來源：電子工藝技術(shù)

摘 要

采用砂漿多線切割工藝加工6英寸（1英寸=25.4 mm）N型碳化硅晶體，研究了此工藝中鋼線張力、 線速度、進給速度等切割參數(shù)對晶片切割表面的影響。通過優(yōu)化切割工藝參數(shù)，最終得到高平坦度、低翹曲度、 低線痕深度的6英寸N型碳化硅晶片。

0 引言

碳化硅半導(dǎo)體作為寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代 表，具有高臨界擊穿場強、高熱導(dǎo)率、高電子飽和 漂移速度、大禁帶寬度的特點，極大地擴展了功率 器件的能量處理能力，能夠滿足下一代電力電子裝 備對功率器件更大功率、更小體積和更惡劣條件下 工作的要求，是制作高溫、高頻、大功率和低 損耗器件的優(yōu)良材料。同時，碳化硅也是目前 晶體生長技術(shù)和器件制造水平最成熟、應(yīng)用最廣泛 的寬禁帶半導(dǎo)體材料。近年來，PFC（Power Factor Correction，功率因數(shù)校正）電源、光伏逆變器，尤 其是新能源汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展，使碳化硅功率器 件的接受度和認可度越來越高，碳化硅材料行業(yè)迎 來井噴式增長。

目前，碳化硅襯底材料的供應(yīng)全球緊張，成 本居高不下，主要受制于碳化硅晶體生長及晶片 加工過程中較低的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)良率。大尺寸功 率芯片對碳化硅晶片的表面加工提出越來越高的 要求，如對表面幾何形貌彎曲度（Bow）、翹曲度 （Warp）參數(shù)進一步收斂以及對表面劃傷、粗糙度 的進一步降低。碳化硅晶片生產(chǎn)加工過程中，由于 表面形貌控制不佳造成的良率損失占據(jù)最大比例， 而對于碳化硅晶片的表面幾何形貌不良，主要原因 是多線切割過程工藝不匹配造成，因此通過優(yōu)化多 線切割工藝，提高切割質(zhì)量，進而提高最終的晶片 表面幾何形貌參數(shù)，對于提升碳化硅晶片生產(chǎn)合格 率，降低碳化硅晶片生產(chǎn)成本是非常必要的。

1 試驗

碳化硅晶片切割常用的加工技術(shù)有三種：1）固 結(jié)金剛石多線鋸切割技術(shù)，是將金剛石磨粒通過電 鍍、釬焊的方法固結(jié)在不銹鋼切割線上，通過金剛 石線的高速往復(fù)運動，實現(xiàn)對碳化硅晶體的切割。2）游離磨料多線鋸切割技術(shù)，是配置金剛石懸浮切 削液，利用不銹鋼線將切削液帶入鋸縫，通過不銹 鋼線的往復(fù)運動，促使金剛石磨料達到“滾動-壓 痕”機制以達到材料去除目的。3）激光隱形切割技術(shù)，是將激光在材料內(nèi)部聚焦，破壞焦點附近的 分子鍵，在焦點區(qū)域形成改質(zhì)層，當垂直于改制層 施加壓力時，晶圓沿著改質(zhì)層分離。固結(jié)金剛石多 線鋸切割技術(shù)，具有切割效率高、成本低的優(yōu)點， 但金剛石顆粒造成的碳化硅晶片表面損傷層深度 大，需增加磨拋過程去除量，切割晶片的預(yù)留厚度 大，降低了晶錠的出片效率。游離磨料多線鋸切割 技術(shù)，具有線損小、晶片表面損傷層淺、出片率高 的優(yōu)點，但是由于切割效率低、時間長，單臺設(shè)備 的綜合產(chǎn)能低。激光隱形切割技術(shù)具有損耗小、出片率更高的特點，因此為進一步降低碳化硅襯底生 產(chǎn)成本提供新的解決思路，但目前工藝技術(shù)尚不成 熟，處于工程化開發(fā)階段。

本文采用砂漿多線鋸切割方式進行碳化硅晶錠 切割，線鋸切割設(shè)備選用萊瑪特公司生產(chǎn)的DW288 型號產(chǎn)品；鋼線采用0.16 mm的不銹鋼線；砂漿采用 5 μm金剛石砂漿切削液，砂漿濃度600 ct/L；羅拉 槽鋸0.65 mm；單次切割晶錠長度100 mm。針對鋼線 張力、線速度、進給速度等切割參數(shù)分別設(shè)計對比 試驗，每個工藝條件20組試驗數(shù)據(jù)。切割完成后，晶片經(jīng)清洗去除表面顆粒，測試 表面幾何形貌Bow、Warp等數(shù)據(jù)，檢測設(shè)備為康寧 公司FM200。

2 結(jié)果和討論

2.1 鋼線張力對晶片表面幾何形貌影響

隨試驗A研究鋼線張力對晶片表面幾何形貌影 響。切割使用鋼線的破斷張力為65 N，設(shè)計A1~A4四 個對照組，見表1，分別采用36 N、40 N、44 N、58 N 的張力進行切割工藝試驗；切割線速度統(tǒng)一設(shè)置為 15 m/s；切割時間為120 h，對應(yīng)的平均切割進給速 度為1.28 mm/h。

