يمكن استخدام ركائز كربيد السيليكون (SiC) لإعداد أجهزة الطاقة، وأجهزة الترددات اللاسلكية، وأجهزة الكشف التي تتحمل درجات الحرارة العالية، والفولتية العالية، والإشعاع. وستجد هذه التطبيقات واسعة النطاق في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، ومركبات الطاقة الجديدة، والنقل بالسكك الحديدية، وغيرها من المجالات، مما يوفر آفاق تطبيق واسعة وأهمية استراتيجية كبيرة. تشتمل عملية التصنيع لرقائق-بلورة SiC المفردة بشكل أساسي على سحب السبائك وتقطيعها وخطوات عملية أخرى، بهدف الحصول على-رقائق SiC عالية الجودة بسماكة معينة.
ومع ذلك، فإن صلابة SiC العالية للغاية وهشاشته وثباته الكيميائي الجيد تجعل من الصعب معالجته. ونتيجة لذلك، أصبحت تكنولوجيا القطع SiC نقطة ساخنة للأبحاث الحالية. في الوقت الحاضر، تشتمل طرق القطع الرئيسية لرقائق SiC- البلورية المفردة على قطع شفرة المنشار الدائري الماسي، وتصنيع الأسلاك بالتفريغ الكهربائي (WEDM)، وقطع المنشار السلكي، والضغط الحراري بالليزر -قطع الكسور الذي يتم التحكم فيه (التكسير الحراري بالليزر)، والتقطيع الخفي بالليزر.
تقطيع الشفرة (قطع المنشار)
يستخدم تقطيع الشفرات منشار تقطيع عالي الدقة-لقطع الرقاقات. يتم إرفاق العينة بفيلم أزرق، ويتم طحن أداة ماسية دوارة عالية السرعة-على عينة SiC. يؤدي الإجهاد الميكانيكي إلى حدوث كسر هش في المادة، مما يؤدي إلى الانفصال. أثناء القطع، تدور الأداة بسرعات عالية جدًا (عادةً 30.000-50.000 دورة في الدقيقة) مع تطبيق ضغط تغذية محوري. تتكون الأداة عادة من حبيبات الماس ومصفوفة الرابطة، مع سطح مغطى بجزيئات الماس بحجم ميكرون. تولد هذه الجسيمات ضغطًا محليًا عاليًا للغاية عند ملامستها لسطح SiC، مما يتسبب في حدوث شقوق صغيرة داخل المادة. مع استمرار تقدم الأداة، تنتشر هذه الشقوق الصغيرة على طول مستويات بلورية محددة وتترابط، وتشكل في النهاية كسورًا عيانية تكمل القطع. تتأثر جودة القطع بعدة عوامل: سرعة دوران الأداة، ومعدل التغذية، واستخدام المبرد، كلها تؤثر بشكل كبير على نتيجة التقطيع.
القطع بنفث الماء
القطع بنفث الماء هي طريقة معالجة تعتمد على نفث الماء عالي الضغط. يتم ضغط الماء إلى مستويات عالية جدًا ويتم تمريره عبر فوهة ذات فتحة صغيرة لتكوين نفاث عالي السرعة، والذي يقوم بعد ذلك بتقطيع المادة. يمكن تقسيم هذه التقنية إلى قطع بنفث الماء النقي وقطع بنفث الماء الكاشط. يمزج القطع الكاشط بنفث الماء الجزيئات الكاشطة (مثل العقيق أو أكسيد الألومنيوم) في نفث الماء، مما يعزز بشكل كبير قدرته على معالجة المواد الصلبة.
يوفر القطع بنفث الماء مزايا ملحوظة: فطبيعته المعالجة على البارد تتجنب المناطق المتأثرة بالحرارة، مما يجعله مناسبًا للمواد الحساسة للحرارة؛ فهو يوفر مرونة عالية لقطع الأشكال الهندسية المعقدة؛ وهي خالية من التلوث مع ضوضاء منخفضة. ومع ذلك، فإن القطع بنفث الماء له أيضًا قيود: سرعة القطع بطيئة نسبيًا، والاستثمار الأولي في المعدات الأولية، والكفاءة المحدودة عند تصنيع المواد فائقة الصلابة مثل SiC، والميل إلى التسبب في تشققات هشة.
