ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ไม่เพียงแต่เป็นวัสดุเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญต่อการป้องกันประเทศเท่านั้น แต่ยังเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์และพลังงานทั่วโลกอีกด้วย ขั้นตอนแรกในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ SiC คือการตัดแท่ง SiC ที่เติบโตขึ้นเป็นแผ่นเวเฟอร์บางๆ คุณภาพของกระบวนการตัดนี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพและผลผลิตของขั้นตอนการทำให้บางลงและการขัดเงาในภายหลังโดยตรง อย่างไรก็ตาม วิธีการตัดแบบเดิมมักจะทำให้เกิดรอยร้าวบนพื้นผิวและใต้พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งจะเพิ่มอัตราการแตกของแผ่นเวเฟอร์และเพิ่มต้นทุนการผลิต ดังนั้น การลดความเสียหายของพื้นผิวในระหว่างการตัดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตอุปกรณ์ SiC
ปัจจุบัน การตัดแผ่นเวเฟอร์ SiC เผชิญกับความท้าทายหลักสองประการ:
การสูญเสียวัสดุสูงด้วยการเลื่อยลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิม
เนื่องจากความแข็งและความเปราะของ SiC ที่มาก การเลื่อยและการขัดเงาจึงมีความต้องการทางเทคนิคสูง ซึ่งมักจะนำไปสู่การบิดงอของแผ่นเวเฟอร์ รอยร้าว และการสูญเสียวัสดุมากเกินไป จากข้อมูลของ Infineon วิธีการเลื่อยลวดเพชรแบบลูกสูบแบบดั้งเดิมทำได้เพียง ~50% ของการใช้วัสดุในขั้นตอนการตัด หลังจากบดและขัดเงา ผลผลิตที่มีประสิทธิภาพอาจลดลงมากถึง 75% (โดยมีการสูญเสียทั้งหมดต่อแผ่นเวเฟอร์ ~250 μm) ทำให้มีสัดส่วนของแผ่นเวเฟอร์ที่ใช้งานได้ค่อนข้างต่ำ
รอบการประมวลผลที่ยาวนานและปริมาณงานต่ำ
สถิติการผลิตระดับนานาชาติแสดงให้เห็นว่าภายใต้การดำเนินงานตลอด 24 ชั่วโมง การผลิต 10,000 แผ่นเวเฟอร์ต้องใช้เวลาประมาณ 273 วัน ดังนั้น การตอบสนองความต้องการของตลาดด้วยเทคโนโลยีเลื่อยลวดจึงต้องใช้เครื่องจักรและวัสดุสิ้นเปลืองจำนวนมาก นอกจากนี้ วิธีการดังกล่าวยังส่งผลให้พื้นผิวขรุขระ การปนเปื้อนอย่างมีนัยสำคัญ และภาระด้านสิ่งแวดล้อมที่หนักหน่วง (ฝุ่น น้ำเสีย ฯลฯ)
เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ทีมวิจัยนำโดยศาสตราจารย์ Xiu Xiangqian แห่งมหาวิทยาลัยหนานจิงได้พัฒนาอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ ด้วยการประยุกต์ใช้เทคนิคการตัดด้วยเลเซอร์ขั้นสูง ระบบนี้ช่วยลดการสูญเสียวัสดุได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันก็ช่วยปรับปรุงปริมาณงานได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อประมวลผลแท่ง SiC ขนาด 20 มม. จำนวนแผ่นเวเฟอร์ที่ผลิตด้วยการตัดด้วยเลเซอร์มีมากกว่าสองเท่า ที่ทำได้โดยการเลื่อยลวดแบบเดิม นอกจากนี้ แผ่นเวเฟอร์ที่ตัดด้วยเลเซอร์ยังมีคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่เหนือกว่า และความหนาของแผ่นเวเฟอร์สามารถลดลงได้ถึง 200 μm ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตต่อแท่ง
