切割工艺参数对6英寸N型碳化硅晶片的影响

来源：电子工艺技术

摘 要

采用砂浆多线切割工艺加工6英寸（1英寸=25.4 mm）N型碳化硅晶体，研究了此工艺中钢线张力、 线速度、进给速度等切割参数对晶片切割表面的影响。通过优化切割工艺参数，最终得到高平坦度、低翘曲度、 低线痕深度的6英寸N型碳化硅晶片。

0 引言

碳化硅半导体作为宽禁带半导体材料的典型代 表，具有高临界击穿场强、高热导率、高电子饱和 漂移速度、大禁带宽度的特点，极大地扩展了功率 器件的能量处理能力，能够满足下一代电力电子装 备对功率器件更大功率、更小体积和更恶劣条件下 工作的要求，是制作高温、高频、大功率和低 损耗器件的优良材料。同时，碳化硅也是目前 晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛 的宽禁带半导体材料。近年来，PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电源、光伏逆变器，尤 其是新能源汽车领域的快速发展，使碳化硅功率器 件的接受度和认可度越来越高，碳化硅材料行业迎 来井喷式增长。

目前，碳化硅衬底材料的供应全球紧张，成 本居高不下，主要受制于碳化硅晶体生长及晶片 加工过程中较低的生产效率和生产良率。大尺寸功 率芯片对碳化硅晶片的表面加工提出越来越高的 要求，如对表面几何形貌弯曲度（Bow）、翘曲度 （Warp）参数进一步收敛以及对表面划伤、粗糙度 的进一步降低。碳化硅晶片生产加工过程中，由于 表面形貌控制不佳造成的良率损失占据最大比例， 而对于碳化硅晶片的表面几何形貌不良，主要原因 是多线切割过程工艺不匹配造成，因此通过优化多 线切割工艺，提高切割质量，进而提高最终的晶片 表面几何形貌参数，对于提升碳化硅晶片生产合格 率，降低碳化硅晶片生产成本是非常必要的。

1 试验

碳化硅晶片切割常用的加工技术有三种：1）固 结金刚石多线锯切割技术，是将金刚石磨粒通过电 镀、钎焊的方法固结在不锈钢切割线上，通过金刚 石线的高速往复运动，实现对碳化硅晶体的切割。2）游离磨料多线锯切割技术，是配置金刚石悬浮切 削液，利用不锈钢线将切削液带入锯缝，通过不锈 钢线的往复运动，促使金刚石磨料达到“滚动-压 痕”机制以达到材料去除目的。3）激光隐形切割技术，是将激光在材料内部聚焦，破坏焦点附近的 分子键，在焦点区域形成改质层，当垂直于改制层 施加压力时，晶圆沿着改质层分离。固结金刚石多 线锯切割技术，具有切割效率高、成本低的优点， 但金刚石颗粒造成的碳化硅晶片表面损伤层深度 大，需增加磨抛过程去除量，切割晶片的预留厚度 大，降低了晶锭的出片效率。游离磨料多线锯切割 技术，具有线损小、晶片表面损伤层浅、出片率高 的优点，但是由于切割效率低、时间长，单台设备 的综合产能低。激光隐形切割技术具有损耗小、出片率更高的特点，因此为进一步降低碳化硅衬底生 产成本提供新的解决思路，但目前工艺技术尚不成 熟，处于工程化开发阶段。

本文采用砂浆多线锯切割方式进行碳化硅晶锭 切割，线锯切割设备选用莱玛特公司生产的DW288 型号产品；钢线采用0.16 mm的不锈钢线；砂浆采用 5 μm金刚石砂浆切削液，砂浆浓度600 ct/L；罗拉 槽锯0.65 mm；单次切割晶锭长度100 mm。针对钢线 张力、线速度、进给速度等切割参数分别设计对比 试验，每个工艺条件20组试验数据。切割完成后，晶片经清洗去除表面颗粒，测试 表面几何形貌Bow、Warp等数据，检测设备为康宁 公司FM200。