切割晶片的典型幾何形貌如圖所示。

隨著鋼線張力的增加，碳化硅晶片的Bow均 值從-10 μm降至-6 μm；Warp均值從19 μm收斂 15 μm，Bow、Warp分布整體呈現(xiàn)收斂趨勢。但是 在采用張力為48 N的切割過程中，發(fā)生一次斷線， 導(dǎo)致該批次續(xù)切時Bow、Warp的失控，并且造成 了部分晶片的碎片。這是由于多線切割過程中切割 線保持較高的張力可以得到更加穩(wěn)定和可靠的切割 系統(tǒng)，較高的張緊力減小了一定頻率下切割系統(tǒng)的 振幅，可以獲得較高的切割線固有頻率，使得振幅 隨著激勵頻率接近切割線固有頻率的變化率有所減 小，從而提高了切割過程的穩(wěn)定性，得到更佳的切 割效果[6]。但考慮切割線本身比較細，在切割過程 中，線的直徑隨著磨損不斷變細，自身破斷力降 低，在過高張力的情況下很容易發(fā)生斷線情況，因 此從生產(chǎn)的角度，選擇40~44 N的鋼線張力是比較適 宜的（如圖2所示）。

2.2 鋼線速度對晶片表面幾何形貌影響

在試驗A基礎(chǔ)上，固定44 N鋼線張力；切割時間 為120 h，對應(yīng)的平均切割進給速度為1.28 mm/h。試驗B研究鋼線速度對碳化硅晶片表面幾何形貌的影 響。設(shè)備的最大線速度為25 m/s，設(shè)計B1~B4四個對 照組，見表2，分別采用15 m/s、18 m/s、22 m/s、 25 m/s的張力進行切割工藝試驗。

B1~B4四個對照組的表面幾何形貌如圖3所示。

隨著鋼線速度從15 m/s增加到22 m/s，碳化硅晶 片的Bow值從-8 μm降低到-4 μm，Warp從17 μm 降低至12 μm。繼續(xù)提升線速度至25 m/s，碳化硅 晶片的Bow值和Warp均值變化不大，但是整體分布 呈現(xiàn)發(fā)散趨勢。這是由于隨著線速度的增加，參與 切割的金剛石磨料有效數(shù)量增加，整體切削能力變 強且單個磨粒承擔的法向力減少，線網(wǎng)運行更加平 穩(wěn)，切割片的表面幾何形貌得到有效改善。但隨著 線速度的進一步提升，達到設(shè)備上限，線網(wǎng)本身的 振動趨勢增大，造成切割工藝的波動性變大，不同 批次之間的Bow、Warp分布開始離散。因此，選擇 22 m/s的線速度是比較適宜的。

2.3 進給速度對晶片表面幾何形貌影響

在試驗B基礎(chǔ)上，固定44 N鋼線張力，線速度 22 m/s。為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，對進給 速度做進一步優(yōu)化。試驗C研究進給速度對碳化硅晶 片表面形貌的影響。設(shè)計C1~C4四個對照組，見表 3，分別采用1.18 mm/h、1.28 mm/h、1.41 mm/h、 1.54 mm/h的平均進給速度進行切割工藝試驗，對應(yīng) 切割時間分別為120 h、110 h、100 h、90 h。

C1~C4四個對照組的表面幾何形貌如圖4所示。

隨著進給速度從1.28 mm/h提升至1.54 mm/h， 即切割時間從120 h縮短至100 h，Bow值從-4 μm變 到-6 μm，Warp中值從12 μm增加至13.5 μm，最大值 仍小于20 μm；隨著進給速度繼續(xù)提升至1.71 mm/h，即切割時間縮短至90 h，碳化硅晶片的Bow和Warp變 得離散并有部分晶片異常增大現(xiàn)象，部分晶片表面 出現(xiàn)明顯的波紋狀線痕并呈現(xiàn)出FM200測試局部面型 缺失的現(xiàn)象。

這是由于碳化硅晶錠在切割過程中，切割鋼 線、金剛石粉與碳化硅晶體之間高速摩擦，這一過 程中會放出大量的熱量，其中一部分熱量被切削液 及時吸收，另外一部分被碳化硅晶體吸收產(chǎn)生體變 形進而影響碳化硅晶片的幾何參數(shù)。隨著進給速 度增加，切割過程中通過磨粒鑲嵌去除的速度也加 快，產(chǎn)生的熱量相對增加，增大了單晶由于溫度變 化引發(fā)的變形。同時，在90 h切割過程中，可觀測到 線弓明顯增大，在直徑區(qū)域達到最大值，表明切削 能力不足，尤其是在直徑附近區(qū)域的向下磨削效率 跟不上線網(wǎng)進給，線網(wǎng)由于溫度引起的局部線性膨 脹、強度變化及張力抖動增加，造成局部側(cè)向磨削 增加，造成局部的深線痕和面型缺失。因此，現(xiàn)階 段采用1.54 mm/h的進給速度，即100 h的切割時間， 是相對合理的，可以在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上提升16%的 生產(chǎn)效率。

3 結(jié)論

研究了切割工藝參數(shù)對砂漿多線切割6英寸N型 碳化硅晶片表面幾何形貌的影響，通過對比鋼線張 力、線速度、進給速度等切割參數(shù)量產(chǎn)晶片表面幾 何參數(shù)數(shù)據(jù)，選擇鋼線張力44 N、線速度22 m/s、進 給速度1.54 mm/h的工藝參數(shù)，既能得到穩(wěn)定收斂的 表面幾何參數(shù)，又能兼顧較高的生產(chǎn)效率。

審核編輯：湯梓紅