認(rèn)識碳化硅晶錠切割

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、無缺陷、無損傷、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，還會遺傳給外延生長膜而成為器件的致命缺陷。可以說，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，在各種加工過程中，裂紋極容易產(chǎn)生，進(jìn)而會導(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切割晶棒的。由于鋸片相當(dāng)薄，在此切割過程中任何鋸片上的變形都會導(dǎo)致所切晶片外形尺寸上的缺陷，且在單晶直徑增大后，切割過程中必須更換鋸片，很容易造成晶片破裂，同時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，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：通過電鍍在高碳鋼絲上固定Ni、金剛石顆粒；

②樹脂金剛線：通過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：通過合金釬焊在高碳鋼絲上固定金剛石顆粒。

目前國內(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。具體對比可看下圖：

不同金剛線切割后的表面對比

由于SiC晶體具有各向異性的特點(diǎn)，所以在切割過程中，要嚴(yán)格按照要求的方向切割，切割角度可以通過X射線定向儀準(zhǔn)確測定。

通過多線切割機(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，而且切割晶體時速率快、耗時少，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，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，每個晶圓的切割過程也需要數(shù)小時才能完成，

激光切割現(xiàn)行方案：

近年來，由于切片效率問題，不少國外企業(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出現(xiàn)熱應(yīng)力導(dǎo)致晶體崩裂紋，會出現(xiàn)缺陷不可控的情況，冷切割的成本又是一個繞不開的話題。

審核編輯：劉清