SiC晶片倒角技術研究

張 弛

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220)

倒角加工是SiC 單晶片加工的主要工序。受SiC 材料性質的限制(莫氏硬度為9．2，僅次于金剛石)，選用金剛石砂輪進行倒角，根據晶片所需的形狀，可以將SiC 單晶片的倒角方法分為如圖1所示的兩種。因此，如何高精度、高質量、低損傷地對SiC 晶體進行倒角，使之減少對后續加工的影響。

目前國內使用的倒角設備主要有日本東京精密（TSK）的W-GM 系列倒角機和日本大圖電子（Daitron）的WBM 系列倒角機。倒角機設備使用的砂輪從制造方法上分主要有兩種類型：一種是電鍍法的砂輪；一種是燒結法的砂輪。電鍍法的砂輪主要是美國生產的Diamotec 和Nifec 等，燒結法的砂輪主要有日本的Asahi(SUN)、KGW 等。

圖1 R 形和T 形晶片邊緣輪廓

1 SiC 的邊緣倒角工藝

1.1 晶片倒角目的

SiC 晶片倒角是把切割好的晶片邊緣磨削成指定的形狀，防止在后續加工過程中晶片邊緣出現裂紋、崩邊及晶格缺陷的產生等[1]，提高晶片的機械強度和可加工性[2]。在后續工藝中，如果晶片不被倒角，在研磨和清洗工藝中，通過游輪和超聲波振動的作用會使晶片邊緣的裂紋向內延伸容易使晶片破碎，在拋光工藝中，鋒利的晶片邊緣會給拋光布帶來劃傷，影響壽命[3]，也會影響拋光片的表面質量，同時晶片倒角也是把晶錠外周滾圓產生的參考邊弧面去除控制參考邊長度和晶片直徑。

1.2 倒角過程中，影響邊緣質量的因素

在晶片邊緣倒角時，影響到晶片邊緣質量的因素很多，主要有主軸精度，Y 軸端跳，砂輪質量等，當然一些加工工藝參數也會對晶片邊緣產生很大的影響，如切入量，接觸速度，砂輪轉速，吸盤轉速等。這些工藝參數以不同的方式影響著晶片邊緣倒角過程。晶片邊緣倒角后的崩邊情況是一個衡量晶片在后續工藝使用中可能產生破損的重要參數，很大程度上決定了磨削后的晶片能否在后續工藝中使用。崩邊程度常用在顯微鏡下檢測晶片邊緣磨削后形成不規則亮點的大小來衡量[4]。

1.3 SiC 倒角原理

倒角機用于對晶片邊緣進行磨削，晶片被真空吸附在吸盤上旋轉，其附近水平方向上有一高速旋轉砂輪，倒角時，吸盤帶動晶片緩慢靠近高速旋轉的砂輪，晶片和砂輪都圍繞自己的軸線旋轉進行邊緣研磨如圖2所示，冷卻液噴射在磨削區域，從而實現邊緣倒角的目的。

圖2 晶片倒角示意圖

2 實驗

2.1 實驗裝置

實驗采用的機器為日本Daitron 公司生產的WBM-2200 倒角機，BX51M 微分干涉顯微鏡。

2.2 原材料

碳化硅單晶切割片，500#金剛石倒角砂輪。

2.3 實驗過程

整個實驗采用1 圈一次倒角的方式進行倒角，通過改變砂輪轉速、晶片切入量、吸盤轉速的工藝參數，觀察倒角后晶片邊緣狀況。實驗結果列于表1、表2及3。

表1 在不同切入量下進行邊緣倒角時晶片邊緣質量

從表1可知，在微分干涉顯微鏡下觀察隨著切入量的增加崩邊和亮點數目增多（見圖3、圖4），說明切入量越大，機械作用越強，對倒角邊緣作用力越大，容易產生裂片和崩邊，所以在選用500#的砂輪時切入量在100 μm 左右比較合適。

圖3 切入量100 μm

圖4 切入量500 μm

表2 在不同砂輪轉速下進行邊緣倒角時晶片邊緣質量

從表2可知，在微分干涉顯微鏡下觀察，隨著砂輪轉速的增大，邊緣質量越好（見圖5、圖6）。這是因為，提高砂輪轉速，可以降低晶片在磨削時的受力，所以不僅提高了砂輪的使用壽命，也降低了磨削后在硅片上殘余的機械應力和晶片磨削表面的粗糙度[2]，但砂輪轉速的提高，同樣也增加了磨削時產生的熱量，使磨削區的溫度升高，而溫度的升高，增加了磨削區域殘余的熱應力，且溫度的升高，降低了砂輪金剛砂粒的硬度，也使磨粒與磨削材料之間產生擴散磨損和粘接磨損，使磨粒迅速鈍化，降低了砂輪的使用壽命，也使磨削時磨削表面出現淺坑或溝痕，增加了表面粗糙度。所以砂輪轉速既不能太高，也不能太低，在選用500# 砂輪時砂輪轉速在2 500 m/min 左右比較合適。

圖5 砂輪轉速1 000 m/min

圖6 砂輪轉速3 000 m/min

表3 在不同吸盤轉速下進行邊緣倒角時晶片邊緣質量

從表3可知，在微分干涉顯微鏡下觀察，吸盤轉速越大，邊緣質量越不好（見圖7、圖8）。說明吸盤轉速越大，磨削的去除率越高，但速度太高崩邊程度會越大。崩邊常出現在晶片表面與倒角邊緣交界處。經過試驗，在選用500#的砂輪時，吸盤轉速在4 mm/s 左右比較合適。

圖7 吸盤轉速5 mm/s

圖8 吸盤轉速11 mm/s

3 結 論

SiC 邊緣倒角質量需要考慮各方面因素，通過以上實驗我們得出，晶片邊緣質量受到砂輪轉速影響，砂輪轉速越高，磨削效果越好，但砂輪的磨損也會越嚴重;吸盤轉速越高，磨削的去除率越高，但速度太高崩邊程度會越大。同樣，切入量大小也會影響晶片邊緣磨削后的崩邊情況，切入量越小晶片質量越好。在選用500# 的砂輪時切入量在100 μm 左右比較合適，砂輪轉速在2 500 m/min 左右比較合適，吸盤轉速在4 mm/s左右比較合適。

[1]周永溶.半導體材料[M].北京：北京理工大學出版社，1992.

[2]苗利剛.硅片倒角工藝研究[J].科學論壇，2012(2)：49-50.

[3]張厥宗.硅單晶拋光片的加工技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4]黨蘭煥.基于DOE 優化光學玻璃晶片邊緣磨削工藝[J].半導體技術，2010(3)：228-232.