шлифоване, включително при производствените машини, технологии и процеси за приложения с извънредно висока точност в поднанометровия диапазон.

 

"Едно е сигурно – ако Европа иска да настигне Азия и САЩ в полупроводниковата индустрия, много процеси трябва да се ускорят, особено производствените", посочват от VDW.

 

Значителен потенциал за растеж

 

В разговори с експерти от научноизследователски организации и водещи европейски компании, разработващи оборудване и инструменти за прецизно шлифоване, VDW прави обзор на актуалните технологични тенденции и иновации в обработката на полупроводникови пластини.

 

Устойчивият ръст в търсенето от страна на крайни клиенти и появата на нови процеси и технологии правят навлизането на високопрецизното шлифоването на пазара на полупроводникови компоненти изключително перспективно, смятат специалистите.

 

"Секторът предлага многообразие от възможности, включително отвъд същинската обработка на подложките (субстратите), включваща рязане на кристалите за оформяне на базовата геометрия на пластините и предварително шлифоване", посочват от VDW.

 

 

Възходът на новите материали

 

Силициевият карбид (SiC) е все по-предпочитан материал за изработката на субстрати в съвременното полупроводниково производство. От Центъра за силициева фотоволтаика (CSP) към Института Fraunhofer разработват новости при полупроводниковите материали на базата на силиций и въглерод. Те се отличават със значително по-широка "забранена зона" (без позволени енергийни състояния за електроните, "band gap") в сравнение с чистия силиций. Това е решаващ фактор във връзка с електропроводимостта и позволява използването на авангардните материали при екстремни условия като високи температури, честоти и напрежения, разкриват от VDW.

 

Шлифоването на керамични субстрати обаче е истинско предизвикателство, допълват експертите. "Керамиката има напълно различно поведение от металите при обработка. До неотдавна се наблюдаваше известна резервираност у машиностроителните компании да произвеждат специализирани решения за шлифоване на керамични подложки. Същевременно SiC вече се е утвърдил като абсолютен еталон в полупроводниковия сектор. С преодоляването на психологическата бариера приложенията на техническите керамики и еднокристалните полупроводникови субстрати се очаква да нараснат експоненциално, а това ще разкрие огромен потенциал за високопрецизните шлифовъчни машини и технологии", коментират от германската асоциация.

 

Икономии на време?

 

Полупроводниковото производство традиционно е свързано с времеемки процеси и операции, които стават причина за забавяния в доставките и създават трудности в редица индустрии. Ето защо нарастващ брой иновативни разработки при оборудването са ориентирани именно върху ускоряване на производствените етапи.

 

Пример е създадена в Европа универсална 5-осна шлифовъчна машина, способна да работи с всички познати в практиката досега диаметри, спецификации и размери при монокристалните субстрати. Зареждането на заготовките и изваждането на готовите пластини се случва изцяло автоматизирано, което значително ускорява процеса и от над 24 часа при конвенционални методи го свежда до 2-3 часа, посочват от VDW.

 

Повърхности с "атомна" гладкост

 

Значими иновации се въвеждат не само при машините, но и при т. нар. суперабразивни инструменти за високопрецизно шлифоване. Производителите в сегмента разработват специализирани решения за различните етапи на производствената верига – от нарязването и обработката на суровите монокристални блокове до готовите чипове. Основно предимство на инструменталната екипировка от ново поколение е, че може да бъде гъвкаво комбинирана с повечето популярни марки съществуващи машини.

 

За повърхностна обработка на субстратите вече се предлагат диамантени шлифовъчни инструменти, предназначени да осигуряват почти "атомна" гладкост. Иначе казано, грапавостта (Ra) на повърхността след обработката е в диапазон до 5 ангстрьома или 5 десети от нанометъра (приблизително размерът на няколко атома). За сравнение, диаметърът на един човешки косъм е 40-80 µm или от 80 000 до 160 000 пъти по-голям.

 

"Контролът на качеството в такива приложения е възможен единствено чрез интерферометрия с бяла светлина или атомно-силова микроскопия (AFM). Тези методи позволяват измерване на повърхностна грапавост в поднанометровия диапазон", поясняват от VDW, като добавят, че ултрафиното шлифоване отчетливо съкращава етапите на последваща обработка или директно ги елиминира, което пести на производителите ценно време. А и разходи.

 

 

Как се елиминират цели етапи в обработката?

 

Полупроводниковите пластини обикновено първо се шлифоват, а след това полират, за да се постигне необходимото високо качество на повърхностите, като в процеса традиционно се използват скъпи полиращи суспензии. "Колкото по-дълго трае полирането и колкото по-голяма е площта на обработка, толкова по-голям интерес имат производителите да елиминират целия етап и свързаните с него сериозни разходи", подчертават от VDW.

 

Най-голямото предизвикателство при обработката на твърдите повърхности на полупроводниковите материали доскоро беше създаването на подходяща "свързваща структура" или субстанция, която да обедини изключително фините зърна с размер под 1 микрометър в диамантените шлифовъчни инструменти, чрез които етапът на полиране може изцяло да се избегне.

 

Диамантените частици на практика са толкова малки, че трябва да бъдат стабилно фиксирани в инструмента. В противен случай, ако връзката между тях не е стабилна, той би се износил твърде бързо или не би шлифовал равномерно. Иновации при свързващите вещества в суперабразивните диамантени решения вече позволяват нуждата от допълнително полиране след шлифоването да отпадне, информират от VDW. Така технологичният процес става много по-бърз, разходите драстично намаляват, опростява се необходимата производствена инфраструктура, а общата производителност отчетливо се увеличава.

 

 

"Добре проектираните абразивни инструменти означават по-малко стъпки, по-бърза и евтина обработка при същото или дори по-добро качество", посочват експертите. От VDW допълват, че Европейският съюз си е поставил за цел да увеличи значително дела си в световното производство на полупроводникови компоненти (който понастоящем е едва около 9-10%) в следващите години. И макар глобалният пазар днес да е концентриран около няколко големи доставчици, за европейските производители на усъвършенствани шлифовъчни машини и решения се отваря ниша за разработката на специализирани и стриктно адаптирани към конкретни приложения решения, считат от асоциацията.

 

Източник: VDW

Ключови думи: VDW   шлифоване   шлифовъчни технологии   производство   полупроводници   полупроводникови пластини  

Област: Машиностроене