ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ไม่เพียงแต่เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับความมั่นคงของชาติเท่านั้น แต่ยังเป็นวัสดุสำคัญที่ขับเคลื่อนความก้าวหน้าในอุตสาหกรรมยานยนต์และพลังงานทั่วโลก ในกระบวนการผลิตคริสตัลเดี่ยว SiC การตัดแท่งที่เติบโตเป็นแผ่นเวเฟอร์เป็นขั้นตอนแรก และประสิทธิภาพของขั้นตอนการตัดนี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพและคุณภาพของกระบวนการทำให้บางลงและการขัดเงาในภายหลัง อย่างไรก็ตาม การตัดแผ่นเวเฟอร์มักทำให้เกิดรอยแตกบนพื้นผิวและใต้พื้นผิว ซึ่งเพิ่มอัตราการแตกของแผ่นเวเฟอร์และต้นทุนการผลิตโดยรวมอย่างมาก ดังนั้น การควบคุมความเสียหายจากรอยแตกบนพื้นผิวระหว่างการตัดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าในการผลิตอุปกรณ์ SiC
ปัจจุบัน การตัดแท่ง SiC เผชิญกับความท้าทายหลักสองประการ:
การสูญเสียวัสดุสูงในการเลื่อยลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิม
SiC เป็นวัสดุที่แข็งและเปราะมาก ซึ่งทำให้การตัดและการขัดเงาเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง การเลื่อยลวดหลายเส้นแบบเดิมมักนำไปสู่การโค้งงอ การบิดเบี้ยว และการแตกร้าวอย่างรุนแรงระหว่างการประมวลผล ส่งผลให้เกิดการสูญเสียวัสดุจำนวนมาก จากข้อมูลของ Infineon ข้อมูลอัตราการใช้วัสดุระหว่างการตัดมีเพียงประมาณ 50% ภายใต้วิธีการเลื่อยลวดเพชรแบบขัดถูแบบคงที่แบบลูกสูบแบบดั้งเดิม หลังจากบดและขัดเงาในภายหลัง การสูญเสียสะสมอาจสูงถึง 75% (ประมาณ 250 µm ต่อแผ่นเวเฟอร์) ทำให้เหลือส่วนที่ใช้งานได้น้อยมาก
รอบการประมวลผลที่ยาวนานและปริมาณงานต่ำ
ข้อมูลการผลิตระดับสากลแสดงให้เห็นว่า ด้วยการทำงานต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง การผลิตเวเฟอร์ 10,000 แผ่นอาจใช้เวลาประมาณ 273 วัน เพื่อตอบสนองความต้องการของตลาด จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์และวัสดุสิ้นเปลืองในการเลื่อยลวดจำนวนมาก นอกจากนี้ การเลื่อยลวดหลายเส้นยังทำให้เกิดความหยาบของพื้นผิว/รอยต่อสูงและทำให้เกิดปัญหาการปนเปื้อนอย่างร้ายแรง เช่น ฝุ่นและน้ำเสีย
เพื่อแก้ไขความท้าทายที่สำคัญเหล่านี้ ทีมวิจัยของศาสตราจารย์ Xiangqian Xiu จากมหาวิทยาลัยหนานจิงได้พัฒนาอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC ขนาดใหญ่ เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้ใช้การตัดด้วยเลเซอร์แทนการเลื่อยลวด ซึ่งช่วยลดการสูญเสียวัสดุและเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอย่างมาก ตัวอย่างเช่น การใช้แท่ง SiC ขนาด 20 มม. เพียงแท่งเดียว จำนวนเวเฟอร์ที่ผลิตโดยการตัดด้วยเลเซอร์มีมากกว่าสองเท่าของการเลื่อยลวดแบบเดิม นอกจากนี้ เวเฟอร์ที่ตัดด้วยเลเซอร์ยังแสดงคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่เหนือกว่า โดยความหนาของเวเฟอร์เดี่ยวลดลงเหลือเพียง 200 µm ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตของเวเฟอร์
