Субстратите от силициев карбид (SiC) могат да се използват за подготовка на захранващи устройства, радиочестотни устройства и устройства за откриване, които издържат на високи температури, високи напрежения и радиация. Те ще намерят широки приложения в потребителската електроника, превозните средства с нова енергия, железопътния транспорт и други области, предлагайки широки перспективи за приложение и значително стратегическо значение. Производственият процес за моно-кристални SiC пластини включва главно издърпване на слитък, нарязване на слитък и други стъпки на процеса с цел получаване на високо-качествени SiC пластини с определена дебелина.
Изключително високата твърдост, крехкостта и добрата химическа стабилност на SiC обаче го правят труден за обработка. Следователно технологията за рязане на SiC се превърна в настояща гореща точка за изследване. Понастоящем основните методи за рязане на моно-кристални SiC пластини включват рязане с диамантен циркулярен трион, електроерозионна обработка с тел (WEDM), рязане с тел, рязане с-контролирано счупване с лазерно термично напрежение (лазерно термично напукване) и лазерно стелт рязане.
Нарязване на ножове (рязане с трион)
За рязане на кубчета се използва високо{0}}прецизен трион за рязане на вафли. Пробата е прикрепена към син филм и високоскоростен въртящ се диамантен инструмент се шлайфа върху пробата SiC. Механичното напрежение предизвиква крехко счупване на материала, което води до разделяне. По време на рязане инструментът се върти с много високи скорости (обикновено 30 000–50 000 об./мин.) с прилагано аксиално захранващо налягане. Инструментът обикновено се състои от диамантени зърна и свързваща матрица, с повърхност, покрита с диамантени частици с микронни размери. Тези частици генерират изключително високо локално напрежение при контакт с SiC повърхността, причинявайки микропукнатини вътре в материала. Докато инструментът продължава да напредва, тези микропукнатини се разпространяват по специфични кристални равнини и се свързват, като в крайна сметка образуват макроскопични фрактури, които завършват разреза. Качеството на рязане се влияе от много фактори: скоростта на въртене на инструмента, скоростта на подаване и използването на охлаждащата течност - всички те значително влияят върху резултата от рязане.
Рязане с водна струя
Водоструйното рязане е метод на обработка, базиран на водна струя под високо налягане. Водата се подлага на ултрависоко налягане и преминава през малка дюза с отвор, за да образува високоскоростна струя, която след това разрязва материала. Тази техника може да бъде разделена на чисто рязане с водна струя и рязане с абразивна водна струя. Абразивното рязане с водна струя смесва абразивни частици (напр. гранат или алуминиев оксид) във водната струя, което значително подобрява способността й да обработва твърди материали.
Водоструйното рязане предлага забележителни предимства: неговият характер на студена обработка избягва зоните, засегнати от топлината, което го прави подходящ за чувствителни на топлина материали; осигурява висока гъвкавост за рязане на сложни геометрии; и е без замърсяване с нисък шум. Водоструйното рязане обаче има и ограничения: относително бавна скорост на рязане, висока първоначална инвестиция в оборудване, ограничена ефективност при обработка на ултратвърди материали като SiC и склонност към причиняване на крехко напукване.
Лазерно рязане с водна струя
Принципът на лазерното рязане с водна струя е използването на водна струя като средство за предаване на лазерния лъч. Водната струя е насочена перпендикулярно на повърхността на материала. Когато лазерният лъч се предава вътре във водната струя, възниква пълно вътрешно отражение на интерфейса въздушна струя. След многократни отражения разпределението на енергията на лазера се променя от Гаус в профил с плосък връх, преди да въздейства върху повърхността на детайла.
Лазерното рязане с водна струя ефективно намалява термичните ефекти на лазера. Тази техника обаче изисква въвеждането на микроводна струя, което увеличава сложността на оборудването и разходите. Нещо повече, трудно се постига стабилно свързване между лазера и микроводната струя, което води до кратки времена на стабилна работа, високи разходи за поддръжка и предизвикателна работа, ограничаваща неговата практичност. Като се има предвид неговата ниска практичност и ниска ефективност на обработка, този метод е малко вероятно да получи широко разпространение при нарязването на вафли.
Рязане с лазерна аблация
Принципът на работа на рязане с лазерна аблация е фокусирането на лазерен лъч върху повърхността на материала. Материалът абсорбира лазерната енергия, причинявайки принудителни вибрации на атомите в кристалната решетка, ускорявайки топлинното движение и генерирайки топлина. Когато входящата енергия превиши прага на аблация на материала, материалът се стопява и изпарява, като по този начин се отстранява. В момента максималната скорост на сканиране за рязане с лазерна аблация може да достигне 1000 mm/s, предлагайки висока скорост на обработка. Въпреки това, този метод все още разчита на отстраняване на материала, което изисква пълно изпаряване на материала в лазерно сканираната зона. Прекомерното подаване на топлина често води до големи зони, засегнати от топлина, термични пукнатини и други термични повреди, намалявайки качеството на рязане.
Лазерно стелт нарязване на кубчета
Лазерното стелт нарязване се основава на фокусиране на полупрозрачен лазерен лъч с определена дължина на вълната през оптична система за фокусиране към точно място във вътрешността на пластината, образувайки модифициран слой. Технологията включва две ключови стъпки: формиране на модифицирания слой и отделяне на чипа. По време на етапа на лазерно рязане дължината на лазерната вълна се избира според физическите свойства на материала, който се обработва. Чрез оптимизиране на параметрите на процеса във вътрешността на пластината се създава модифициран слой. Образуването на модифицирания слой е придружено от микропукнатини, които се простират към предната и задната повърхност на пластината. За вафли с определена дебелина лазерният фокус се настройва да сканира на множество дълбочини, което позволява на модифицираните слоеве да се свържат и да образуват цялостна мрежа. След като бъде създаден лазерно формованият модифициран слой, пластината трябва да се отдели с помощта на механична сила. Обикновено се прилага ролково пресоване или разтягане за разпространение на микропукнатините от модифицирания слой през цялата дебелина на пластината, постигайки пълно отделяне на стружките. По време на етапа на механично разделяне, еднородността на модифицирания слой и контролът на пукнатините са от решаващо значение, за да се избегне натрошаване на материала.