高線速下碳化硅單晶的快速平坦化切割

靳霄曦，徐 偉，魏汝省，王英民

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 簡 介

碳化硅襯底具有高功率密度、低熱損耗、強抗輻射能力等優越性能，同時與氮化鎵的晶格失配率小，適用于其外延生長，所以，人們認為碳化硅是最有前途的半導體襯底材料。但是，這種材料的莫氏硬度高達9.2～9.8，僅次于超硬材料，加工難度很大；使用傳統加工方式(如內圓切、外圓切、單線切等)已經不能有效地獲得晶圓，因此，必須采用多線切割設備[1]。

早期的多線切割方式主要為使用游離磨料的砂線切割：在切割過程中，把砂漿噴在鋼線網上進行三體磨削，目前這種設備已經開始被淘汰。為達到更快地切割硬度更高的材料，人們發明了使用固結磨料線的多線切割設備：這種設備是將金剛石顆粒固定在鋼線上，使用金剛石線進行多線切割。相比于游離磨料切割技術，固結磨料切割具備如下優點：鋸口損失小、材料去除率高、切片表面質量好、切割環境清潔[2]。

在碳化硅單晶切割過程中，不僅要減少切片的厚度差與翹曲度，同時也需要關注切割過程中造成的晶片表面損傷，減少切割損傷可以降低后續研拋工序的去除量，降低加工成本。

本文使用可達到高線速度的多線切割設備對大直徑碳化硅晶體進行切割。進行4英寸與6英寸碳化硅晶錠的快速切割試驗，計劃使用5小時左右切割完成4寸晶錠，用12小時切割完成6寸晶錠，這一切割時間約為砂線切割時間的15%，低線速度金剛石線切割時間的50%。隨后，研究了金剛石濃度對切割片損傷層的影響，以減小高線速度條件下線切割產生的損傷。

2 高速切割碳化硅單晶

使用高速線鋸對4英寸和6英寸碳化硅單晶錠進行了切割試驗，晶錠厚度在18～20mm之間。實驗所用設備是國產的一款高線速度多線切割機，適用于2～8英寸晶錠切割，可實現高線速度和高線張力(圖1)。

所用電鍍金剛石線為本所定制的國產碳化硅切割專用線，母線直徑為180μm，金剛石粒徑30～40μm，通過顯微鏡觀察金剛石濃度約為20顆/mm(圖2)。使用電鍍方式可對金剛石產生很強的束縛力，使金剛石難以脫離，滿足高線速度切割要求。

圖1 高速多線切割機Fig.1 High speed multi-wire saw

圖2 電鍍金剛石線顯微照片Fig.2 Micro-photo of plated diamond wire

在本次研究中，為達到短時間完成切割的目標，4英寸單晶碳化硅切割試驗時，設定進刀速度為0.3mm/min，使用了四種不同線速度切割(1000、1200、1500、1800m/min，見表1)，對比了不同線速度的切割效果。

表1 4寸切割條件

切割完成后，使用平坦度測試儀對晶片進行翹曲度(WARP)檢測。如圖3所示，隨著切割線速度的增加，切割片的翹曲度由大于80μm降至25μm以下。

在1500m/min線速度條件下，進行6英寸碳化硅單晶切割試驗，切割工藝條件如表2所示。

圖3 線速度和翹曲度間的關系Fig.3 Relationship between wire speed and warp

線速度1500 m/min晶體尺寸6英寸線規格Φ180μm～30/40μm設備型號350羅拉槽距1 mm線進給量12.0 m/min進刀速度0.2 mm/min

切割完成后，使用平坦度測試儀對晶片進行翹曲度(WARP)檢測。實驗結果如圖4，切割片翹曲度基本在40～50μm之間，已經可以滿足后續加工的要求。

圖4 6寸碳化硅單晶切割片翹曲度Fig.4 Warp of 6 inch slicing wafer

根據相關報道，早先3英寸碳化硅切割片的翹曲度大都在30～40μm之間，4英寸的約為50～60μm，在相同條件下進行6英寸的切割，所得切割片的翹曲度接近甚至大于80μm[3]。但在本次試驗中在更高的線速度條件下，得到了更小翹曲度的晶片(圖5)。因此，在更高的線速度可以實現更快地切割6英寸碳化硅單晶錠同時，還能保證切割片有良好的平坦度。

