晶體多線切割工藝中晶片粗糙度的控制研究

陳飛宏，李國芳，，普世坤，，劉漢保，柳廷龍，馬冬生，唐開華

(1.云南鑫耀半導(dǎo)體材料有限公司，云南 昆明 650503；2.云南臨滄鑫圓鍺業(yè)股份有限公司，云南 臨滄 677000)

粗糙度曲線[Roughness Profile (R)]是通過濾波器獲得的。在機械加工后的晶片表面，因砂漿使用次數(shù)、切割線張力、切割進給速度和砂漿顆粒等作用而產(chǎn)生凹凸?fàn)?。表面粗糙度輪廓儀測量的WCM(Wt，波紋度曲線的最大界面高度)，定義為從抽取曲線z=f(x)，取基準(zhǔn)長度為L部分時,它代表了該提取部分的波頂線與波谷底線的縱向倍率方向之間的距離。

在砷化鎵、鍺晶體切割工藝中，通過粗糙度的WCM值，可以衡量多線切割工藝的優(yōu)劣。能切割出WCM較小的晶片，可以減少后段工序?qū)庸さ碾y度。如果晶片在多線切割過程中粗糙度較大，在后段工序工藝中幾乎沒有有效的改善辦法，會對晶片表面質(zhì)量產(chǎn)生非常大的影響[1]，加工過程中會遇到很大挑戰(zhàn)，容易產(chǎn)生晶片崩邊、暗傷和破碎等問題[2]，增加后段工序的缺陷數(shù)量，進而影響晶片最終合格率。

1 切割技術(shù)及研究現(xiàn)狀

由于線切割機刀片厚度比內(nèi)圓切割機的小，其出片率是內(nèi)圓切割的 10 倍以上[3]，而且切割效率高，材料浪費較小，多線切割方式在晶體加工中逐步取代了內(nèi)圓切割方式。由于材料價格昂貴，鍺、砷化鎵和磷化銦晶體切割也是使用的多線切割方式[4]。采用多線切割方式，可以提高單位長度晶體的出片數(shù)量，同時切割片的幾何參數(shù)也得到相應(yīng)的改善[5]。雖然，線鋸在大尺寸材料切割中有加工晶片表面損傷小、切片薄、批次晶片一致性好、產(chǎn)量大，效率高、損耗小等優(yōu)點，但在割片過程中硅片因機械作用造成的鋸紋等損傷會造成后續(xù)工段的加工難度、甚至造成晶片碎片。

隨著GaAs IC集成度的提高和降低成本的需要，根據(jù)國際市場對砷化鎵和鍺等半導(dǎo)體晶片材料的需求分析，晶體直徑發(fā)展趨勢是單晶體大直徑、長尺寸化，加大了切割工藝的難度，從而切割工序是晶體加工的關(guān)鍵工序：切割片質(zhì)量的好壞，直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。砷化鎵單晶因質(zhì)軟、密度大、易碎，切割難度大。為克服以上問題，掌握多線切割中各切割因素，如砂漿顆粒及其黏度、冷卻液流量和壓力、切割張力、切割進給速度等的最佳配比尤為重要，以切割出表面質(zhì)量滿足要求的砷化鎵單晶片。

2 試驗研究

2.1 條件及方法

使用多線切割機進行切片，使用粗糙度輪廓儀進行WCM檢測。

2.2 試驗方案

2.2.1 基礎(chǔ)條件

1)研究使用VGF法生長的直徑150±0.1 mm(6英寸)的摻Si半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)的單晶做實驗晶體。

2)在加工參數(shù)(鋼線運行速度、供線條件)相同，加工輔材(泥漿、煤油、切割線、Roller等)相同的前提下，實驗研究多線切割進給速度、切割線張力、砂漿使用次數(shù)等對切割晶片表面質(zhì)量和幾何參數(shù)精度的影響，根據(jù)晶片表面質(zhì)量及WCM檢測結(jié)果，找出最佳的切割工藝方式。

2.2.2 試驗設(shè)計

1)多線切割的原理是切割機導(dǎo)輪帶動鋼線根據(jù)設(shè)定速度進行運轉(zhuǎn)，在鋼線和砂漿的共同作用下對所接觸晶體的表面進行研磨。在切割線和砂漿對晶體接觸表面的反復(fù)研磨下，晶體逐漸形成切割口，隨著晶體固定進給，慢慢將晶體切割成了晶片。其中，砂漿組分最多的碳化硅粉在顯微鏡下可觀察到較為明顯的棱角，在不斷次數(shù)的研磨使用后，其棱角會被逐漸磨平，從而影響晶片切割。此情況下，如仍然按相同的進給速度持續(xù)切割，則會因切割能力不足致使晶片粗糙度變大。故設(shè)計方案1實驗研究砂漿重復(fù)切割次數(shù)與晶片粗糙度之間的關(guān)系。

具體實驗條件：將切割油和切割碳化硅粉按工藝配比配置成砂漿，連續(xù)攪拌一定時間使切割油和切割碳化硅粉充分混合，配置成S1配比砂漿。切割過程，S1配比砂漿溫度控制在20～28 ℃，切割前均需測量砂漿粘稠度，砂漿黏稠度控制依據(jù)6寸晶棒工藝要求執(zhí)行。

