金剛石多線切割工藝對高純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，結合各種工藝試驗數據及切割片數據，總結出相對穩定的工藝條件，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。

關鍵詞：金剛石線；高純4H-SiC晶片；翹曲度

中圖分類號：TG48 文獻標識碼：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、強抗輻射能力，因此，這種半導體被認為是當前最有研究價值且最適宜產業化推廣的新型半導體襯底材料。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，使用內圓切割機、單線切割機等傳統切割方式已不能有效提高切割效率。

在SiC晶體的切割過程中，SiC晶片切割后的指標參數在加工工序中占有很重要的地位，如果切片幾何參數質量好，則可減少后續的磨拋工作量以及生產成本，提高最終SiC拋光片的幾何參數加工質量。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行SiC晶體的切割。晶體切割過程中的工藝參數控制對晶片翹曲度的影響最大，主要受制于切割線速度、進給速率、切割張力以及金剛石線用線量等工藝參數，當這些工藝參數相互匹配時，SiC切割片的翹曲度會被控制在較低范圍內。

1 實驗

1.1 實驗方法

高純4H-SiC晶片切割選用高速金剛石多線切割機，試驗裝置的切割原理為4H-SiC晶棒（見圖1所示），垂直于金剛石線向下進給，金剛石線由可正反向旋轉的導輪帶動，當導輪作順時針（逆時針）轉動使走線達到每步程序設定的最大長度時，導輪在控制系統作用下實現逆向轉動，從而使金剛石線往復運轉實現切割，同時晶棒在搖擺電機的驅動下實現擺動切割。由冷水機組控制噴在金剛石線網上的冷卻液的溫度。

采用直徑為0.25μm金剛石線進行切割，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，WARP值和BOW值的產生主要認為：WARP主要源于切割產生，BOW來自于晶體本身應力造成，對于不同晶體生長工藝方式獲得的晶體也略有不同，晶片的翹曲會導致在后續的加工中使晶片軸線與晶軸偏離。

由于WARP值、BOW值大無法通過后道工序有效降低，并且后續加工時間很長，所以在切割工藝過程中需嚴格控制WARP。通過工藝實驗觀察，工作臺受力的變化同WARP值的變化有很大相關性，變化最大部分造成的WARP值占到整個WARP值的60%～80%，對于100 mm（4英寸）晶體來說，通常發生在切入晶體的80 mm左右。（工作臺載荷即晶體向下進給時受到所有金剛石線給于的向上反壓力。）如圖3所示，

1.2 試驗工藝

1.2.1 試驗工藝條件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分布與表面形貌見圖4、圖5。

1.2.2 試驗工藝條件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圖6、圖7。

1.2.3 試驗工藝條件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圖8、圖9。

2討論

在金剛石線鋸切割單晶SiC的切割過程中，SiC晶體是在切割過程中被金剛石線上的金剛石顆粒去除掉。線切過程過程中，切割縫內SiC晶體材料去除過程如圖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程中的震動。從切割縫底部的亞表面損傷的結果中可以看到，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，金剛石線無橫向振動，SiC晶體在切割縫底部被金剛石顆粒以二體磨削的形式，通過金剛石線鋸上的金剛石磨粒對SiC晶體進行擠壓與滑擦，將SiC晶體以脆性方式去除掉。

在實際切割中，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，在切割過程中，切割縫底部邊界處材料的去除厚度趨于0。當單位長度的線切割材料去除率低于某一臨界值時，脆性材料去除可轉變為塑性材料去除。在切割縫邊界處，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材料的脆性去除產生的裂紋，在切割縫側面的過程中，側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度大于金剛石線半徑，在形成切割縫側面的過程中被保留下來。然而在線切割過程中很多情況下存在金剛石線的橫向振動，造成側壁SiC晶體的二次去除，在切割縫表面產生新的裂紋，將原有裂紋擴展，使得以脆性材料去除方式將側壁SiC晶體去除，造成最終切割縫寬度略大于金剛石線線徑。

切割時切割工藝線速度越大如工藝C所示，進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域越大。金剛石線速度的增大，工件進給速度的減小同時降低了鋸切力，在切割縫底部形成的表面裂紋長度降低。在切割縫側面通過原有裂紋擴展而去除的SiC晶體減少，在切割縫側面造成的延性區越大。

3結語

在實際金剛石線鋸切割SiC晶體的工藝過程中，線張力的增大如工藝C所示，導致金剛石線承受的剛度增大，線剛度增大導致金剛石顆粒對于SiC晶體的避讓減小，實際切痕變大，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

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