ข้อได้เปรียบในการแข่งขันของโครงการนี้อยู่ที่ความสมบูรณ์ทางเทคโนโลยี ต้นแบบของอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ขนาดใหญ่ได้รับการพัฒนาและสาธิตสำเร็จแล้วใน:
การตัดและการทำให้บางลงของแผ่นเวเฟอร์ SiC กึ่งฉนวนขนาด 4–6 นิ้ว
การตัดของแท่ง SiC นำไฟฟ้าขนาด 6 นิ้ว
การตรวจสอบความถูกต้องอย่างต่อเนื่องสำหรับการตัดแท่ง SiC ขนาด 8 นิ้ว
ระบบนี้มีรอบการตัดที่สั้นลง ผลผลิตแผ่นเวเฟอร์ต่อปีที่สูงขึ้น และการสูญเสียวัสดุต่อแผ่นเวเฟอร์ที่ต่ำลง ทำให้ได้การปรับปรุงผลผลิตมากกว่า 50%เมื่อเทียบกับวิธีการแบบเดิม
จากมุมมองของตลาด อุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่พร้อมที่จะกลายเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการผลิตแผ่นเวเฟอร์ SiC ขนาด 8 นิ้ว ปัจจุบัน อุปกรณ์ดังกล่าวเกือบทั้งหมดนำเข้าจากญี่ปุ่น โดยมีต้นทุนสูงและข้อจำกัดในการส่งออกที่เป็นไปได้ ความต้องการภายในประเทศสำหรับอุปกรณ์ตัด/ทำให้บางลงด้วยเลเซอร์คาดว่าจะเกิน1,000 หน่วย แต่ยังไม่มีซัพพลายเออร์ในประเทศที่ครบวงจรในปัจจุบัน ดังนั้น ระบบที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัยหนานจิงจึงมีศักยภาพทางการตลาดและมูลค่าทางเศรษฐกิจมหาศาล
นอกเหนือจาก SiC แพลตฟอร์มการตัดด้วยเลเซอร์นี้ยังสามารถขยายไปยังวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และวัสดุออปติคัลขั้นสูงอื่นๆ ได้อีกด้วย รวมถึงแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) และเพชรสังเคราะห์ ซึ่งช่วยขยายการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมให้กว้างขึ้น
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ไม่เพียงแต่เป็นวัสดุเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญต่อการป้องกันประเทศเท่านั้น แต่ยังเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์และพลังงานทั่วโลกอีกด้วย ขั้นตอนแรกในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ SiC คือการตัดแท่ง SiC ที่เติบโตขึ้นเป็นแผ่นเวเฟอร์บางๆ คุณภาพของกระบวนการตัดนี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพและผลผลิตของขั้นตอนการทำให้บางลงและการขัดเงาในภายหลังโดยตรง อย่างไรก็ตาม วิธีการตัดแบบเดิมมักจะทำให้เกิดรอยร้าวบนพื้นผิวและใต้พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งจะเพิ่มอัตราการแตกของแผ่นเวเฟอร์และเพิ่มต้นทุนการผลิต ดังนั้น การลดความเสียหายของพื้นผิวในระหว่างการตัดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตอุปกรณ์ SiC
ปัจจุบัน การตัดแผ่นเวเฟอร์ SiC เผชิญกับความท้าทายหลักสองประการ:
การสูญเสียวัสดุสูงด้วยการเลื่อยลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิม
เนื่องจากความแข็งและความเปราะของ SiC ที่มาก การเลื่อยและการขัดเงาจึงมีความต้องการทางเทคนิคสูง ซึ่งมักจะนำไปสู่การบิดงอของแผ่นเวเฟอร์ รอยร้าว และการสูญเสียวัสดุมากเกินไป จากข้อมูลของ Infineon วิธีการเลื่อยลวดเพชรแบบลูกสูบแบบดั้งเดิมทำได้เพียง ~50% ของการใช้วัสดุในขั้นตอนการตัด หลังจากบดและขัดเงา ผลผลิตที่มีประสิทธิภาพอาจลดลงมากถึง 75% (โดยมีการสูญเสียทั้งหมดต่อแผ่นเวเฟอร์ ~250 μm) ทำให้มีสัดส่วนของแผ่นเวเฟอร์ที่ใช้งานได้ค่อนข้างต่ำ
