碳化硅多線切割技術(shù)研究

付純鶴，周慶亞，陳學(xué)森，丁鵬剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

碳化硅多線切割技術(shù)研究

付純鶴，周慶亞，陳學(xué)森，丁鵬剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

在對(duì)碳化硅物理特性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其多線切割的工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)出了在碳化硅多線切割設(shè)備的幾個(gè)需要注意的技術(shù)要點(diǎn)；并在所研制的設(shè)備上進(jìn)行了工藝切割試驗(yàn)，獲得了較好的切割效果。

碳化硅；多線切割；擺動(dòng)

碳化硅為第三代新型半導(dǎo)體材料的代表材料，其具有寬禁帶、高漂移速度、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、耐高溫等優(yōu)良特性，已成為研制高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等微電子器件和電力電子器件的理想材料。碳化硅晶體（莫桑鉆）在自然界存在十分稀少。雖然早在1914年就發(fā)現(xiàn)其優(yōu)良的特性，但由于人工生長(zhǎng)難度大，一直未得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著PVT方法的出現(xiàn)和推廣，作為第三代半導(dǎo)體的碳化硅晶體材料的應(yīng)用逐漸推廣起來(lái)。良品的碳化硅晶體本身十分昂貴，主要因?yàn)椋旱谝皇巧L(zhǎng)所需原材料純度高，價(jià)格高；二是生長(zhǎng)設(shè)備投入大；三是生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，基本要一周時(shí)間；四是晶體良品率低。綜合以上因素，造成了碳化硅晶體棒料的價(jià)格高昂，其切割出的晶片更是水漲船高。SiC襯底2013年產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)10億美元，高昂的SiC晶片成本占SiC半導(dǎo)體器件價(jià)格的40%以上，已成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。為了降低SiC晶片生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)對(duì)SiC材料加工生產(chǎn)線國(guó)產(chǎn)化提出迫切需求，給國(guó)產(chǎn)設(shè)備發(fā)展提供了契機(jī)。

由于碳化硅屬于硬脆材料，其模式硬度達(dá)到9.5，僅次于金剛石，具備內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)同向性，分子間的結(jié)合力大，因此造成其切割困難。傳統(tǒng)的內(nèi)外圓切割方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效的切割。隨著金

針對(duì)碳化硅材料的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行切割的多線設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）高線速。由于碳化硅材料硬度高，為了實(shí)現(xiàn)其高效切割，需要進(jìn)一步提高切割時(shí)的線速度，本設(shè)備在研制時(shí)，即確定了穩(wěn)定切割線速度為1 200 m/min。

（2）擺動(dòng)切割。通過(guò)對(duì)藍(lán)寶石晶體切割的經(jīng)驗(yàn)可以得出，在采用擺動(dòng)切割方式時(shí)，其所切割的晶片與非擺動(dòng)切割的晶片表面質(zhì)量從表面粗糙度、彎曲度和翹曲度等指標(biāo)均有很大提高。

為了進(jìn)一步提高碳化硅的切割效率和切割晶片的表面質(zhì)量，因此設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)采用了線網(wǎng)擺動(dòng)切割的方式。

（3）可靠的張力控制算法。由于碳化硅材料硬，難于切割，其單次切割時(shí)間長(zhǎng)。并且由于碳化硅材料價(jià)格昂貴，不允許在切割過(guò)程中出現(xiàn)斷線等故障造成的材料損失。因此為了防止上述情況的發(fā)生，需要有一套可靠地張力控制算法，保證切割過(guò)程的順利進(jìn)行。

基于上述幾點(diǎn)技術(shù)要求，在由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所進(jìn)行JDQ-601金剛線多線切割設(shè)備的研制過(guò)程中，采用了如下幾項(xiàng)技術(shù)以滿足上述切割技術(shù)要求。

1　高速主軸設(shè)計(jì)技術(shù)

碳化硅屬于硬度高的材料，其切割難度大，傳統(tǒng)低線速的設(shè)備在切割時(shí)效率低下，100 mm（4英寸）晶棒的切割時(shí)間在幾天甚至一周的時(shí)間。因此，提高線速度可以有效提高材料的切割效率，而線速度的提高，就要求多線切割機(jī)的核心部件――主軸具備更高的轉(zhuǎn)速。

為了實(shí)現(xiàn)主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用有限元分析的方法，精確設(shè)計(jì)主軸及主軸承載部件的結(jié)構(gòu)和相關(guān)部件材料的選擇，保證主軸在軸向、徑向的精度以及同軸度。

由于主軸為高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中內(nèi)部的熱量需要及時(shí)散發(fā)出來(lái)，否則會(huì)造成切片質(zhì)量的降低甚至主軸的損壞，在主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，增加了內(nèi)部及核心運(yùn)轉(zhuǎn)部件的冷卻設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)該冷卻裝置進(jìn)行獨(dú)立的PID溫度調(diào)節(jié)控制，嚴(yán)格保證主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度，確保其溫度環(huán)境的穩(wěn)定。

由于主軸位于切割的核心區(qū)域，密切接觸水及各種切割粉塵顆粒等物質(zhì)，為防止水及各種微粒進(jìn)入主軸內(nèi)部，在主軸設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免水和微粒進(jìn)入主軸內(nèi)部，同時(shí)采用多重氣密封技術(shù)，保證主軸內(nèi)部的潔凈度（見圖1所示）。

