SiC用多線切割技術與設備的發展現狀與趨勢

董同社，靳永吉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

第三代半導體材料之一的SiC具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度快、熱導率高等特點，其特殊性能在許多領域得到廣泛應用。SiC襯底加工技術是器件制作的重要基礎，只有在成功的加工技術支持下，才能將SiC材料的性能發揮出來。然而，由于SiC晶體具有硬度高，脆性強，耐磨性好，化學性質極其穩定的特點，使得SiC晶片的精密加工非常困難，利用常規晶體材料的加工技術和工藝，無法獲得高質量的SiC晶片。隨著直徑不斷增大的同時，片厚度也在變小，這樣就對SiC片切割方法提出了更加嚴格的要求。切片是SiC片制備過程中一道至關重要的工序，切割工藝和方法直接影響到SiC片表面質量粗超度（Ra）、總厚度偏差（TTV）、翹曲度（BOW）、彎曲度（WARP）等參數，對SiC片最終的品質和成品率有非常大的影響。

多線切割技術推廣應用之前，半導體切割主要是使用內圓切片機切割，如圖1所示，該設備為Meyer Burger公司MB TS23內圓切割機，硅料采用臥式夾持，其切割原理如圖2所示。

圖1 Meyer Burger公司MB TS23內圓切割機

圖2 臥式內圓切割機原理圖

金剛石帶鋸需要頻繁停止、換向，切削速度非常低，一般不超過2 m/s。機械磨損大，維修費用高，受到鋸條寬度的限制，切割曲率半徑不能太小，只能進行單片切割，不能進行多片切割。外圓鋸鋸切深度受到鋸片直徑限制，切割過程中鋸片易產生振擺和跑偏，噪音大，鋸片剛性差。內圓切割機是使用環形不銹鋼內圓刀片，內刃口鍍制金剛砂顆粒，周邊用機械方法張緊，這種切片機根據SiC晶體的夾持不同可分為立式和臥式。一般刀片刃口厚度在200～300μm之間，主軸的結構形式有流體靜壓軸承和精密機械主軸兩種，內圓切割可以用于小批量小尺寸SiC片的生產。

這些傳統的鋸切工具受基體的限制不能轉彎，或轉彎半徑受限，只能切割直線表面，不能切割曲線表面，切縫較寬，出片率較低，不適用于SiC晶體切割。但是隨著第三代半導體產業的迅猛發展，SiC片向大尺寸方向發展，繼續使用內圓切割就不得不加大鋸片基體厚度(鋸切?300 mm的SiC晶片，基體厚度約為200μm)，由切割縫造成的損失大大影響了企業的經濟效益。因此材料損耗大，加工效率低的缺點就成為產業發展的瓶頸，市場急需一種高質高效并且經濟的切割技術解決這一難題，多線切割技術應運而生。多線切割方式已經取代了內圓切割方式成為主流的SiC片加工方式。表1列出了多線切割與內圓切割的參數對比。

表1 多線切割與內圓切割的參數對比

傳統的多線切割方式是用鋼線帶動砂漿往復運動磨削，此種方式存在切割效率低、高硬脆材料切割難度大等缺點，為了提高切割效率，用金剛石線（是由金剛石微粉顆粒以一定的分布密度均勻地固結在高強度鋼線上制成）切割，其切割效率是傳統方式的數倍，但切割后會留下線痕。以上這些方面都是指切割一般的脆性材料，但通過大量的切割實驗證明，像SiC這種高硬脆材料，具備內部晶格結構同向性，分子間的結合力大，因此造成其切割困難，用這樣的切割方法很慢，甚至無法割。所以，一般多線切割機都會采用高線速、擺動切割以及可靠的張力控制算法來保證切割過程的順利進行。