القطع بالليزر الموجه بالماء النفاث
مبدأ القطع بالليزر الموجه بنفث الماء هو استخدام نفث الماء كوسيلة نقل لشعاع الليزر. يتم توجيه تيار الماء بشكل عمودي على سطح المادة. عندما ينتقل شعاع الليزر داخل نفث الماء، يحدث انعكاس داخلي كلي عند واجهة نفث الهواء. بعد عدة انعكاسات، يتغير توزيع طاقة الليزر من شكل غاوسي إلى شكل مسطح قبل أن يعمل على سطح قطعة العمل.
يعمل القطع بالليزر الموجه بنفث الماء على تقليل التأثيرات الحرارية لليزر بشكل فعال. ومع ذلك، تتطلب هذه التقنية إدخال نفاثات مائية صغيرة، مما يزيد من تعقيد المعدات وتكلفتها. علاوة على ذلك، من الصعب تحقيق الاقتران المستقر بين الليزر ونفث الماء الصغير، مما يؤدي إلى أوقات تشغيل قصيرة ومستقرة، وتكاليف صيانة عالية، وتشغيل صعب، مما يحد من التطبيق العملي. نظرًا لانخفاض تطبيقها العملي وانخفاض كفاءة المعالجة، فمن غير المرجح أن تشهد هذه الطريقة اعتمادًا واسع النطاق في تقطيع الرقاقات.
قطع الاستئصال بالليزر
مبدأ عمل القطع بالليزر هو تركيز شعاع الليزر على سطح المادة. تمتص المادة طاقة الليزر، مما يسبب اهتزازات قسرية للذرات في الشبكة البلورية، مما يؤدي إلى تسريع الحركة الحرارية وتوليد الحرارة. عندما تتجاوز الطاقة المدخلة عتبة الاجتثاث للمادة، يتم إذابة المادة وتبخيرها، وبالتالي تتم إزالتها. في الوقت الحالي، يمكن أن تصل سرعة المسح القصوى للقطع بالليزر إلى 1000 مم/ثانية، مما يوفر سرعة معالجة عالية. ومع ذلك، لا تزال هذه الطريقة تعتمد على إزالة المواد، مما يتطلب تبخيرًا كاملاً للمادة الموجودة في المنطقة الممسوحة ضوئيًا بالليزر. غالبًا ما يؤدي إدخال الحرارة المفرطة إلى مناطق كبيرة متأثرة بالحرارة، وشقوق حرارية، وأضرار حرارية أخرى، مما يقلل من جودة القطع.
التقطيع الخفي بالليزر
يعتمد التقطيع الخفي بالليزر على تركيز شعاع ليزر شبه شفاف بطول موجي محدد من خلال نظام تركيز بصري إلى موقع محدد داخل الرقاقة، وتشكيل طبقة معدلة. تتضمن هذه التقنية خطوتين رئيسيتين: تشكيل الطبقة المعدلة وفصل الرقاقة. أثناء مرحلة التقطيع بالليزر، يتم اختيار الطول الموجي لليزر وفقًا للخصائص الفيزيائية للمادة التي تتم معالجتها. من خلال تحسين معلمات العملية، يتم إنشاء طبقة معدلة داخل الرقاقة. يكون تكوين الطبقة المعدلة مصحوبًا بشقوق صغيرة تمتد نحو الأسطح الأمامية والخلفية للرقاقة. بالنسبة للرقائق ذات سمك معين، يتم ضبط تركيز الليزر للمسح على أعماق متعددة، مما يسمح للطبقات المعدلة بالترابط وتشكيل شبكة كاملة. بعد إنشاء الطبقة المعدلة بالليزر، يجب فصل الرقاقة باستخدام القوة الميكانيكية. بشكل نموذجي، يتم تطبيق ضغط أو تمديد الأسطوانة لنشر الشقوق الصغيرة من الطبقة المعدلة عبر سمك الرقاقة بالكامل، مما يحقق فصلًا كاملاً للرقاقة. أثناء خطوة الفصل الميكانيكي، يعد توحيد الطبقة المعدلة والتحكم في التشققات أمرًا بالغ الأهمية لتجنب تقطيع المادة.