รอบการประมวลผลที่ยาวนานและปริมาณงานต่ำ
สถิติการผลิตระดับนานาชาติแสดงให้เห็นว่าภายใต้การดำเนินงานตลอด 24 ชั่วโมง การผลิต 10,000 แผ่นเวเฟอร์ต้องใช้เวลาประมาณ 273 วัน ดังนั้น การตอบสนองความต้องการของตลาดด้วยเทคโนโลยีเลื่อยลวดจึงต้องใช้เครื่องจักรและวัสดุสิ้นเปลืองจำนวนมาก นอกจากนี้ วิธีการดังกล่าวยังส่งผลให้พื้นผิวขรุขระ การปนเปื้อนอย่างมีนัยสำคัญ และภาระด้านสิ่งแวดล้อมที่หนักหน่วง (ฝุ่น น้ำเสีย ฯลฯ)
เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ทีมวิจัยนำโดยศาสตราจารย์ Xiu Xiangqian แห่งมหาวิทยาลัยหนานจิงได้พัฒนาอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ ด้วยการประยุกต์ใช้เทคนิคการตัดด้วยเลเซอร์ขั้นสูง ระบบนี้ช่วยลดการสูญเสียวัสดุได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันก็ช่วยปรับปรุงปริมาณงานได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อประมวลผลแท่ง SiC ขนาด 20 มม. จำนวนแผ่นเวเฟอร์ที่ผลิตด้วยการตัดด้วยเลเซอร์มีมากกว่าสองเท่า ที่ทำได้โดยการเลื่อยลวดแบบเดิม นอกจากนี้ แผ่นเวเฟอร์ที่ตัดด้วยเลเซอร์ยังมีคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่เหนือกว่า และความหนาของแผ่นเวเฟอร์สามารถลดลงได้ถึง 200 μm ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตต่อแท่ง
ข้อได้เปรียบในการแข่งขันของโครงการนี้อยู่ที่ความสมบูรณ์ทางเทคโนโลยี ต้นแบบของอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ขนาดใหญ่ได้รับการพัฒนาและสาธิตสำเร็จแล้วใน:
การตัดและการทำให้บางลงของแผ่นเวเฟอร์ SiC กึ่งฉนวนขนาด 4–6 นิ้ว
การตัดของแท่ง SiC นำไฟฟ้าขนาด 6 นิ้ว
การตรวจสอบความถูกต้องอย่างต่อเนื่องสำหรับการตัดแท่ง SiC ขนาด 8 นิ้ว
ระบบนี้มีรอบการตัดที่สั้นลง ผลผลิตแผ่นเวเฟอร์ต่อปีที่สูงขึ้น และการสูญเสียวัสดุต่อแผ่นเวเฟอร์ที่ต่ำลง ทำให้ได้การปรับปรุงผลผลิตมากกว่า 50%เมื่อเทียบกับวิธีการแบบเดิม
จากมุมมองของตลาด อุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่พร้อมที่จะกลายเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการผลิตแผ่นเวเฟอร์ SiC ขนาด 8 นิ้ว ปัจจุบัน อุปกรณ์ดังกล่าวเกือบทั้งหมดนำเข้าจากญี่ปุ่น โดยมีต้นทุนสูงและข้อจำกัดในการส่งออกที่เป็นไปได้ ความต้องการภายในประเทศสำหรับอุปกรณ์ตัด/ทำให้บางลงด้วยเลเซอร์คาดว่าจะเกิน1,000 หน่วย แต่ยังไม่มีซัพพลายเออร์ในประเทศที่ครบวงจรในปัจจุบัน ดังนั้น ระบบที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัยหนานจิงจึงมีศักยภาพทางการตลาดและมูลค่าทางเศรษฐกิจมหาศาล
นอกเหนือจาก SiC แพลตฟอร์มการตัดด้วยเลเซอร์นี้ยังสามารถขยายไปยังวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และวัสดุออปติคัลขั้นสูงอื่นๆ ได้อีกด้วย รวมถึงแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) และเพชรสังเคราะห์ ซึ่งช่วยขยายการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมให้กว้างขึ้น
