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Il carburo di silicio (SiC) non è solo un materiale strategico fondamentale per la difesa nazionale, ma anche una tecnologia fondamentale per le industrie automobilistiche ed energetiche globali. Il primissimo passo nella produzione di wafer in SiC è il taglio di lingotti di SiC coltivati in massa in wafer sottili. La qualità di questo processo di taglio determina direttamente l'efficienza e la resa delle successive fasi di assottigliamento e lucidatura. Tuttavia, i metodi di taglio convenzionali spesso introducono crepe sulla superficie e nel sottosuolo del wafer, il che aumenta i tassi di rottura dei wafer e fa lievitare i costi di produzione. Pertanto, ridurre al minimo i danni superficiali durante il taglio è fondamentale per far progredire le tecnologie di produzione di dispositivi in SiC.

Al momento, il taglio di wafer in SiC deve affrontare due sfide principali:

1. Elevata perdita di materiale con la tradizionale segatura a filo multiplo.
   A causa dell'estrema durezza e fragilità del SiC, la segatura e la lucidatura sono tecnicamente impegnative, portando spesso a gravi deformazioni dei wafer, crepe ed eccessivo spreco di materiale. Secondo i dati di Infineon, i metodi tradizionali di segatura a filo diamantato alternativo raggiungono solo ~50% di utilizzo del materiale nella fase di taglio. Dopo la rettifica e la lucidatura, la resa effettiva può scendere fino al 75% (con una perdita totale per wafer di ~250 μm), lasciando una proporzione relativamente bassa di wafer utilizzabili.

2. Cicli di lavorazione lunghi e bassa produttività.
   Le statistiche di produzione internazionali mostrano che con un funzionamento continuo 24 ore su 24, la produzione di 10.000 wafer richiede circa 273 giorni. Soddisfare la domanda del mercato con la tecnologia della sega a filo richiede quindi un numero elevato di macchine e materiali di consumo. Inoltre, il metodo si traduce in una scarsa rugosità superficiale, una significativa contaminazione e pesanti oneri ambientali (polvere, acque reflue, ecc.).

Per affrontare queste sfide, il team di ricerca guidato dal professor Xiu Xiangqian presso l'Università di Nanchino ha sviluppato apparecchiature per il taglio laser SiC di grande diametro. Applicando tecniche avanzate di taglio laser, il sistema riduce significativamente la perdita di materiale migliorando notevolmente la produttività. Ad esempio, quando si elabora un lingotto di SiC da 20 mm, il numero di wafer prodotti con il taglio laser è più del doppio rispetto a quello ottenuto con la segatura a filo convenzionale. Inoltre, i wafer tagliati al laser presentano proprietà geometriche superiori e lo spessore del wafer può essere ridotto fino a 200 μm, aumentando ulteriormente la resa per lingotto.

Il vantaggio competitivo di questo progetto risiede nella sua maturità tecnologica. Un prototipo dell'apparecchiatura di taglio laser su larga scala è già stato sviluppato e dimostrato con successo in:

• Taglio e assottigliamento di wafer in SiC semi-isolanti da 4–6 pollici

• Taglio di lingotti di SiC conduttivi da 6 pollici

• Convalida in corso per taglio di lingotti di SiC da 8 pollici

Questo sistema offre cicli di taglio più brevi, una maggiore produzione annuale di wafer e una minore perdita di materiale per wafer, ottenendo oltre 50% di miglioramento della resa rispetto ai metodi convenzionali.

Da una prospettiva di mercato, le apparecchiature per il taglio laser SiC di grande diametro sono destinate a diventare la tecnologia principale per la produzione di wafer in SiC da 8 pollici. Attualmente, tali apparecchiature sono quasi esclusivamente importate dal Giappone, con costi elevati e potenziali restrizioni all'esportazione. La domanda interna di apparecchiature per il taglio/assottigliamento laser dovrebbe superare le 1.000 unità, ma oggi non esiste un fornitore nazionale maturo. Il sistema sviluppato dall'Università di Nanchino detiene quindi un sostanziale potenziale di mercato ed un enorme valore economico.

Oltre al SiC, questa piattaforma di taglio laser può essere estesa anche ad altri materiali semiconduttori e ottici avanzati, tra cui il nitruro di gallio (GaN), l'ossido di gallio (Ga₂O₃) e il diamante sintetico, ampliando ulteriormente la sua applicazione industriale.