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摘要: 超宽禁代半导体大尺寸金刚石材料基于微射流激光技术切片的实现金刚石作为超宽禁带半导体材料的一员(禁带宽度5.5eV),具有一系列优异的物理和化学性质,如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率 ...

超宽禁代半导体大尺寸金刚石材料基于微射流激光技术切片的实现

金刚石作为超宽禁带半导体材料的一员(禁带宽度5.5eV),具有一系列优异的物理和化学性质,如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等,这使其在高新科技尖端领域中,特别是电子技术中得到广泛关注,被公认为是最具前景的新型半导体材料。基于这些优势,使用超宽禁带半导体材料可以使新一代电子器件变得更小、更快、更可靠且更高效。这有助于减少电子元件的质量、体积以及生命周期成本,同时允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,也使得电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。

金刚石在高频高压条件下具有广泛且不可替代的应用优势和前景,被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料,被业界誉为“终极半导体”。

金刚石作为半导体材料的应用存在问题

尽管金刚石在半导体材料应用方面具有诸多优势,但仍存在以下问题亟需解决:

(一)缺乏大尺寸金刚石衬底,阻碍了大尺寸金刚石的生长,通过马赛克法将小尺寸衬底拼接,可以制备出大尺寸单晶,但在拼接处存在缺陷,影响金刚石膜的质量,并且采用拼接方法制备的大面积衬底并不能增加后续的器件工艺中单位面积的器件数量,阻碍了金刚石的应用。

(二)需要更加深入的研究金刚石p型和n型掺杂。金刚石n型掺杂一直是困扰科学家们的难题,除了采用改变磷源和降低载流子浓度的方法外,还可以尝试寻找比磷更合适的掺杂元素,以实现金刚石更好的n型导电性能。

(三)实验得到的金刚石器件的性能还未达到预期效果。这主要存在两个问题,其一是难以控制外延膜的掺杂,为了控制金刚石功率器件的电场和串联电阻,需要精确控制选择性区域的掺杂浓度;其二是器件制备工艺存在一定的困难。材料制备、器件设计及制造和应用研究方面的紧密结合,可以将培育金刚石器件的研究推上一个新的台阶。

传统切割技术

目前,切割金刚石的主要方式有水刀切割、电火花切割和激光切割。采用传统的机械和化学法很难对其进行加工,目前较为成熟的的是激光切割。激光切割的过程为脉冲激光与金刚石表面的二级作用,光子以双光子或多光子的方式与金刚石晶格作用,首先高功率激光束使材料聚焦处表面发生石墨化,之后石墨化的表面在下一束脉冲激光的作用下石墨化表面升华。从原理上可以看出,激光切割具有较其他方式独特的优势,即无接触式加工、效率高、切缝小、热影响区域小等优点。虽然激光切割金刚石有很多优点,但由于金刚石对紫外光比红外光的吸收比更高,这样,波长更短的准分子激光用于金刚石切割更为可取。但目前还不能得到具有适合脉冲能量,光束质量和脉冲重复率的准分子激光器,而且准分子激光器价格昂贵,不易商品化。同时,但对于金刚石切割来说,金刚石吸收光的关键是在高温时金刚石表面遭受到的石墨化效应,石墨化过程是金刚石有效烧蚀的过程,形成500μm所需材料,其激光损耗厚度约为1200μm,对材料本身的损耗相对较大,结合晶体材料本身超长的生长周期,以及成锭尺寸有限,其加工让使用者颇为头疼。

微射流激光切割

晟光硅研推出微射流激光技术加工金刚石材料,基于技术的独特性,在加工效率、加工损耗、成品面型、碳化影响等方面,得到了客户的一致好评,经过打样及承接缺口加工的技术积累迭代,已经形成完备的可销售标准化设备,为金刚石客户降本助力。

加工案例如下:

样品描述及加工要求

图1:金刚石来料尺寸形貌

如图1所示,为客户提供的原始金刚石样品,样品尺寸20 mm x 20 mm x 2.317 mm(长*宽*厚),金刚石缺一角,四周边缘存在多晶且有多条向内部延伸的微裂纹,微裂纹长度基本集中在2-5 mm。沿金刚石边缘纵向切片,切割深度20 mm,切割单片厚度0.5-0.6 mm,尽量保证一次性切割成片,切割面满足粗糙度检测需求。

图2:金刚石切片效果

将样品固定在用于加工金刚石的特种夹具上,将其安装微射流激光设备工作台面进行切割完成切片,共计切片数量4片,单片切割时长3h左右,上图2为切片的切割效果。

一次性实现20mm*20mm大尺寸的金刚石切割,切片过程中未产生新的裂纹,也未使原始裂纹发生延展。材料原始厚度2.317mm,共计成片四片,成片结果厚度单片为:0.56mm,整个切片过程中,共计损耗材料77μm

粗糙度检测

对加工完成的片子的切割面进行了粗糙度检测,如图3所示,粗糙度Ra=0.336 μm

图3:切割面粗糙度检测情况

总结:

1. 目前工艺可实现一次性切割20 mm*20 mm的大尺寸样品;

2. 单片样品的切割效率为3h,小尺寸样品的切割效率更高;

3. 样品切割面粗糙度检测Ra=0.336 μm

4. 目前打样使用设备功率最高不超25W,未来若加工大尺寸样品,可选大功率设备,来满足更高加工效率的提升。

除上述案例外,我司还打样和代工了其他金刚石材料,举例如下:

(镀金膜金刚石)

(传统金刚石)

(MPCVD单晶金刚石)

公司简介

晟光硅研在专注滚圆/切片/划片设备及工艺定型之余,同时拓宽服务特种材料探索及代工,从碳化硅成熟应用为起点,打样测试及代工包括但不局限于:氮化镓晶体、超宽禁带半导体材料(金刚石、氧化镓)、航空航天特种材料、陶瓷复合材料、闪烁晶体等,解决硬、脆、贵材料加工瓶颈。

未来,该项技术设备也将为航空发动机热端部件制造、航空器CFRP结构件加工、CMC刹车片材料加工、大规模集成电路晶片切割等行业提供领先的解决方案。同时,由于其在三代半切割领域具有独创性、开拓性与先导性,具有非常广泛的推广应用价值也势必引起全球范围内该领域的技术迭代。


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