2) 切割機的張力系統(tǒng)是由兩條有力矩馬達的張力臂組成，由PLC控制系統(tǒng)反饋控制調(diào)節(jié)張力大小。當(dāng)晶體在切割時將，通過有一定張力的切割鋼線的單向或者往復(fù)高速運動進行切割晶體[6]。如果張力設(shè)置較小則會導(dǎo)致鋼線彎曲度變大，切割鋼線與砂漿的切割合力降低。為了研究適宜的切割線張力以控制切割出來的晶片的粗糙度設(shè)計了實驗方案2。

具體實驗條件：在S1配比砂漿溫度、砂漿使用次數(shù)、進給速度一定的條件下，改變切割線的張力設(shè)定。在切割1根晶棒時，10次調(diào)整切割線張力，對比不同切割線張力所切出的晶片粗糙度的關(guān)系。

3) 當(dāng)多線切割機正常工作時，其(固定晶體的)工作臺上升使晶體與鋼線的相對運動實現(xiàn)晶體切割，工作臺的上升速度即為設(shè)備進給速度。設(shè)定的進給速度太大會加大切割過程的阻力，致使鋼線彎曲程度加大。為找到合適的進給速度以控制晶片粗糙度，設(shè)計實驗方案3。

具體實驗條件：在S1配比砂漿使用次數(shù)、砂漿溫度、切割線張力一定的情況下，對同一根晶體設(shè)置不同的進給速度，6次調(diào)整切割進給速度后測量WCM值。

以上3個實驗方案具體條件及WCM抽測比例見表1。

表1 切割方式對晶片粗糙度影響因素的實驗方案

2.3 實驗結(jié)果

1) 在切割線張力、進給速度、砂漿溫度等條件一致的情況下，對S1配比的砂漿多次切割次數(shù)與晶片粗糙度的關(guān)系進行實驗，粗糙度WCM值測試結(jié)果如表2所示。

從表2看出，S1配比砂漿使用次數(shù)在4次以內(nèi)時，晶片的粗糙度變化不大，WCM值能控制在 10 μm 以內(nèi)。當(dāng)使用次數(shù)超過4次時，晶片WCM值出現(xiàn)了明顯上升趨勢。經(jīng)過多次跟蹤，S1配比砂漿大致在4次以后，WCM值呈現(xiàn)上升趨勢。

2) 在S1配比砂漿累計使用次數(shù)(4次)、進給速度、砂漿溫度等條件一致的情況下，對晶棒切割時的割線張力進行依次調(diào)整實驗，粗糙度WCM值測試結(jié)果如表3所示。

表3 第二組實驗方案送測晶片測試的WCM值

根據(jù)第二組實驗方案的結(jié)果，當(dāng)(工藝參數(shù))切割線張力較小時，切出的晶片粗糙度較大，切割線張力大于 6.0 kg/cm2時，晶片WCM值能控制在 10 μm 以內(nèi),且晶片粗糙度開始趨于穩(wěn)定。但割線的抗拉強度是有限度的，如果割線張力設(shè)置過大,則會存在切割過程中斷線的異常情況，同時切割機導(dǎo)輪壽命將會降低，從而造成機械設(shè)備不必要的損耗和過度使用[7]。

3)在S1配比砂漿累計使用次數(shù)(4次)、割線張力、砂漿溫度等條件一致的情況下，對晶棒切割時的進給速度進行調(diào)整實驗，粗糙度WCM值測試結(jié)果如表4所示。

表4 第三組實驗方案送測晶片測試的WCM值

從第三組實驗方案看出，進給速度越大，晶片粗糙度越大。進給速度較小，則影響切割效率；過大則影響晶片粗糙度品質(zhì)。實驗中進給速度0.15～0.20 mm/min 時,晶片粗糙度的WCM值能控制在 10 μm 以下，不會影響后段工序加工合格率。

4)晶片粗糙度WCM值圖片。大于 10 μm 如圖1，小于 10 μm 如圖2。

圖1 晶片粗糙度WCM值大于10μm

圖2 晶片粗糙度WCM值大于10μm

3 結(jié)語

切片工序是整個晶體生長和晶片加工線的重要銜接工序：晶棒成片終于切片工序，晶片加工始于切片工序；切割出的晶片品質(zhì)直接決定著后續(xù)工段的加工狀況。通過對砂漿使用次數(shù)、切割機割線張力和進給速度對粗糙度的影響研究，可以找出粗糙度WCM值小于 10 μm 的工藝方法。通過3組實驗可得出以下結(jié)論：

1)S1配比砂漿使用次數(shù)在4次以內(nèi)時，晶片粗糙度WCM值能控制在 10 μm 以內(nèi)；

2)割線張力大于 6.0 kg/cm2時，晶片WCM值能控制在 10 μm 以內(nèi)(須根據(jù)設(shè)備供方提供建議，結(jié)合自身生產(chǎn)情況，找到合適的割線張力限值以降低割片過程斷線風(fēng)險)；

3)在S1配比砂漿使用次數(shù)(4次以內(nèi))及其他條件一致的情況下，進給速度在0.15～0.20 mm/min 時，晶片粗糙度的WCM值能控制在 10 μm 以下。