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Il carburo di silicio (SiC) non è solo una tecnologia critica per la sicurezza della difesa nazionale, ma anche un materiale chiave che guida i progressi nelle industrie automobilistiche ed energetiche globali. Nella catena di lavorazione dei monocristalli di SiC, il taglio dell'ingotto coltivato in wafer è il primissimo passo, e le prestazioni di questa fase di taglio determinano l'efficienza e la qualità dei successivi processi di assottigliamento e lucidatura. Tuttavia, il taglio dei wafer spesso induce crepe superficiali e sottosuperficiali, che aumentano significativamente i tassi di rottura dei wafer e i costi di produzione complessivi. Pertanto, il controllo dei danni da crepe superficiali durante il taglio è di grande importanza per il progresso della produzione di dispositivi in SiC.

Al momento, il taglio degli lingotti di SiC affronta due sfide principali:

1. Elevata perdita di materiale nella tradizionale segatura a filo multiplo
   Il SiC è un materiale estremamente duro e fragile, il che rende il taglio e la lucidatura molto impegnativi. La segatura a filo multiplo convenzionale porta spesso a gravi deformazioni, incurvature e fessurazioni durante la lavorazione, con conseguente sostanziale perdita di materiale. Secondo i dati di Infineon, con il tradizionale metodo di segatura a filo diamantato abrasivo fisso a movimento alternativo, il tasso di utilizzo del materiale durante il taglio è di circa il 50%. Dopo la successiva rettifica e lucidatura, la perdita cumulativa può raggiungere il 75% (circa 250 µm per wafer), lasciando una porzione utilizzabile molto limitata.

1. Ciclo di lavorazione lungo e bassa produttività
   I dati di produzione internazionali mostrano che con un funzionamento continuo 24 ore su 24, la produzione di 10.000 wafer può richiedere circa 273 giorni. Per soddisfare la domanda del mercato, sono necessarie grandi quantità di attrezzature e materiali di consumo per la segatura a filo. Inoltre, la segatura a filo multiplo introduce un'elevata rugosità superficiale/interfacciale e causa gravi problemi di contaminazione come polvere e acque reflue.

Per affrontare queste sfide critiche, il team di ricerca del professor Xiangqian Xiu presso l'Università di Nanchino ha sviluppato un'attrezzatura per il taglio laser di SiC su larga scala. Questa tecnologia innovativa adotta il taglio laser invece della segatura a filo, riducendo significativamente la perdita di materiale e aumentando l'efficienza produttiva. Ad esempio, utilizzando un singolo lingotto di SiC da 20 mm, il numero di wafer prodotti dal taglio laser è più del doppio rispetto alla segatura a filo convenzionale. Inoltre, i wafer tagliati al laser dimostrano proprietà geometriche superiori, con lo spessore del singolo wafer ridotto fino a 200 µm, aumentando ulteriormente la produzione di wafer.

Vantaggi competitivi
Il progetto ha completato con successo lo sviluppo di un prototipo di sistema di taglio laser di grandi dimensioni, ottenendo il taglio e l'assottigliamento di wafer di SiC semi-isolanti da 4–6 pollici, nonché lingotti di SiC conduttivi da 6 pollici. La validazione per il taglio di lingotti di SiC da 8 pollici è attualmente in corso. L'apparecchiatura offre molteplici vantaggi, tra cui tempi di taglio più brevi, maggiore produzione annuale di wafer e minore perdita di materiale per wafer, con un miglioramento complessivo della resa produttiva superiore al 50%.

Prospettive di mercato
Si prevede che l'attrezzatura per il taglio laser di SiC su larga scala diventerà lo strumento principale per la futura lavorazione di lingotti di SiC da 8 pollici. Attualmente, tale apparecchiatura si basa fortemente sulle importazioni dal Giappone, che non sono solo costose, ma anche soggette a restrizioni all'esportazione. La domanda interna di apparecchiature per il taglio e l'assottigliamento laser di SiC supera le 1.000 unità, eppure non sono disponibili soluzioni domestiche mature commercialmente. Pertanto, l'attrezzatura per il taglio laser di SiC su larga scala sviluppata dall'Università di Nanchino detiene un enorme potenziale di mercato e valore economico.

Oltre alle applicazioni SiC, questo sistema di taglio laser può essere applicato anche ad altri materiali avanzati come il nitruro di gallio (GaN), l'ossido di gallio (Ga₂O₃) e il diamante, ampliando le sue prospettive di applicazione industriale.