圖1　主軸原理圖

2　擺動(dòng)切割技術(shù)

圖2　擺動(dòng)原理圖

擺動(dòng)切割的原理：把兩個(gè)主軸固定在可以擺動(dòng)的圓盤上，通過(guò)圓盤的擺動(dòng)來(lái)帶動(dòng)主軸乃至整個(gè)切割線網(wǎng)擺動(dòng)，而被切割材料則處于線網(wǎng)上方，并按照垂直于線網(wǎng)平面的方向向下進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的切割。由于線網(wǎng)的擺動(dòng)，切割線與被切材料之間的切割接觸區(qū)域變小，同樣的張力下，對(duì)接觸點(diǎn)的接觸力更大，因此其切割力也就越大，實(shí)現(xiàn)快速切割。同時(shí)，由于線網(wǎng)的擺動(dòng)，切割線會(huì)反復(fù)通過(guò)已切割完畢的切割面，進(jìn)一步提高切割表面的質(zhì)量（見圖2所示）。

為提高擺動(dòng)的精度和效率，設(shè)備在設(shè)計(jì)制造和選材過(guò)程中均做出了嚴(yán)格的要求，即保證了擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，又保證了擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的輕便性。同時(shí)，由于擺動(dòng)機(jī)構(gòu)為運(yùn)動(dòng)部件，并且密切接觸水和微粒的環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行了防水防塵等方面的設(shè)計(jì)，提高其運(yùn)行的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

3　高線速小線徑張力控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)碳化硅材料的高效切割及降低材料的損耗，切割線徑應(yīng)當(dāng)盡可能小，小線徑帶來(lái)的問(wèn)題是線承載的最大張力負(fù)荷的減小以及張力波動(dòng)值得減小。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高效切割，線速度應(yīng)當(dāng)更高，更高的線速度意味著切割過(guò)程中張力波動(dòng)的影響因素更加密集的出現(xiàn)。因此，高線速小線徑對(duì)切割的張力控制技術(shù)是此切割方式控制方面的關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)張力的更精細(xì)控制，采用了高靈敏度張力傳感器作為張力控制的檢測(cè)信號(hào)。相對(duì)于過(guò)去依靠張力臂位置檢測(cè)的方式，該方式具有實(shí)時(shí)性高，靈敏度高等特點(diǎn)，能夠保證控制系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出張力值得變化，以便對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)作出及時(shí)的調(diào)整。

同時(shí)，通過(guò)針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣運(yùn)動(dòng)控制部件的特點(diǎn)，優(yōu)化張力PID控制算法的各個(gè)相關(guān)因子，提高其對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和電氣部件的控制靈敏度，進(jìn)一步確保了張力控制的實(shí)時(shí)性。

通過(guò)上述措施，在空運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)際切割過(guò)程中，其表現(xiàn)出了良好的控制效果，在線速度1 200 m/min，收放線端的張力波動(dòng)范圍均未超出1 N，張力臂擺動(dòng)角度控制在5°以內(nèi)且擺動(dòng)動(dòng)作平滑柔和。

圖3　張力波動(dòng)曲線

4　切割效果

通過(guò)上述幾個(gè)技術(shù)方案在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的JDQ-601金剛線多線切割設(shè)備上的應(yīng)用，使用該設(shè)備針對(duì)100 mm碳化硅材料進(jìn)行了多次的切片試驗(yàn)，取得了良好的效果。在進(jìn)行多次切割并不斷完善切割工藝的技術(shù)上，目前已實(shí)現(xiàn)100 mm碳化硅晶片的高質(zhì)量可靠切割，其切割的晶片表面指標(biāo)為，平整度（TTV）＜20 μm、翹曲度（BOW）＜25 μm、彎曲度（Warp）＜25 μm，達(dá)到了業(yè)內(nèi)對(duì)碳化硅晶片的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4　碳化硅晶片表面形貌圖

5　結(jié)論

本文根據(jù)碳化硅晶體材料的自身特點(diǎn)及切割晶片的具體的技術(shù)指標(biāo)要求，探討了碳化硅多線切割設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，并把這些技術(shù)成功的運(yùn)用在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的JDQ-601金剛線多線切割設(shè)備上。并使用該型號(hào)多線切割機(jī)進(jìn)行了多次碳化硅切片工藝試驗(yàn)，最終切割出的碳化硅晶片，達(dá)到了業(yè)內(nèi)對(duì)碳化硅晶片切割的表面質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)要求，取得了理想的效果。

Research on Sic Silcing by Multi-wire Saw

FU Chunhe，ZHOU Qingya，CHEN Xuesen，DING Penggang

（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

In this paper，based on the analysis physical character about SiC，and we introduce some research on its multi-wire saw cut，and get some key processing technology about the MWS.And we did some experiment about SiC cuttingusingthis machine，and the surface qualityabout SiC wafer is good. Keywords：SiC；Multi-wire-saw；Swing

TP305

B

1004-4507（2016）08-0024-03

2016-06-29剛線切割技術(shù)的出現(xiàn)，碳化硅的金剛線切割設(shè)備的研制和應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。

付純鶴（1977-）男，吉林人，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事人工晶體材料加工設(shè)備研究。