游離磨粒切割法和金剛石線切割法切割SiC的對(duì)比

王 磊，王添依，張 弛，張海磊，馮 玢

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

新型半導(dǎo)體材料和器件的研究與突破, 常常導(dǎo)致新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料,是繼以硅和砷化鎵為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料之后迅速發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料。SiC半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點(diǎn),特別適合制作大功率、高壓、高溫、抗輻照電子器件。由于SiC 功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗, 因此SiC 功率器件也被譽(yù)為帶動(dòng)“新能源革命”的“綠色能源”器件[1]。碳化硅具有高功率密度、低熱損耗、強(qiáng)抗輻射能力以及碳化硅與氮化鎵的晶格失配率小，因此，它被認(rèn)為是最有前途的半導(dǎo)體襯底材料[2]。

傳統(tǒng)上一般晶棒/ 錠切成片狀的方式是內(nèi)圓切割，這種切割機(jī)的刀片刃口厚度在0.28～0.35 mm，加工效率較低，材料損耗大，出片率低，晶片表面質(zhì)量較低,難以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且隨著晶圓直徑的增大和第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，內(nèi)圓切割加工受到其本身結(jié)構(gòu)的限制使得切片切割過程逐漸困難，所以內(nèi)圓鋸片切割的加工方式在第三代半導(dǎo)體材料和大直徑大批量晶片生產(chǎn)中逐漸被邊緣化[3]。隨著多線切割[4]技術(shù)不斷進(jìn)步，成功地滿足了大直徑、低損耗和相對(duì)較高表面質(zhì)量的晶片切割需要?，F(xiàn)階段，游離磨粒[5,6]切割法（利用鋼線帶動(dòng)游離磨粒、工件和線中間的磨粒對(duì)工件進(jìn)行磨切割）和金剛石線[7]與砂漿配合切割法（將金剛石磨料固定在鋼絲表面,加工過程中鋸絲上的金剛石直接獲得運(yùn)動(dòng)速度和一定的壓力對(duì)硅材料進(jìn)行磨削加工）已成為兩種主要的多線切割晶圓技術(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用兩種方法,即：鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法和金剛石線與砂漿配合切割法對(duì)3 英寸SiC 晶錠進(jìn)行多次切割。方法1：鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法，采用準(zhǔn)0.16 mm 鍍銅鋼線配合5～25 μm 金剛石切割液進(jìn)行切割；方法2：金剛石線與砂漿配合切割法，采用準(zhǔn)0.25 mm 金剛石線與起潤滑冷卻作用的砂漿配合進(jìn)行切割。使用奧林帕斯BX51M 微分干涉顯微鏡對(duì)兩種方法切割的SiC 晶片進(jìn)行表面質(zhì)量進(jìn)行觀測(cè)；使用彎曲度測(cè)試儀對(duì)兩種方法切割的SiC 晶片進(jìn)行彎曲度進(jìn)行測(cè)試；使用測(cè)厚儀對(duì)兩種方法切割的SiC 晶片進(jìn)行TTV 測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

（1）對(duì)比兩種切割方法切割的晶片表面質(zhì)量。如圖1所示，方法1 與方法2 切割片對(duì)比（a 為方法1切片，b 為方法2 切片）。圖2所示為在微分干涉顯微鏡下觀察兩種方法切割片（a 為方法1 切片，b 為方法2 切片），線痕深度：方法1 優(yōu)于方法2。

方法1 較方法2 切割用時(shí)較長，因鋼線走線速度不能過快，當(dāng)走線速度過快時(shí)，砂漿中的金剛石微粉不能進(jìn)入切口處或在切口處停留時(shí)間不足，導(dǎo)致切割能力不足，切割線與晶錠間的擠壓摩擦增加，易造成切割線在切口處左右移動(dòng)，移動(dòng)易產(chǎn)生特深線痕，而方法2 金剛石切割線走線速度不受客觀條件約束，走線速度盡可能快（一般可達(dá)機(jī)器最大走線速度），這就極大限度地避免了特殊深線痕的產(chǎn)生，但因方法2 走線速度較快，切割效率較高，使其切割時(shí)對(duì)晶錠表面磨損程度較方法1 嚴(yán)重。

圖1 切割片對(duì)比

圖2 微分干涉顯微鏡下觀察兩種方法切割片

3 彎曲度對(duì)比

如圖3多線切割時(shí)兩種方法彎曲多變化對(duì)比所示，多次切割時(shí)，采用方法2 切割后晶片彎曲度波動(dòng)較小。

如圖4多線切割時(shí)兩種方法TTV 變化對(duì)比所示，多次切割時(shí)，采用方法2 切割后晶片TTV波動(dòng)較小。

（1）運(yùn)用鋼線帶動(dòng)游離磨粒的切割方式，砂漿中的金剛石磨粒粒徑隨切割次數(shù)的增加而減小，粒徑減小后的金剛石磨粒其切割能力顯著下降，在切割力不足的情況下，切割出的晶片彎曲度易增大，切割片普遍偏厚。

（2）在多線切割中，鋼線走線速度與切割速度兩者相互作用。運(yùn)用鋼線帶動(dòng)游離磨粒的切割方式，其鋼線走線速度（相對(duì)于金剛石線與砂漿配合切割法）較慢，當(dāng)鋼線走線速度不能滿足切割速度要求時(shí)，影響晶片切割效率，切割線與晶錠間的擠壓摩擦增加，導(dǎo)致切割片彎曲度和TTV 變大。