擺動多線切割機是對傳統多線切割機的改良，變平面升降為擺動升降，使得切割線與待切工件由原來的平面接觸變為彈性點接觸，進一步增強切割力，提高工效。如圖3所示，從擺動方法上來分，市場上存在兩種方法：一是金剛線網的擺動切割方式，另一種是被切割材料擺動的切割方式。從國外市場來看，線擺切割的設備廠商代表有日本高鳥，其經典機型為MWS-612DD，料擺動切割的設備廠商有日本NTC，機型為NTC SPI3000。

圖3 切割方式示意圖

1 多線切割的機理及影響因素

1.1 多線切割宏觀機理

如圖4所示，將開方處理后的晶棒料通過玻璃板固定在不銹鋼工件上，然后放置到切割機的相應區域。導輪經過開槽工藝處理在輪體上刻有與所使用切割線直徑、切片厚度相適合的精密線槽，鋼線通過來回順序纏繞在導輪的線槽上而形成上下兩個平行線網。電機帶動導輪旋轉，導輪帶動切割鋼線高速運行，線速一般為10～20 m／s。在切料兩側的砂嘴將砂漿均勻地噴在線網上，砂漿(主要成分為碳化硅和PEG)隨著切割線進入晶棒進行切割作業。同時晶棒隨工作臺緩慢向下推進，一般經過5～10 h的切割，晶棒完全通過線網，幾百片的晶片便切割完成。鋼線張力(一般設定在20～50 N)在先進的閉環反饋控制下保持不變。放線輪放出新的鋼線，同時收線輪收集已用過的鋼線。切割晶棒最大直徑是由主輥之間的空間大小和工作臺垂直行程所決定。

圖4 多線切割機原理簡圖

（1）多線切割方式，是由鋼絲線作為載體帶動高硬度的研磨砂粒對材料進行研磨去除，實現對材料的切片。砂粒在切割過程中進行移動和滾動運動。移動過程中，砂粒一棱角切入被切割材料中，使其產生蠼性變形，同時在鋼絲線的帶動下橫向移動，破壞材料原子間的鍵合力形成碎屑，當阻力大于橫向力時，產生滾動運動，而另外的棱角重新參與研磨切除，同時排出切屑。在切割過程中，鋼絲線作為實現對材料切割磨料的載體，在高速運動，保證磨料達到切削去除的基本能量，磨料在研磨去除中受到鋼絲線壓力，此壓力來源于不斷的進給運動，由于鋼絲線的高速運動，磨料在鋼絲線和材料之間運動，實現對材料的切除，在此運動過程中鋼絲線和被去除材料相互都具有磨損，然而鋼絲線由于不斷的更新，磨損過的鋼絲線不再使用，對于被切割材料破損不斷的進行，從而實現對材料的切割。

碳化硅磨料在切割運動中分為4個狀態，即滑行、切入、犁、滾動。實現對材料的去除主要為切入狀態和犁鏵狀態，磨料在鋼絲線的帶動下在材料表面摩擦滑行，在壓力的作用下磨料的棱角切入材料使其產生塑性變形后對材料進行犁鏵，破壞材料間的分子鍵合力，產生碎屑。當切削阻力很大時，磨料停止劃切運動，在鋼絲線的摩擦力下產生滾動，并排出切屑，同時又進入下一次的切削運動。

（2）晶片入線網。①當切割距離與單晶直徑比例在70﹪以下時，可布線網后直接進入線縫中；②當切割距離與單晶直徑比例在70%以上時，晶片幾片甚至幾十片粘接在一起，無法直接進入，需引入兩支砂漿噴嘴開啟砂漿長時間沖洗已切割晶片區域，靠砂漿重力將晶片分開后進入線網（以前使用水沖洗，但是水對冷粘膠、晶片質量會產生影響）。為此特別設計了砂漿引入沖洗裝置。

（3）接口處位置壓低還是抬高。從實驗結果可以看出，下壓所獲得切割表面明顯優于抬高。這是因為抬升后線網的線弓變小，切割線所受力變小，導致切割時鋼線出現擺動，而出現愣子（凸臺或凹臺），致使后道工序無法加工，出現廢片。

