靳霄曦，徐 偉，魏汝省，王英民

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 簡(jiǎn) 介

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

早期的多線(xiàn)切割方式主要為使用游離磨料的砂線(xiàn)切割：在切割過(guò)程中，把砂漿噴在鋼線(xiàn)網(wǎng)上進(jìn)行三體磨削，目前這種設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始被淘汰。為達(dá)到更快地切割硬度更高的材料，人們發(fā)明了使用固結(jié)磨料線(xiàn)的多線(xiàn)切割設(shè)備：這種設(shè)備是將金剛石顆粒固定在鋼線(xiàn)上，使用金剛石線(xiàn)進(jìn)行多線(xiàn)切割。相比于游離磨料切割技術(shù)，固結(jié)磨料切割具備如下優(yōu)點(diǎn)：鋸口損失小、材料去除率高、切片表面質(zhì)量好、切割環(huán)境清潔[2]。

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

本文使用可達(dá)到高線(xiàn)速度的多線(xiàn)切割設(shè)備對(duì)大直徑碳化硅晶體進(jìn)行切割。進(jìn)行4英寸與6英寸碳化硅晶錠的快速切割試驗(yàn)，計(jì)劃使用5小時(shí)左右切割完成4寸晶錠，用12小時(shí)切割完成6寸晶錠，這一切割時(shí)間約為砂線(xiàn)切割時(shí)間的15%，低線(xiàn)速度金剛石線(xiàn)切割時(shí)間的50%。隨后，研究了金剛石濃度對(duì)切割片損傷層的影響，以減小高線(xiàn)速度條件下線(xiàn)切割產(chǎn)生的損傷。

2 高速切割碳化硅單晶

使用高速線(xiàn)鋸對(duì)4英寸和6英寸碳化硅單晶錠進(jìn)行了切割試驗(yàn)，晶錠厚度在18～20mm之間。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備是國(guó)產(chǎn)的一款高線(xiàn)速度多線(xiàn)切割機(jī)，適用于2～8英寸晶錠切割，可實(shí)現(xiàn)高線(xiàn)速度和高線(xiàn)張力(圖1)。

所用電鍍金剛石線(xiàn)為本所定制的國(guó)產(chǎn)碳化硅切割專(zhuān)用線(xiàn)，母線(xiàn)直徑為180μm，金剛石粒徑30～40μm，通過(guò)顯微鏡觀(guān)察金剛石濃度約為20顆/mm(圖2)。使用電鍍方式可對(duì)金剛石產(chǎn)生很強(qiáng)的束縛力，使金剛石難以脫離，滿(mǎn)足高線(xiàn)速度切割要求。

圖1 高速多線(xiàn)切割機(jī)Fig.1 High speed multi-wire saw

圖2 電鍍金剛石線(xiàn)顯微照片F(xiàn)ig.2 Micro-photo of plated diamond wire

在本次研究中，為達(dá)到短時(shí)間完成切割的目標(biāo)，4英寸單晶碳化硅切割試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定進(jìn)刀速度為0.3mm/min，使用了四種不同線(xiàn)速度切割(1000、1200、1500、1800m/min，見(jiàn)表1)，對(duì)比了不同線(xiàn)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(cè)試儀對(duì)晶片進(jìn)行翹曲度(WARP)檢測(cè)。如圖3所示，隨著切割線(xiàn)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(xiàn)速度條件下，進(jìn)行6英寸碳化硅單晶切割試驗(yàn)，切割工藝條件如表2所示。

圖3 線(xiàn)速度和翹曲度間的關(guān)系Fig.3 Relationship between wire speed and warp

線(xiàn)速度1500 m/min晶體尺寸6英寸線(xiàn)規(guī)格Φ180μm～30/40μm設(shè)備型號(hào)350羅拉槽距1 mm線(xiàn)進(jìn)給量12.0 m/min進(jìn)刀速度0.2 mm/min