ข้อได้เปรียบในการแข่งขัน
โครงการได้ดำเนินการพัฒนาต้นแบบระบบตัดด้วยเลเซอร์ขนาดใหญ่สำเร็จ ซึ่งสามารถตัดและทำให้บางลงของเวเฟอร์ SiC กึ่งฉนวนขนาด 4–6 นิ้ว รวมถึงแท่ง SiC นำไฟฟ้าขนาด 6 นิ้ว ปัจจุบันอยู่ระหว่างการตรวจสอบความถูกต้องสำหรับการตัดแท่ง SiC ขนาด 8 นิ้ว อุปกรณ์นี้มีข้อดีหลายประการ รวมถึงเวลาในการตัดที่สั้นลง ผลผลิตเวเฟอร์ต่อปีที่สูงขึ้น และการสูญเสียวัสดุต่อเวเฟอร์ที่ต่ำลง โดยมีการปรับปรุงผลผลิตโดยรวมมากกว่า 50%
แนวโน้มของตลาด
คาดว่าอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC ขนาดใหญ่จะกลายเป็น เครื่องมือหลักสำหรับการประมวลผลแท่ง SiC ขนาด 8 นิ้วในอนาคต ปัจจุบัน อุปกรณ์ดังกล่าวต้องพึ่งพาการนำเข้าจากญี่ปุ่นเป็นอย่างมาก ซึ่งไม่เพียงแต่มีราคาแพงเท่านั้น แต่ยังอยู่ภายใต้ข้อจำกัดในการส่งออกอีกด้วย ความต้องการภายในประเทศสำหรับอุปกรณ์ตัดและทำให้บางลงด้วยเลเซอร์ SiC เกินกว่า 1,000 หน่วย แต่ยังไม่มีโซลูชันภายในประเทศที่ใช้งานได้จริงในเชิงพาณิชย์ ดังนั้น อุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC ขนาดใหญ่ที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัยหนานจิงจึงมีศักยภาพทางการตลาดและมูลค่าทางเศรษฐกิจมหาศาล
นอกเหนือจากการใช้งาน SiC แล้ว ระบบตัดด้วยเลเซอร์นี้ยังสามารถนำไปใช้กับวัสดุขั้นสูงอื่นๆ เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) และเพชร ซึ่งเป็นการขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ไม่เพียงแต่เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับความมั่นคงของชาติเท่านั้น แต่ยังเป็นวัสดุสำคัญที่ขับเคลื่อนความก้าวหน้าในอุตสาหกรรมยานยนต์และพลังงานทั่วโลก ในกระบวนการผลิตคริสตัลเดี่ยว SiC การตัดแท่งที่เติบโตเป็นแผ่นเวเฟอร์เป็นขั้นตอนแรก และประสิทธิภาพของขั้นตอนการตัดนี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพและคุณภาพของกระบวนการทำให้บางลงและการขัดเงาในภายหลัง อย่างไรก็ตาม การตัดแผ่นเวเฟอร์มักทำให้เกิดรอยแตกบนพื้นผิวและใต้พื้นผิว ซึ่งเพิ่มอัตราการแตกของแผ่นเวเฟอร์และต้นทุนการผลิตโดยรวมอย่างมาก ดังนั้น การควบคุมความเสียหายจากรอยแตกบนพื้นผิวระหว่างการตัดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าในการผลิตอุปกรณ์ SiC
ปัจจุบัน การตัดแท่ง SiC เผชิญกับความท้าทายหลักสองประการ:
การสูญเสียวัสดุสูงในการเลื่อยลวดหลายเส้นแบบดั้งเดิม
SiC เป็นวัสดุที่แข็งและเปราะมาก ซึ่งทำให้การตัดและการขัดเงาเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง การเลื่อยลวดหลายเส้นแบบเดิมมักนำไปสู่การโค้งงอ การบิดเบี้ยว และการแตกร้าวอย่างรุนแรงระหว่างการประมวลผล ส่งผลให้เกิดการสูญเสียวัสดุจำนวนมาก จากข้อมูลของ Infineon ข้อมูลอัตราการใช้วัสดุระหว่างการตัดมีเพียงประมาณ 50% ภายใต้วิธีการเลื่อยลวดเพชรแบบขัดถูแบบคงที่แบบลูกสูบแบบดั้งเดิม หลังจากบดและขัดเงาในภายหลัง การสูญเสียสะสมอาจสูงถึง 75% (ประมาณ 250 µm ต่อแผ่นเวเฟอร์) ทำให้เหลือส่วนที่ใช้งานได้น้อยมาก