（4）下壓的距離。從實驗結果可以看出，斷線位置不同，下壓的距離也不同，切割線受力大小也不同。在切割過程中，線弓是由逐步形成到變大再到穩定再到逐步變小的一個過程，理想的切割方式是單位時間內鋼線的切割面積相等，所以在切割過程中隨著單晶直徑的變化鋼線接觸單晶的面積將由小變大再變小，這就是在半導體切割過程中進給使用變速的根源所在。鋼線接觸單晶的面積小時，下壓距離大，線弓變大，切割線受力隨之變大，變相的加快進給速度，致使切割線無法按正常軌跡切割。

1.2 多線切割微觀機理

多線切割過程微觀機理如圖5所示，在切割線和晶體表面充滿了碳化硅顆粒和砂漿懸浮液的混合物。送料工作臺推動晶棒向線網方向移動，導致切割線彎曲，彎曲角度通常在1°～5°，由鋼線造成的壓力在不同接觸區域并不相同，在鋼線正下方達到最大值。由于鋼線橫向震動會將壓力施加到側面，而側面的切割質量會直接影響SiC片最終表面質量，有效控制鋼線張力，減小鋼線震動就成為多線切割技術的一項重要指標。

圖5 多線切割微觀機理

1.3 切割工藝過程分析

多線切割機的控制方式不外乎工業控制計算機加運動控制卡或大型PLC，整機控制以張力為核心控制放線電機、收線電機及主軸電機、切割線張力控制電機、放線收線導向移動電機、啟動和停止運轉、工作臺驅動電機調節。從張力傳感器取樣、測試、計算、比較后輸出指令控制各路電機運轉。設定切割模式，檢測切割條件，測定、調節各電機運轉情況及砂漿流量和溫度。理論分析切割過程主要涉及槽距和理論切片數量兩個方面，計算公式為：

式(1)中：D為槽距，d1為鋼線直徑，d2為金剛砂直徑，T為片厚度，f為游移量。

用單位質量的單晶的有效長度除以槽距就得到了理論切片數量為：

式(2)中：N為理論切片數，L為單晶有效長度。

切割工藝中的各種參數對SiC片的規格和質量都有不同程度的影響，以下重點討論鋼線和金剛砂的影響。

1.3.1 鋼線對SiC片的影響

多線切割機在切割時，主軸電機先正轉一段距離（設為A m），然后再反轉一段距離（設為B m），根據實際情況，0.5 m＜A-B＜1.5 m，保證在多次往復運動中，將新的切割線逐漸放出，已使用的切割線逐漸收回。若切割線速度過慢，切割晶片表面局部發亮（晶片表面均勻性較差），切割耗時過長，嚴重影響切割效率；若切割速度過快，切割過程中易發生拱線現象，嚴重拱線可能導致斷線，切割晶片幾何參數也較差。經多次實驗，最佳切割速度為1～8 mm/h。對于供線速度，若太慢，則切割過程中切割線經多次磨耗后切割力急劇下降，切口變小，極易產生夾線，嚴重夾線可能導致斷線，影響晶片的質量甚至碎片；若太快，則會增加切割成本，導致不必要的浪費。經多次實驗，最佳供線速度：2～30 mm/min。

在主軸運行的同時，收放線電機要保持與主軸電機的線速度同步。由于在運行中，收放線輪的直徑會一直變化，如果不調整收放線電機的旋轉速度，主軸上的線速度和收放線輪上的線速度偏差會越來越大，將會拉斷切割線，此時，需要根據張力輪的位置，去實時調整收放線電機的旋轉速度，這是整個控制系統中最為關鍵的地方。