圖5 碳化硅切割翹曲度對比Fig.5 The comparison of SiC slicing warp

3 切割片表面損傷層的減小

碳化硅單晶是由Si-C雙原子層堆垛組成的正四面體型，以雙原子層作為一個整體依序排列結晶，層與層之間由共價鍵相連。這種構造導致晶片表面極性分為Si極性面和C極性面。材料的去除機理為雙原子層之間共價鍵的斷裂，晶片極性不改變，這種共價、強鍵、復雜的晶格構造和晶體結構導致晶體的物理性質表現為脆性。當外力作用使其達到彈性極限時無顯著變形，而是突然斷裂，一般斷裂面較粗糙，延展率和斷面收縮率均較小，脆性更加明顯。這種性質導致金剛石磨粒作用在其表面的切應力或應力積累達到碳化硅單晶的彈性極限時，晶片表面主要發生脆性斷裂或彈性破壞而達不到理想的表面質量[4]。

在切割碳化硅單晶時，必須要減少切割過程中造成的晶片損傷。當切割線損傷減少，就可以有效降低在后續研拋過程中的材料移除量，降低加工成本。加工引起的損傷與表面粗糙度之間的關系已有文獻報道過[5]。

在切割片表面，使用光學顯微鏡觀察到了與切片過程中的金剛石線往復運動軌跡相對應的鋸痕，切割鋸痕呈周期性重復峰谷的形狀(圖6)，紅色的部分為波峰，綠色波分表示波谷，每個周期間隔約為0.5mm，峰谷高度差約為3μm。

圖6 切割片表面掃描形貌Fig.6 The surface of slicing wafer

對切割片進行拋光處理，可觀察到切割過程損傷層在鋸痕峰部比谷部更深。這是由于在進刀過程中，切割線會橫向振動滑移，而設備提供的張力又會使試圖偏移的線返回中心(圖7)。因此，作用于晶錠上的力的大小方向在波峰波谷間存在差異。

圖7 線切割產生鋸痕原理圖Fig.7 The schematic diagram of saw marks

從使用不同線速度切出的4英寸切割片中各取出五片進行拋光處理，分別觀察表面。結果如圖8所示：隨著線速度的增加，切割片表面粗糙度降低，損傷層減小。這是由于在高線速度條件下，單位時間內起作用的金剛石數量相對增加、每顆金剛石移除的體積減少，切片載荷減小，損傷層深度降低。

圖8 鋸痕與線速度的關系Fig.8 The relationship between saw marks and wire speed

在相同工藝條件下，使用較低金剛石濃度的線(濃度10～15顆/mm)進行切割對比試驗。對切出的晶片進行拋光處理，掃描觀測發現高濃度的金剛石線切割損傷層更小(圖9)。這是由于當金剛石濃度增加時，相對的每顆金剛石移除體積就會減少，切片過程中作用在晶體上的橫向力會減小，晶片損傷層深度隨即降低。

圖9 鋸痕與線金剛石濃度的關系Fig.9 The relationship between saw marks and diamond concentration

4 結 論

本文研究了高線速多線切割機與電鍍金剛石線相結合提高切割效率的方法。進行了4英寸和6英寸碳化硅晶錠的高線速切割的試驗，并用更短時間切割完成晶錠。發現隨著線速度的增大，切割片的翹曲度減小。這是因為在高線速度條件下，單位時間內起作用的金剛石數量相對增加，晶體移除量增多，去除方式主要是塑性去除，晶片翹曲度減小。

觀察了切割片的表面情況，發現切割過程中在晶片表面形成了與線鋸運動相關的鋸痕，鋸痕波峰波谷周期性出現。鋸切過程損傷層在鋸峰部比谷部更深，造成這種差異的原因是金屬絲在切割過程中對晶錠施加的橫向壓力不同。高線速度和高金剛石濃度可以減小切割過程造成的損傷。因此，在切割過程中提高線速度和使用高金剛石濃度的切割線來減少晶體負載非常關鍵。

后期，還計劃通過改變切割工藝條件和金剛石線規格，實現高效率的獲得高精度的6英寸碳化硅切割片的目標。