圖3 多次切割時(shí)兩種方法彎曲度變化對(duì)比

圖4 多次切割時(shí)兩種方法TTV 變化對(duì)比

4 兩種方式優(yōu)點(diǎn)

4.1 鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法

（1）對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的小型SiC 切割來說，鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法比金剛石線與砂漿配合切割法更為合算。

在實(shí)驗(yàn)室中的小型切割，通常一次切割較少的SiC 晶錠，切割機(jī)的切割區(qū)不能完全利用，切割過程中為了保證切割順利完成，常在切割區(qū)進(jìn)行手動(dòng)跳線，此種跳線會(huì)在切割線上留下接口，是切割線不能進(jìn)行2 次切割，加之SiC 晶體較硬，使用金剛石線與砂漿配合切割法切割時(shí)，金剛石切割線起主要磨削作用，使用1 次后金剛石切割線上電鍍的金剛石顆粒磨損嚴(yán)重，若進(jìn)行2 次使用切割力會(huì)急劇下降。鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法切割SiC 晶錠時(shí)，起主要磨削作用的是砂漿中的金剛石微粉，它不受跳線等客觀因素的影響，可重復(fù)切割多次；切割時(shí)為保證砂漿中的金剛石微粉大量進(jìn)入切口處，線運(yùn)行速度較金剛石線與砂漿配合切割法要慢很多，這使得砂漿中的金剛石微粉磨損度要低于金剛石線上的金剛石磨損度，這就使得游離磨粒砂漿能使用更長的時(shí)間，對(duì)于小型實(shí)驗(yàn)室切割來說降低了成本。

（2）導(dǎo)線輪使用壽命更長。使用鍍銅鋼線配合游離磨粒進(jìn)行切割時(shí)，導(dǎo)線輪V 型槽被游離磨粒侵入，導(dǎo)線輪在切割過程中做高速往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，游離磨粒在鋼線的配合不易與導(dǎo)線輪發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，對(duì)導(dǎo)線輪V 型槽產(chǎn)生磨損較小。而金剛石線與砂漿配合切割時(shí)，起主要磨削作用的金剛石是附著在剛線上的，導(dǎo)線輪在切割過程中做高速往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與金剛石線與導(dǎo)線輪發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，對(duì)導(dǎo)線輪V 型槽產(chǎn)生較大磨損。

4.2 金剛石線與砂漿配合切割法

（1）切割效率高。使用金剛石線與砂漿配合切割法進(jìn)行切割時(shí)，由于金剛石磨粒固定在鋼絲表面，加工過程中鋼絲上的金剛石直接獲得運(yùn)動(dòng)速度和一定的壓力對(duì)SiC 材料進(jìn)行磨削加工, 從而大大提高了切割效率。

（2）更加環(huán)保。金剛石線與砂漿配合切割法進(jìn)行切割，砂漿在加工過程中主要起冷卻潤滑的作用，砂漿主要成分為潤滑劑和水（對(duì)環(huán)境無污染），切割多次后的廢棄砂漿對(duì)環(huán)境無過度污染處理，無需特殊處理；鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法進(jìn)行切割，砂漿在加工過程中起主要切削作用，砂漿主要成分為金剛石微分和切割油，在切割過程中，金剛石微分起主要磨削作用，切割油起懸浮和帶漿作用，切割時(shí)由于機(jī)箱內(nèi)不間斷地進(jìn)行高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)箱內(nèi)溫度升高，機(jī)箱內(nèi)的砂漿因高溫產(chǎn)生大量油霧，油霧對(duì)環(huán)境有較大的污染，另外切屑能力下降后產(chǎn)生的廢棄砂漿排放后也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

5 結(jié) 論

鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法和金剛石線與砂漿配合切割法對(duì)SiC 晶錠分別進(jìn)行切割試驗(yàn)，兩種切割方法切片：金剛石線與砂漿配合切割法切割的SiC 晶片幾何參數(shù)更好且穩(wěn)定（彎曲度和TTV），且加工效率較高，適用于大型生產(chǎn)；鍍銅鋼線配合游離磨粒切割法切割的SiC 晶片表面質(zhì)量較好、但用時(shí)較長，適用于小型實(shí)驗(yàn)。

[1]張波，鄧小川，張有潤，等.寬禁帶半導(dǎo)體SiC 功率器件發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，4(2)：111-118.

[2]徐偉，王英民，毛開禮，等.金剛石多線切割設(shè)備在SiC晶片加工中的應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù)，2012，33(1)：50-52.

[3]呂文利，王理正，劉嘉賓.藍(lán)寶石多線切割設(shè)備及切割技術(shù).電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42(7)：28-31.

[4]李保軍，馮濤.多線切割工藝中切割線直徑對(duì)翹曲度影響的研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，38(8)：16-19.

[5]舒繼千，魏昕，袁艷蕊.單晶硅游離磨粒線切割技術(shù)研究[J].工具技術(shù)，2009，43(1)：31-35.

[6]袁艷蕊，魏昕，丁寅.游離磨料線切割的切割液行為綜述[J].金剛石與磨料磨具工程，2009，29(6):43-48.

[7]高偉，張景濤，吳平，等.電鍍金剛石切割線的種類及制造工藝的研究概述[J].金剛石與磨料磨具工程，2012，32(3)：35-45.