最為直觀的是，隨著切割過程的進行鋼線會不斷的變細，從而影響到加工SiC片的厚度，導致成品率下降。

另外，由于鋼線是由鐵線外包一層銅而組成，所以在切割的過程中會將重金屬雜質引入到SiC片的表面(10-9～10-6級別)，由于離子鍵合作用而很難被去除，形成復合中心而影響到太陽能電池轉換效率。目前廣泛使用的是改良的RCA清洗法，該方法在原有傳統RCA的基礎上對清洗液進行稀釋處理，并加入適量的活性劑，提高SiC片表面金屬和顆粒的去除率。

1.3.2 金剛砂對多線切割過程的影響

砂漿在切割過程中起主要作用。砂漿由SiC和懸浮液PEG混合配置而成，SiC顆粒較為細小，根據粒徑范圍分為不同規格，一般粒子越細，切出的硅片表面越光滑，但對應的切割能力也下降。對于砂漿粒度，若過小還易發生拱線、夾線等現象，嚴重時可能導致斷線，切割片表面易留下較重的切割刀痕，影響晶片幾何尺寸；若砂漿粒度過大，則切割效率較高，但切割片磨耗較大，切割片表面粗糙度較大，幾何參數較差。經多次實驗，最佳砂漿粒度：3～25μm。另外，微粉由于顆粒細，易在包裝、運輸、存放過程中擠壓結團，因此配制砂漿時加料應慢，避免添加過快造成微粉沉底結塊攪拌不開，造成砂漿密度與預期的不一致或者不均勻而影響切割。砂漿是被往復運動的切割線帶到切割區的，被帶入的砂漿量的多少以及切割速度的高低決定SiC片的切割質量。不同砂漿供給條件會對SiC片質量造成不同程度的影響。

碳化硅微粉在空氣中極容易受潮結團，分散性降低，在料漿中形成假性顆粒物和團積物，砂漿過攪拌也會吸收水分造成此問題，因此應避免微粉裸漏在空氣中時間過長和過攪拌，烘砂的目的也在于此，一般把碳化硅微粉在80～90℃烘箱里，烘8 h以上，來優化碳化硅微粉的各項指標。當然砂漿配置如果采用集中供應系統，會減少諸多人工配置的不穩定因素，更利于砂漿質量的穩定。

最后，通過實驗研究還發現，改變砂漿噴嘴與線鋸之間的角度，可以形成兩種不同的砂漿供給方式，即形成水平薄膜層與未形成水平薄膜層。在形成水平薄膜層情況下，線鋸的砂漿攜帶量要遠大于未形成水平薄膜層的攜帶量，所以有水平薄膜層情況下的切割質量要比未形成水平薄膜層的情況下的要好。

2 主流多線切割技術狀況

2.1 國外多線切割設備的發展現狀

多線切割機床屬于大型精密數控機床，具有精度高、控制系統復雜、技術難度大等特點，目前國際上比較知名的生產企業主要有瑞士Meyer Burger公司、HCT公司，日本Takatori公司、NTC公司、日本安永等。其技術參數與工藝消耗比較如表2所示。

表2 國外多線切片技術參數與工藝消耗比較[1]

2.2 國內多線切割技術發展水平

我國SiC用多線切割技術起步較晚，從技術上來講，有采用料擺式切割的，也有采用線網擺動式進行切割的，設備主要選用日本高鳥的線網擺動式機型，型號為MWS-612DD，還有日本NTC料擺動式機型，型號為NTC SPI3000。

最近幾年，國內研發和生產多線切割機的廠商主要有蘇州赫瑞特、湖南宇晶、唐山晶玉和中國電子科技集團公司第四十五研究所，其生產的設備型號及參數如表3所示。

表3 國內多線切機代表生產廠家產品技術參數對比

目前，從設備關鍵技術、主要參數及應用范圍等多方面綜合考慮，國內處于較高水平的是中國電子科技集團公司第四十五研究所自主研制開發的TDQ-602型多線切割機，如圖6所示，是該設備的線網擺動切割部分結構組成圖。

