BOULEPRO 200AX - Rettifica efficiente di dischi SiC
La produzione di wafer SiC per la produzione di chip è un mercato in grande crescita. I semiconduttori non sono importanti solo per l'elettromobilità, ma vengono utilizzati anche nelle stazioni di ricarica, nella tecnologia di comunicazione 5G, negli impianti fotovoltaici ed eolici. Svolgono un ruolo cruciale nella transizione energetica.
La produzione di un puck è una sfida a causa del materiale (SiC)
I vantaggi del carburo di silicio (SiC), il materiale per i semiconduttori di nuova generazione, sono l'elevata rigidità dielettrica e l'alta conducibilità termica. Il materiale viene prodotto come cristallo singolo da una fase gassosa a circa 2400°C in forni speciali. In un processo di due settimane, cresce la cosiddetta boule, che deve poi essere trasformata in un "wafer grezzo", il puck. A causa dell'elevata durezza del SiC, la macinazione è il metodo di produzione più produttivo.
L'ulteriore lavorazione di una boule in un puck, da cui vengono tagliati i wafer in una fase di lavoro successiva, comprendeva in precedenza diverse fasi di processo individuali, alcune delle quali richiedevano un notevole impegno manuale. I costi dei wafer lavorati dipendevano fortemente dal numero e dalla complessità di queste fasi di processo.
Il produttore americano di macchine speciali USACH ha affrontato questo problema e ha sviluppato un concetto di macchina con BOULEPRO 200AX che combina, automatizza e ottimizza tutte le fasi del processo di produzione del disco. USACH fa parte del gruppo americano Hardinge ed è specializzata nella produzione di rettificatrici personalizzate per materiali particolarmente difficili da lavorare. Il Gruppo Hardinge comprende anche lo specialista svizzero della rettifica Kellenberger con i marchi Voumard e Hauser.
La BOULEPRO 200 AX di nuova concezione per la rettifica di dischi di SiC
Responsabile del progetto BOULEPRO è Jeff Gum, specialista di nuovi materiali presso Hardinge. Il suo team di sviluppo, composto da ingegneri e tecnici applicativi, con il supporto di esperti del settore SiC e fornitori di materie prime, ha analizzato le inefficienze della precedente lavorazione delle boule di SiC e ha ottimizzato i processi. Il risultato è la macchina automatizzata all-in-one a 5 assi BOULEPRO 200AX, sulla quale il pezzo può essere allineato e lavorato secondo le specifiche desiderate. Tutti i diametri di boules di SiC attualmente in uso possono essere lavorati su BOULEPRO.
Il BOULEPRO 200AX riduce drasticamente i tempi di trasformazione di una boule in un disco. Mentre i processi convenzionali richiedono più di 24 ore, con il BOULEPRO sono sufficienti 2 o 3 ore quando le operazioni di carico e scarico sono automatizzate. Questo risparmio di tempo contribuisce a una riduzione complessiva dei costi di quasi il 70% se si tiene conto di manodopera, area di produzione, scarti, efficienza della capacità e materiali di consumo.
Un fattore chiave per l'eccezionale efficienza della macchina è il fissaggio del pezzo di nuova concezione del produttore di utensili di serraggio Forkardt, anch'esso parte del Gruppo Hardinge, che tiene saldamente le boules senza colla o intervento manuale. Questo portautensili combina in modo unico un mandrino a pinza, perfetto per il bloccaggio del diametro esterno fuori tondo delle boules prima della lavorazione, con un mandrino a vuoto per tenere saldamente la superficie piatta delle boules.
Il BOULEPRO è dotato di un sistema di diffrazione a raggi X integrato che viene utilizzato per determinare l'orientamento del cristallo all'inizio del processo di lavorazione. Il sistema di diffrazione a raggi X indica quanto le facce del cristallo devono essere regolate durante la lavorazione finale. Questo processo di compensazione a doppio piano in un'unica fase (Single-Step Dual plane Compensation, SSDP), emerso dal processo di sviluppo e ora in attesa di brevetto, è l'importante fase della lavorazione della boule che garantisce che la boule venga lavorata con l'orientamento ottimale del cristallo.
Il flusso di processo per la lavorazione di una boule può essere adattato a seconda delle specifiche. Inizia con la valutazione dell'orientamento del cristallo mediante diffrazione a raggi X ed è seguito dalla pre-molatura del diametro esterno e dall'applicazione di una rettifica grezza a cupola. Dopo un'altra misurazione della struttura del cristallo, l'orientamento viene nuovamente corretto con una rettifica finale a cupola prima del trasferimento al contro-mandrino. Qui viene rettificato il lato del nucleo. Un'ulteriore misura di conferma mediante diffrazione di raggi X è seguita dall'applicazione del diametro esterno finale e dalla marcatura necessaria per l'ulteriore lavorazione mediante appiattimento o intaglio.
Sequenza di processo per la produzione di un puck di SiC: pre-macinazione del diametro esterno; rettifica grezza della cupola; esposizione ai raggi X; completamento della rettifica della cupola nell'orientamento corretto; trasferimento al contro-mandrino; rimozione del lato seme; esposizione ai raggi X per la conferma; rettifica finale del diametro esterno e spianatura/annodatura.
Un vantaggio di poter eseguire l'analisi di diffrazione dei raggi X anche durante la lavorazione è la possibilità di cambiare la sequenza in ogni fase del processo. Ad esempio, la spianatura o l'intaglio possono essere applicati in una fase successiva del processo rispetto a quella precedente e il loro allineamento è molto preciso. Grazie alla flessibilità nella sequenza delle fasi del processo BoulePro e al controllo rigoroso di tutti i parametri, la macchina produce la correzione angolare dell'orientamento del cristallo con una precisione fino a 100 volte superiore rispetto a qualsiasi altro processo precedente.
Funzioni aggiuntive del BOULEPRO 200AX
Il BOULEPRO 200AX può essere dotato di ulteriori funzioni opzionali. Una di queste è l'identificazione di politipi estranei mediante test con luce UV. Quando le boules di SiC vengono poste sotto la luce UV, alcuni politipi estranei, come il 6H, appaiono di colore diverso. Identificando la posizione delle inclusioni di 6H, è possibile rimuoverle durante la lavorazione, assicurando che il disco di SiC finale contenga solo il politipo 4H desiderato.
Un'altra opzione è un laser per etichettare il disco di SiC finito, ad esempio con un numero di lotto, importante per la tracciabilità del materiale. Integrando un sistema di elaborazione delle immagini, è possibile scattare foto di alta qualità del pezzo in ogni fase del processo.
La BOULEPRO 200 AX sarà introdotta in tutti i mercati europei, statunitensi e asiatici in autunno. Jeff Gum è convinto: "Il nostro concetto di macchina cambierà per sempre il futuro mercato della produzione di wafer SiC, che è molto combattuto. In termini di quantità e soprattutto di qualità."
