Les substrats en carbure de silicium (SiC) peuvent être utilisés pour préparer des dispositifs d'alimentation, des dispositifs RF et des dispositifs de détection résistant à des températures, des tensions et des rayonnements élevés. Ceux-ci trouveront de nombreuses applications dans l’électronique grand public, les véhicules à énergies nouvelles, le transport ferroviaire et d’autres domaines, offrant de larges perspectives d’application et une importance stratégique significative. Le processus de fabrication des tranches de SiC monocristallins-implique principalement l'extraction de lingots, le découpage de lingots et d'autres étapes de processus, dans le but d'obtenir des tranches de SiC-de haute qualité d'une certaine épaisseur.
Cependant, la dureté extrêmement élevée, la fragilité et la bonne stabilité chimique du SiC rendent son traitement difficile. Par conséquent, la technologie de découpe SiC est devenue un point chaud de la recherche actuelle. À l'heure actuelle, les principales méthodes de découpe des plaquettes de SiC monocristallines comprennent la découpe à la lame de scie circulaire diamantée, l'usinage par décharge électrique par fil (WEDM), la découpe à la scie à fil, la découpe par fracture contrôlée par la contrainte thermique au laser (fissuration thermique au laser) et le découpage furtif au laser.
Découpe à la lame (coupe à la scie)
Le découpage en dés par lame utilise une scie à découper de haute-précision pour couper les plaquettes. L'échantillon est attaché à un film bleu et un outil diamanté rotatif à grande vitesse - meule contre l'échantillon SiC. Les contraintes mécaniques provoquent une fracture fragile dans le matériau, entraînant une séparation. Pendant la coupe, l'outil tourne à des vitesses très élevées (généralement 30 000 à 50 000 tr/min) avec une pression d'avance axiale appliquée. L'outil est généralement composé de grains de diamant et d'une matrice de liaison, avec une surface recouverte de particules de diamant de taille micrométrique. Ces particules génèrent des contraintes locales extrêmement élevées au contact de la surface du SiC, provoquant des microfissures à l'intérieur du matériau. À mesure que l’outil continue d’avancer, ces microfissures se propagent le long de plans cristallins spécifiques et s’interconnectent, formant finalement des fractures macroscopiques qui complètent la coupe. La qualité de coupe est influencée par de nombreux facteurs : la vitesse de rotation de l'outil, l'avance et l'utilisation du liquide de refroidissement affectent tous de manière significative le résultat de la découpe.
Découpe au jet d'eau
La découpe au jet d'eau est une méthode de traitement basée sur un jet d'eau à haute pression. L'eau est pressurisée à des niveaux ultra-élevés et passée à travers une petite buse à orifice pour former un jet à grande vitesse, qui coupe ensuite le matériau. Cette technique peut être divisée en découpe au jet d’eau pure et découpe au jet d’eau abrasif. La découpe au jet d'eau abrasif mélange des particules abrasives (par exemple, grenat ou oxyde d'aluminium) dans le jet d'eau, améliorant considérablement sa capacité à usiner des matériaux durs.
La découpe au jet d'eau offre des avantages notables : sa nature de traitement à froid évite les zones affectées par la chaleur, ce qui la rend adaptée aux matériaux sensibles à la chaleur ; il offre une grande flexibilité pour couper des géométries complexes ; et il est sans pollution et à faible bruit. Cependant, la découpe au jet d'eau présente également des limites : vitesse de coupe relativement lente, investissement initial en équipement élevé, efficacité limitée lors de l'usinage de matériaux ultra-durs comme le SiC et tendance à provoquer des fissures fragiles.
Découpe laser guidée par jet d'eau
Le principe de la découpe laser guidée par jet d’eau consiste à utiliser un jet d’eau comme support de transmission du faisceau laser. Le jet d'eau est dirigé perpendiculairement à la surface du matériau. Lorsque le faisceau laser est transmis à l’intérieur du jet d’eau, une réflexion interne totale se produit à l’interface du jet d’air. Après plusieurs réflexions, la distribution d'énergie du laser passe d'une gaussienne à un profil plat avant d'agir sur la surface de la pièce.
La découpe laser guidée par jet d'eau réduit efficacement les effets thermiques du laser. Cependant, cette technique nécessite l’introduction d’un microjet d’eau, ce qui augmente la complexité et le coût des équipements. De plus, un couplage stable entre le laser et le microjet d'eau est difficile à réaliser, ce qui entraîne des temps de fonctionnement stables et courts, des coûts de maintenance élevés et un fonctionnement difficile, limitant son caractère pratique. Compte tenu de sa faible praticité et de sa faible efficacité de traitement, il est peu probable que cette méthode soit largement adoptée dans le découpage de tranches.
Découpe par ablation laser
Le principe de fonctionnement de la découpe par ablation laser consiste à concentrer un faisceau laser sur la surface du matériau. Le matériau absorbe l'énergie laser, provoquant des vibrations forcées des atomes dans le réseau cristallin, accélérant le mouvement thermique et générant de la chaleur. Lorsque l'énergie d'entrée dépasse le seuil d'ablation du matériau, le matériau fond et se vaporise, étant ainsi éliminé. Actuellement, la vitesse de balayage maximale pour la découpe par ablation laser peut atteindre 1 000 mm/s, offrant une vitesse de traitement élevée. Cependant, cette méthode repose toujours sur l’enlèvement de matière, nécessitant une vaporisation complète de la matière dans la zone numérisée au laser. L'apport de chaleur excessif entraîne souvent de grandes zones affectées par la chaleur, des fissures thermiques et d'autres dommages thermiques, réduisant ainsi la qualité de coupe.
Découpe furtive au laser
Le découpage laser furtif repose sur la focalisation d'un faisceau laser semi-transparent d'une longueur d'onde spécifique via un système de focalisation optique vers un emplacement précis à l'intérieur de la plaquette, formant ainsi une couche modifiée. La technologie comporte deux étapes clés : la formation de la couche modifiée et la séparation des copeaux. Lors de l'étape de découpe laser, la longueur d'onde du laser est sélectionnée en fonction des propriétés physiques du matériau en cours de traitement. En optimisant les paramètres du processus, une couche modifiée est créée à l'intérieur de la plaquette. La formation de la couche modifiée s'accompagne de microfissures qui s'étendent vers les surfaces avant et arrière de la plaquette. Pour les tranches d'une certaine épaisseur, la focalisation laser est ajustée pour balayer à plusieurs profondeurs, permettant aux couches modifiées de s'interconnecter et de former un réseau complet. Une fois la couche modifiée formée au laser créée, la tranche doit être séparée à l’aide d’une force mécanique. Généralement, un pressage ou un étirement au rouleau est appliqué pour propager les microfissures de la couche modifiée sur toute l'épaisseur de la tranche, obtenant ainsi une séparation complète des puces. Lors de l’étape de séparation mécanique, l’uniformité de la couche modifiée et le contrôle des fissures sont essentiels pour éviter l’écaillage du matériau.