認(rèn)識(shí)碳化硅晶錠切割
眾所周知單晶材料是SiC功率半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),依據(jù)器件的使用,還會(huì)要求SiC單晶片要有高的表面質(zhì)量,如表面光滑、表面粗糙度低、無(wú)缺陷、無(wú)損傷、TTV、Warp等表面參數(shù)優(yōu)良。否則當(dāng)晶片表面有微小缺陷時(shí),還會(huì)遺傳給外延生長(zhǎng)膜而成為器件的致命缺陷??梢哉f(shuō),優(yōu)秀的晶片加工技術(shù)是器件生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)和基本保證。
SiC的硬度和材料脆性大,在各種加工過(guò)程中,裂紋極容易產(chǎn)生,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致SiC材料不規(guī)則性脆性斷裂。因此需要研究穩(wěn)定的SiC材料切割工藝與方法,來(lái)提高SiC材料的加工效果。 目前碳化硅晶棒有兩種SiC單晶較常用的切割方式。
1.金剛石切割
內(nèi)、外圓切割法是利用邊緣鑲有金剛石的金屬鋸片來(lái)切割晶棒的。由于鋸片相當(dāng)薄,在此切割過(guò)程中任何鋸片上的變形都會(huì)導(dǎo)致所切晶片外形尺寸上的缺陷,且在單晶直徑增大后,切割過(guò)程中必須更換鋸片,很容易造成晶片破裂,同時(shí)該方法要求晶片厚度應(yīng)在2mm以上,小于2mm晶片易開裂,造成很大材料浪費(fèi)。
同時(shí)金剛石切割還需用到研磨減薄,而減薄碳化硅需要大量的工時(shí)和使用昂貴的金剛石磨料,這不但降低了工作效率,還極大地浪費(fèi)了材料,增加了成本。如果切割大直徑(直徑不小于2英寸)的SiC晶體,隨著切割深度的增加,鋸片上的金剛石磨損嚴(yán)重,鋸片容易變形,切削能力不斷下降,往往在切一片2英寸的SiC單晶時(shí)要多次換刀片。因此該方法,工藝繁瑣,成本高,不適用于大直徑SiC單晶的切割。
2.多線切割機(jī)切割
如上文天岳提到的,目前多線切割是碳化硅晶錠切割的主流技術(shù)方案。
實(shí)際上要想切割效率高,晶體切割目前多數(shù)是采用多線切割機(jī)切割,利用外層鍍有金剛石顆粒的金剛石切割線的往復(fù)式高速切割運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)大直徑SiC晶棒的多片切割,具有表面損傷小、切縫損耗少、加工量大、切割效率高、切片質(zhì)量好、運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。
多線切割過(guò)程圖
按不同的表面處理方法,金剛線還可以分成如下四種:
①電鍍金剛線:通過(guò)電鍍?cè)诟咛间摻z上固定Ni、金剛石顆粒;
②樹脂金剛線:通過(guò)加熱酚醛類樹脂及添加劑在高碳鋼絲上固定金剛石顆粒;
③鑲嵌金剛線:通過(guò)滾壓的形式在高碳鋼絲上固定金剛石顆粒;
④釬焊金剛線:通過(guò)合金釬焊在高碳鋼絲上固定金剛石顆粒。
目前國(guó)內(nèi)電鍍法金剛線、樹脂法金剛線技術(shù)較為成熟,而鑲嵌法金剛線、釬焊法金剛線還處于研發(fā)階段。樹脂金剛線能夠得到比電鍍金剛線更好的表面,只是加工速度要慢。具體對(duì)比可看下圖:
不同金剛線切割后的表面對(duì)比
由于SiC晶體具有各向異性的特點(diǎn),所以在切割過(guò)程中,要嚴(yán)格按照要求的方向切割,切割角度可以通過(guò)X射線定向儀準(zhǔn)確測(cè)定。
通過(guò)多線切割機(jī)切出的SiC晶片,表面粗糙度、彎曲度和總厚度變化小,每次可以切割多塊目標(biāo)晶體,而且切割晶體時(shí)速率快、耗時(shí)少,從而實(shí)現(xiàn)了碳化硅晶片的高效切割,目前已逐漸成為半導(dǎo)體晶體切割方式的主流。
那,有必要用激光嗎?
實(shí)際上,線切割的方案也有不得不提的問(wèn)題,據(jù)悉,目前主流的多線切割損耗率高達(dá)50%以上。當(dāng)用金剛石線鋸切割碳化硅晶錠時(shí),多達(dá)40%的晶錠以SiC粉塵的形式成為廢料,直接導(dǎo)致碳化硅晶圓產(chǎn)量不理想,其中,每個(gè)晶圓的切割過(guò)程也需要數(shù)小時(shí)才能完成,
激光切割現(xiàn)行方案:
近年來(lái),由于切片效率問(wèn)題,不少國(guó)外企業(yè)采取更為先進(jìn)的激光切割和冷分離技術(shù),激光切割技術(shù)則是通過(guò)激光處理在內(nèi)部形成改性層從碳化硅晶體上剝離出晶片,該技術(shù)處于研究階段,如圖左。冷分離技術(shù)具有材料利用率高,節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),如圖右。激光在晶錠內(nèi)部形成角質(zhì)層點(diǎn)平面,其上表面涂覆特制的分離材料并冷凍,遇冷收縮可分離晶圓薄片。
但使用普通激光切碳化硅晶體有可能會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力導(dǎo)致晶體崩裂紋,會(huì)出現(xiàn)缺陷不可控的情況,冷切割的成本又是一個(gè)繞不開的話題。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:激光切割碳化硅晶棒這條路是否走得通?
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