รอบการประมวลผลที่ยาวนานและปริมาณงานต่ำ
ข้อมูลการผลิตระดับสากลแสดงให้เห็นว่า ด้วยการทำงานต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง การผลิตเวเฟอร์ 10,000 แผ่นอาจใช้เวลาประมาณ 273 วัน เพื่อตอบสนองความต้องการของตลาด จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์และวัสดุสิ้นเปลืองในการเลื่อยลวดจำนวนมาก นอกจากนี้ การเลื่อยลวดหลายเส้นยังทำให้เกิดความหยาบของพื้นผิว/รอยต่อสูงและทำให้เกิดปัญหาการปนเปื้อนอย่างร้ายแรง เช่น ฝุ่นและน้ำเสีย
เพื่อแก้ไขความท้าทายที่สำคัญเหล่านี้ ทีมวิจัยของศาสตราจารย์ Xiangqian Xiu จากมหาวิทยาลัยหนานจิงได้พัฒนาอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC ขนาดใหญ่ เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้ใช้การตัดด้วยเลเซอร์แทนการเลื่อยลวด ซึ่งช่วยลดการสูญเสียวัสดุและเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอย่างมาก ตัวอย่างเช่น การใช้แท่ง SiC ขนาด 20 มม. เพียงแท่งเดียว จำนวนเวเฟอร์ที่ผลิตโดยการตัดด้วยเลเซอร์มีมากกว่าสองเท่าของการเลื่อยลวดแบบเดิม นอกจากนี้ เวเฟอร์ที่ตัดด้วยเลเซอร์ยังแสดงคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่เหนือกว่า โดยความหนาของเวเฟอร์เดี่ยวลดลงเหลือเพียง 200 µm ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตของเวเฟอร์
ข้อได้เปรียบในการแข่งขัน
โครงการได้ดำเนินการพัฒนาต้นแบบระบบตัดด้วยเลเซอร์ขนาดใหญ่สำเร็จ ซึ่งสามารถตัดและทำให้บางลงของเวเฟอร์ SiC กึ่งฉนวนขนาด 4–6 นิ้ว รวมถึงแท่ง SiC นำไฟฟ้าขนาด 6 นิ้ว ปัจจุบันอยู่ระหว่างการตรวจสอบความถูกต้องสำหรับการตัดแท่ง SiC ขนาด 8 นิ้ว อุปกรณ์นี้มีข้อดีหลายประการ รวมถึงเวลาในการตัดที่สั้นลง ผลผลิตเวเฟอร์ต่อปีที่สูงขึ้น และการสูญเสียวัสดุต่อเวเฟอร์ที่ต่ำลง โดยมีการปรับปรุงผลผลิตโดยรวมมากกว่า 50%
แนวโน้มของตลาด
คาดว่าอุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC ขนาดใหญ่จะกลายเป็น เครื่องมือหลักสำหรับการประมวลผลแท่ง SiC ขนาด 8 นิ้วในอนาคต ปัจจุบัน อุปกรณ์ดังกล่าวต้องพึ่งพาการนำเข้าจากญี่ปุ่นเป็นอย่างมาก ซึ่งไม่เพียงแต่มีราคาแพงเท่านั้น แต่ยังอยู่ภายใต้ข้อจำกัดในการส่งออกอีกด้วย ความต้องการภายในประเทศสำหรับอุปกรณ์ตัดและทำให้บางลงด้วยเลเซอร์ SiC เกินกว่า 1,000 หน่วย แต่ยังไม่มีโซลูชันภายในประเทศที่ใช้งานได้จริงในเชิงพาณิชย์ ดังนั้น อุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์ SiC ขนาดใหญ่ที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัยหนานจิงจึงมีศักยภาพทางการตลาดและมูลค่าทางเศรษฐกิจมหาศาล
นอกเหนือจากการใช้งาน SiC แล้ว ระบบตัดด้วยเลเซอร์นี้ยังสามารถนำไปใช้กับวัสดุขั้นสูงอื่นๆ เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) และเพชร ซึ่งเป็นการขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม
