金剛石多線切割工藝對(duì)高純4H—SiC晶片翹曲度的影響

徐偉 王英民 何超 靳霄曦 谷曉曉

摘 要：描述了高純SiC晶體材料的加工方法，分析了金剛石多線各種切割工藝對(duì)高純SiC晶體的切割效果及效率的影響，并基于金剛石切割SiC晶體的理論依據(jù)，結(jié)合各種工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)及切割片數(shù)據(jù)，總結(jié)出相對(duì)穩(wěn)定的工藝條件，并在這類工藝條件下，得出較低翹曲度的高純SiC晶片，滿足下游客戶的要求，采用TROPEL FM-100平坦度測(cè)試儀分析各種切割工藝條件下的高純100 mm 4H-SiC切割片表面形貌。

關(guān)鍵詞：金剛石線；高純4H-SiC晶片；翹曲度

中圖分類號(hào)：TG48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）07-0126-02

Abstract：In this paper， the processing method of high purity SiC crystal material is described. The effect of diamond cutting process on the slicing efficiency and efficiency of high purity SiC crystal is analyzed. Based on the theoretical basis of diamond slicing SiC crystal， Test data and slicing wafers data， summed up the relatively stable process conditions， and in this type of process conditions， the lower Warp of the high-purity SiC wafer can be meet the requirements of customers. The surface morphology of high purity 100 mm 4H-SiC dicing pieces under various slicing conditions was analyzed by TROPEL FM-100 flatness tester.

Key Words：Diamond wire； High purity 4H-SiC wafer； Warp

碳化硅（SiC）具有高功率密度、低熱損耗、強(qiáng)抗輻射能力，因此，這種半導(dǎo)體被認(rèn)為是當(dāng)前最有研究?jī)r(jià)值且最適宜產(chǎn)業(yè)化推廣的新型半導(dǎo)體襯底材料。由于碳化硅材料的莫氏硬度大約為9.25，尤其是高純碳化硅晶體材料的切割研磨拋光難度大，使用內(nèi)圓切割機(jī)、單線切割機(jī)等傳統(tǒng)切割方式已不能有效提高切割效率。

在SiC晶體的切割過(guò)程中，SiC晶片切割后的指標(biāo)參數(shù)在加工工序中占有很重要的地位，如果切片幾何參數(shù)質(zhì)量好，則可減少后續(xù)的磨拋工作量以及生產(chǎn)成本，提高最終SiC拋光片的幾何參數(shù)加工質(zhì)量。因此，目前主體SiC晶體線切割工序均采用金剛石多線切割工藝進(jìn)行SiC晶體的切割。晶體切割過(guò)程中的工藝參數(shù)控制對(duì)晶片翹曲度的影響最大，主要受制于切割線速度、進(jìn)給速率、切割張力以及金剛石線用線量等工藝參數(shù)，當(dāng)這些工藝參數(shù)相互匹配時(shí)，SiC切割片的翹曲度會(huì)被控制在較低范圍內(nèi)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

高純4H-SiC晶片切割選用高速金剛石多線切割機(jī)，試驗(yàn)裝置的切割原理為4H-SiC晶棒（見(jiàn)圖1所示），垂直于金剛石線向下進(jìn)給，金剛石線由可正反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)輪帶動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)輪作順時(shí)針（逆時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)使走線達(dá)到每步程序設(shè)定的最大長(zhǎng)度時(shí)，導(dǎo)輪在控制系統(tǒng)作用下實(shí)現(xiàn)逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使金剛石線往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切割，同時(shí)晶棒在搖擺電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)切割。由冷水機(jī)組控制噴在金剛石線網(wǎng)上的冷卻液的溫度。

采用直徑為0.25μm金剛石線進(jìn)行切割，金剛石線顯微圖如2所示，線上金剛石密度為26/cm。

金剛石多線切割中WARP的約束是加工難點(diǎn)，WARP值和BOW值的產(chǎn)生主要認(rèn)為：WARP主要源于切割產(chǎn)生，BOW來(lái)自于晶體本身應(yīng)力造成，對(duì)于不同晶體生長(zhǎng)工藝方式獲得的晶體也略有不同，晶片的翹曲會(huì)導(dǎo)致在后續(xù)的加工中使晶片軸線與晶軸偏離。