切割完成后，使用平坦度測(cè)試儀對(duì)晶片進(jìn)行翹曲度(WARP)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4，切割片翹曲度基本在40～50μm之間，已經(jīng)可以滿(mǎn)足后續(xù)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(jù)相關(guān)報(bào)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(jìn)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(yàn)中在更高的線(xiàn)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(xiàn)速度可以實(shí)現(xiàn)更快地切割6英寸碳化硅單晶錠同時(shí)，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(duì)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(gè)整體依序排列結(jié)晶，層與層之間由共價(jià)鍵相連。這種構(gòu)造導(dǎo)致晶片表面極性分為Si極性面和C極性面。材料的去除機(jī)理為雙原子層之間共價(jià)鍵的斷裂，晶片極性不改變，這種共價(jià)、強(qiáng)鍵、復(fù)雜的晶格構(gòu)造和晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶體的物理性質(zhì)表現(xiàn)為脆性。當(dāng)外力作用使其達(dá)到彈性極限時(shí)無(wú)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(zhì)導(dǎo)致金剛石磨粒作用在其表面的切應(yīng)力或應(yīng)力積累達(dá)到碳化硅單晶的彈性極限時(shí)，晶片表面主要發(fā)生脆性斷裂或彈性破壞而達(dá)不到理想的表面質(zhì)量[4]。

在切割碳化硅單晶時(shí)，必須要減少切割過(guò)程中造成的晶片損傷。當(dāng)切割線(xiàn)損傷減少，就可以有效降低在后續(xù)研拋過(guò)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(guān)系已有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)[5]。

在切割片表面，使用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察到了與切片過(guò)程中的金剛石線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)應(yīng)的鋸痕，切割鋸痕呈周期性重復(fù)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(gè)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(duì)切割片進(jìn)行拋光處理，可觀(guān)察到切割過(guò)程損傷層在鋸痕峰部比谷部更深。這是由于在進(jìn)刀過(guò)程中，切割線(xiàn)會(huì)橫向振動(dòng)滑移，而設(shè)備提供的張力又會(huì)使試圖偏移的線(xiàn)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(xiàn)切割產(chǎn)生鋸痕原理圖Fig.7 The schematic diagram of saw marks

從使用不同線(xiàn)速度切出的4英寸切割片中各取出五片進(jìn)行拋光處理，分別觀(guān)察表面。結(jié)果如圖8所示：隨著線(xiàn)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(xiàn)速度條件下，單位時(shí)間內(nèi)起作用的金剛石數(shù)量相對(duì)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(xiàn)速度的關(guān)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(xiàn)(濃度10～15顆/mm)進(jìn)行切割對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)切出的晶片進(jìn)行拋光處理，掃描觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)高濃度的金剛石線(xiàn)切割損傷層更小(圖9)。這是由于當(dāng)金剛石濃度增加時(shí)，相對(duì)的每顆金剛石移除體積就會(huì)減少，切片過(guò)程中作用在晶體上的橫向力會(huì)減小，晶片損傷層深度隨即降低。

圖9 鋸痕與線(xiàn)金剛石濃度的關(guān)系Fig.9 The relationship between saw marks and diamond concentration

4 結(jié) 論

本文研究了高線(xiàn)速多線(xiàn)切割機(jī)與電鍍金剛石線(xiàn)相結(jié)合提高切割效率的方法。進(jìn)行了4英寸和6英寸碳化硅晶錠的高線(xiàn)速切割的試驗(yàn)，并用更短時(shí)間切割完成晶錠。發(fā)現(xiàn)隨著線(xiàn)速度的增大，切割片的翹曲度減小。這是因?yàn)樵诟呔€(xiàn)速度條件下，單位時(shí)間內(nèi)起作用的金剛石數(shù)量相對(duì)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(guān)察了切割片的表面情況，發(fā)現(xiàn)切割過(guò)程中在晶片表面形成了與線(xiàn)鋸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的鋸痕，鋸痕波峰波谷周期性出現(xiàn)。鋸切過(guò)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(guò)程中對(duì)晶錠施加的橫向壓力不同。高線(xiàn)速度和高金剛石濃度可以減小切割過(guò)程造成的損傷。因此，在切割過(guò)程中提高線(xiàn)速度和使用高金剛石濃度的切割線(xiàn)來(lái)減少晶體負(fù)載非常關(guān)鍵。

后期，還計(jì)劃通過(guò)改變切割工藝條件和金剛石線(xiàn)規(guī)格，實(shí)現(xiàn)高效率的獲得高精度的6英寸碳化硅切割片的目標(biāo)。