Silikonkarbidsubstrat (SiC) kan användas för att förbereda kraftenheter, RF-enheter och detektionsenheter som tål höga temperaturer, höga spänningar och strålning. Dessa kommer att hitta omfattande tillämpningar inom konsumentelektronik, nya energifordon, järnvägstransporter och andra områden, som erbjuder breda tillämpningsmöjligheter och betydande strategisk betydelse. Tillverkningsprocessen för SiC-skivor av enkristall- involverar huvudsakligen götdragning, götskivning och andra processsteg, med målet att erhålla SiC-skivor av hög-kvalitet med en viss tjocklek.
SiC:s extremt höga hårdhet, sprödhet och goda kemiska stabilitet gör det dock svårt att bearbeta. Följaktligen har SiC-skärteknik blivit en aktuell forskningshotspot. För närvarande inkluderar de huvudsakliga skärmetoderna för enkristall-SiC-skivor kapning av diamantcirkelsågblad, bearbetning av elektrisk urladdning (WEDM), trådsågskärning, termisk laserskärning-kontrollerad brottskärning (termisk lasersprickning) och laserskärning.
Bladtärning (sågskärning)
Bladtärning använder en hög-tärningssåg för att skära rån. Provet fästs på en blå film och ett höghastighetsroterande diamantverktyg slipar mot SiC-provet. Mekanisk spänning framkallar sprödbrott i materialet, vilket uppnår separation. Under skärning roterar verktyget med mycket höga hastigheter (vanligtvis 30 000–50 000 rpm) med ett axiellt matningstryck applicerat. Verktyget är vanligtvis sammansatt av diamantkorn och en bindningsmatris, med en yta täckt av mikronstora diamantpartiklar. Dessa partiklar genererar extremt hög lokal stress vid kontakt med SiC-ytan, vilket orsakar mikrosprickor inuti materialet. När verktyget fortsätter att avancera, fortplantar sig dessa mikrosprickor längs specifika kristallplan och kopplar samman, så småningom bildar makroskopiska sprickor som fullbordar snittet. Skärkvaliteten påverkas av många faktorer: verktygets rotationshastighet, matningshastighet och kylvätskeanvändning påverkar alla tärningsresultatet avsevärt.
Vattenskärning
Vattenskärning är en bearbetningsmetod baserad på en högtrycksvattenstråle. Vatten trycksätts till ultrahöga nivåer och passerar genom ett litet munstycke för att bilda en höghastighetsstråle, som sedan skär materialet. Denna teknik kan delas in i ren vattenskärning och abrasiv vattenskärning. Slipande vattenskärning blandar slipande partiklar (t.ex. granat eller aluminiumoxid) i vattenstrålen, vilket avsevärt förbättrar dess förmåga att bearbeta hårda material.
Vattenskärning erbjuder anmärkningsvärda fördelar: dess kallbearbetande natur undviker värmepåverkade zoner, vilket gör den lämplig för värmekänsliga material; det ger hög flexibilitet för skärning av komplexa geometrier; och det är föroreningsfritt med lågt ljud. Men vattenskärning har också begränsningar: relativt låg skärhastighet, hög initial utrustningsinvestering, begränsad effektivitet vid bearbetning av ultrahårda material som SiC och en tendens att orsaka spröd sprickbildning.
Vattenstrålestyrd laserskärning
Principen för vattenstrålestyrd laserskärning är att använda en vattenstråle som överföringsmedium för laserstrålen. Vattenstrålen riktas vinkelrätt mot materialytan. När laserstrålen sänds in i vattenstrålen sker total intern reflektion vid luft-jet-gränssnittet. Efter flera reflektioner ändras laserns energifördelning från Gaussisk till en plan profil innan den verkar på arbetsstyckets yta.
Vattenstrålestyrd laserskärning minskar effektivt laserns termiska effekter. Denna teknik kräver dock införandet av en mikrovattenstråle, vilket ökar utrustningens komplexitet och kostnad. Dessutom är stabil koppling mellan lasern och mikrovattenstrålen svår att uppnå, vilket leder till korta stabila drifttider, höga underhållskostnader och utmanande drift, vilket begränsar dess praktiska funktion. Med tanke på dess låga praktiska funktion och låga bearbetningseffektivitet, är det osannolikt att denna metod kommer att få en utbredd användning i skivtärning.
Laser ablationsskärning
Arbetsprincipen för laserablationsskärning är att fokusera en laserstråle på materialytan. Materialet absorberar laserenergin, orsakar påtvingade vibrationer av atomer i kristallgittret, accelererar termisk rörelse och genererar värme. När den ingående energin överstiger materialets ablationströskel, smälts materialet och förångas och avlägsnas därigenom. För närvarande kan den maximala skanningshastigheten för laserablationsskärning nå 1000 mm/s, vilket ger hög bearbetningshastighet. Denna metod förlitar sig dock fortfarande på materialborttagning, vilket kräver fullständig förångning av materialet i det laserskannade området. Den överdrivna värmetillförseln leder ofta till stora värmepåverkade zoner, termiska sprickor och andra termiska skador, vilket minskar skärkvaliteten.
Laser Stealth Dicing
Laser stealth dicing är baserad på att fokusera en halvtransparent laserstråle med en specifik våglängd genom ett optiskt fokuseringssystem till en exakt plats inuti wafern, vilket bildar ett modifierat lager. Tekniken innefattar två nyckelsteg: bildandet av det modifierade lagret och spånseparationen. Under lasertärningssteget väljs laservåglängden i enlighet med de fysiska egenskaperna hos materialet som bearbetas. Genom att optimera processparametrar skapas ett modifierat lager inuti wafern. Bildandet av det modifierade skiktet åtföljs av mikrosprickor som sträcker sig mot de främre och bakre ytorna av skivan. För wafers med en viss tjocklek justeras laserfokusen för att skanna på flera djup, vilket gör att de modifierade lagren kan kopplas samman och bilda ett komplett nätverk. Efter att det laserformade modifierade lagret har skapats måste skivan separeras med hjälp av mekanisk kraft. Vanligtvis appliceras rullpressning eller sträckning för att sprida mikrosprickorna från det modifierade lagret genom hela skivans tjocklek, vilket uppnår fullständig spånseparation. Under det mekaniska separationssteget är det modifierade skiktets enhetlighet och sprickkontroll kritiska för att undvika flisning av materialet.