圖6 線網擺動機構組成圖

在切割過程中，被切割件從上向下送達，剛開始，當被切割件位于線網上方時，如圖7（a）所示，由于線網擺動中心與切割線網位置基本齊平，則切割線網在擺動過程中形成的連續軌跡為一圓弧形，切割線網與被切割件的接觸平滑，從而能夠提高切割質量；再往下，當被切割件位于線網附近時，如圖7（b）所示，切割線網與被切割件的接觸范圍達到最長，但由于切割線網是擺動的，相當于將被切割件的切割面分成了左右兩部分進行切割，從而降低了切割難度，提高了切割效率；到達最后階段，當被切割件位于線網的下方時，如圖7（c）所示，切割線網在擺動過程中形成的連續軌跡為一圓弧形，線網與被切割件的接觸平滑，從而提高切割質量。

圖7 線網擺動機構切割原理示意圖

該設備具有的特點：（1）具有手動/自動功能模式。人機界面直接顯示線速、張力、被切材料的切割位置和進給速度、砂漿流量，操作簡潔直觀；（2）熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準確，保證切片精度；（3）采用主軸電機變頻控制方式；（4）采用張力傳感器和伺服電機閉環控制。

3 多線切割技術發展趨勢

主流多線切割技術已經日趨成熟，但是隨著SiC片尺寸進一步向超薄化發展對線切工藝水平不斷提出挑戰，也是促進多線切割技術水平不斷向前發展的強大動力，今后多線切割主要發展方向：

（1）操作更加簡單方便，從控制面板獲取充足的信息，包括運行狀態、程序、數據記錄等，同時可進行加工參數設置與修改，方便操作控制；

（2）提高設備進給系統的機械裝配水平，減少誘發鋼線振動的因素，減小通過設備零部件（如：主輥、導向輪、進給系統等）作用于工藝材料（如：砂漿、鋼線）上的作用力，使得砂漿內部切割磨粒在加工過程中的運動、形狀等方面發生變化，最終提高SiC片的彎曲度、翹曲度、平行度、總厚度偏差、粗糙度等表面質量指標；

（3）在相同工藝參數設定的情況下，設備進給系統加工、裝配水平的好壞直接影響到切割硅片翹曲度指標，能夠通過改進零部件加工水平和裝配工藝來提升其對切割硅片的影響；

（4）機械振動所誘發的低頻振動不利于切割加工過程，嚴重影響切割加工的穩定性，通過提升旋轉運動部件的加工裝配精度，以及選用耐磨損的軸輥表面涂覆材料等方式來抑制這些低頻振動的產生，降低鋼線的受迫振幅，改善切割硅片質量；

（5）對于由外部激勵等誘發的小幅振動，應該更加深入的研究并加以利用，通過分析其振動規律，改善切割加工過程中各個工藝參數的設置，并采取主動控制措施來抑制鋼線產生高頻共振，抑制振幅的擴大。使得切割過程中鋼線盡量保持在高頻微幅的振動狀態，提升切割性能、改善切割狀態以及提升切割后硅片翹曲度等表面質量指標；

（6）切割用鋼線升級，游離磨料的多線切割技術雖然獲得了比較良好的切片質量和效率，但由于切割是鋼線帶動砂漿連同碳化硅完成切割作用，能量傳輸步驟多，就會產生大量的損耗。

4 結束語

綜上所述，未來幾年，隨著SiC片市場需求的不斷增長和對其品質要求的不斷提高，SiC片的多線切割技術會朝著提高加工精度與加工能力，縮短加工時間以提高效率這幾個方向發展。比較成熟的游離磨料線切技術主要發展方向是研究性能更加符合產品需求的新型切削液和改良切割用鋼線。另一方面，最新應用Si單晶切割的電火花切割(WEDM)可以極大地提高SiC片表面質量，據測量Si片表面粗糙度Ra＜2，最高切割效率已達600 mm2／min，切割厚度小于120μm，是未來SiC片切割技術改進和提高的新亮點。