由于WARP值、BOW值大無(wú)法通過(guò)后道工序有效降低，并且后續(xù)加工時(shí)間很長(zhǎng)，所以在切割工藝過(guò)程中需嚴(yán)格控制WARP。通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)觀察，工作臺(tái)受力的變化同WARP值的變化有很大相關(guān)性，變化最大部分造成的WARP值占到整個(gè)WARP值的60%～80%，對(duì)于100 mm（4英寸）晶體來(lái)說(shuō)，通常發(fā)生在切入晶體的80 mm左右。（工作臺(tái)載荷即晶體向下進(jìn)給時(shí)受到所有金剛石線給于的向上反壓力。）如圖3所示，

1.2 試驗(yàn)工藝

1.2.1 試驗(yàn)工藝條件A

工藝條件如表1所示，采用同一批次金剛石線，線徑為0.25μm，搖擺角度3°，其WARP分布與表面形貌見(jiàn)圖4、圖5。

1.2.2 試驗(yàn)工藝條件B

工藝條件如表2所示，采用同一批次金剛石線，線徑為0.25μm，搖擺角度3°，WARP分布圖與表面形貌見(jiàn)圖6、圖7。

1.2.3 試驗(yàn)工藝條件C

工藝條件如表3所示，采用同一批次金剛石線，線徑為0.25μm，搖擺角度3°， WARP分布圖與表面形貌見(jiàn)圖8、圖9。

2討論

在金剛石線鋸切割單晶SiC的切割過(guò)程中，SiC晶體是在切割過(guò)程中被金剛石線上的金剛石顆粒去除掉。線切過(guò)程過(guò)程中，切割縫內(nèi)SiC晶體材料去除過(guò)程如圖10所示。

圖10所示，a表示金剛石線接觸SiC晶體材料示意圖、b圖表示金剛石線磨削晶體材料、c圖表示金剛石線在切割過(guò)程中的震動(dòng)。從切割縫底部的亞表面損傷的結(jié)果中可以看到，切割縫底部的亞表面裂紋分布密集，而切割縫側(cè)面的亞表面裂紋分布很少。在理想線切割條件下，金剛石線無(wú)橫向振動(dòng)，SiC晶體在切割縫底部被金剛石顆粒以二體磨削的形式，通過(guò)金剛石線鋸上的金剛石磨粒對(duì)SiC晶體進(jìn)行擠壓與滑擦，將SiC晶體以脆性方式去除掉。

在實(shí)際切割中，由于金剛石線截面是圓形的，在切割縫底部最底處材料的去除厚度hmax最高，在切割過(guò)程中，切割縫底部邊界處材料的去除厚度趨于0。當(dāng)單位長(zhǎng)度的線切割材料去除率低于某一臨界值時(shí)，脆性材料去除可轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧先コＴ谇懈羁p邊界處，具備SiC晶體的塑性材料去除方式的條件。在切割縫底部是通過(guò)材料的脆性去除產(chǎn)生的裂紋，在切割縫側(cè)面的過(guò)程中，側(cè)壁材料大部分將以塑性材料去除方式被去除掉。還有一部分切割裂紋由于橫向長(zhǎng)度大于金剛石線半徑，在形成切割縫側(cè)面的過(guò)程中被保留下來(lái)。然而在線切割過(guò)程中很多情況下存在金剛石線的橫向振動(dòng)，造成側(cè)壁SiC晶體的二次去除，在切割縫表面產(chǎn)生新的裂紋，將原有裂紋擴(kuò)展，使得以脆性材料去除方式將側(cè)壁SiC晶體去除，造成最終切割縫寬度略大于金剛石線線徑。

切割時(shí)切割工藝線速度越大如工藝C所示，進(jìn)給速度越小將造成材料去除厚度hmax越小，使得在切割縫底部邊界附近，以塑性材料去除方式的區(qū)域越大。金剛石線速度的增大，工件進(jìn)給速度的減小同時(shí)降低了鋸切力，在切割縫底部形成的表面裂紋長(zhǎng)度降低。在切割縫側(cè)面通過(guò)原有裂紋擴(kuò)展而去除的SiC晶體減少，在切割縫側(cè)面造成的延性區(qū)越大。

3結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際金剛石線鋸切割SiC晶體的工藝過(guò)程中，線張力的增大如工藝C所示，導(dǎo)致金剛石線承受的剛度增大，線剛度增大導(dǎo)致金剛石顆粒對(duì)于SiC晶體的避讓減小，實(shí)際切痕變大，材料去除率增高，切割后晶片翹曲度得到很好改善。

參考文獻(xiàn)

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