2 结果和讨论

2.1 钢线张力对晶片表面几何形貌影响

随试验A研究钢线张力对晶片表面几何形貌影 响。切割使用钢线的破断张力为65 N，设计A1~A4四 个对照组，见表1，分别采用36 N、40 N、44 N、58 N 的张力进行切割工艺试验；切割线速度统一设置为 15 m/s；切割时间为120 h，对应的平均切割进给速 度为1.28 mm/h。

切割晶片的典型几何形貌如图所示。

随着钢线张力的增加，碳化硅晶片的Bow均 值从-10 μm降至-6 μm；Warp均值从19 μm收敛 15 μm，Bow、Warp分布整体呈现收敛趋势。但是 在采用张力为48 N的切割过程中，发生一次断线， 导致该批次续切时Bow、Warp的失控，并且造成 了部分晶片的碎片。这是由于多线切割过程中切割 线保持较高的张力可以得到更加稳定和可靠的切割 系统，较高的张紧力减小了一定频率下切割系统的 振幅，可以获得较高的切割线固有频率，使得振幅 随着激励频率接近切割线固有频率的变化率有所减 小，从而提高了切割过程的稳定性，得到更佳的切 割效果[6]。但考虑切割线本身比较细，在切割过程 中，线的直径随着磨损不断变细，自身破断力降 低，在过高张力的情况下很容易发生断线情况，因 此从生产的角度，选择40~44 N的钢线张力是比较适 宜的（如图2所示）。

2.2 钢线速度对晶片表面几何形貌影响

在试验A基础上，固定44 N钢线张力；切割时间 为120 h，对应的平均切割进给速度为1.28 mm/h。试验B研究钢线速度对碳化硅晶片表面几何形貌的影 响。设备的最大线速度为25 m/s，设计B1~B4四个对 照组，见表2，分别采用15 m/s、18 m/s、22 m/s、 25 m/s的张力进行切割工艺试验。

B1~B4四个对照组的表面几何形貌如图3所示。

随着钢线速度从15 m/s增加到22 m/s，碳化硅晶 片的Bow值从-8 μm降低到-4 μm，Warp从17 μm 降低至12 μm。继续提升线速度至25 m/s，碳化硅 晶片的Bow值和Warp均值变化不大，但是整体分布 呈现发散趋势。这是由于随着线速度的增加，参与 切割的金刚石磨料有效数量增加，整体切削能力变 强且单个磨粒承担的法向力减少，线网运行更加平 稳，切割片的表面几何形貌得到有效改善。但随着 线速度的进一步提升，达到设备上限，线网本身的 振动趋势增大，造成切割工艺的波动性变大，不同 批次之间的Bow、Warp分布开始离散。因此，选择 22 m/s的线速度是比较适宜的。

2.3 进给速度对晶片表面几何形貌影响

在试验B基础上，固定44 N钢线张力，线速度 22 m/s。为提高生产效率，降低生产成本，对进给 速度做进一步优化。试验C研究进给速度对碳化硅晶 片表面形貌的影响。设计C1~C4四个对照组，见表 3，分别采用1.18 mm/h、1.28 mm/h、1.41 mm/h、 1.54 mm/h的平均进给速度进行切割工艺试验，对应 切割时间分别为120 h、110 h、100 h、90 h。

C1~C4四个对照组的表面几何形貌如图4所示。

随着进给速度从1.28 mm/h提升至1.54 mm/h， 即切割时间从120 h缩短至100 h，Bow值从-4 μm变 到-6 μm，Warp中值从12 μm增加至13.5 μm，最大值 仍小于20 μm；随着进给速度继续提升至1.71 mm/h，即切割时间缩短至90 h，碳化硅晶片的Bow和Warp变 得离散并有部分晶片异常增大现象，部分晶片表面 出现明显的波纹状线痕并呈现出FM200测试局部面型 缺失的现象。

这是由于碳化硅晶锭在切割过程中，切割钢 线、金刚石粉与碳化硅晶体之间高速摩擦，这一过 程中会放出大量的热量，其中一部分热量被切削液 及时吸收，另外一部分被碳化硅晶体吸收产生体变 形进而影响碳化硅晶片的几何参数。随着进给速 度增加，切割过程中通过磨粒镶嵌去除的速度也加 快，产生的热量相对增加，增大了单晶由于温度变 化引发的变形。同时，在90 h切割过程中，可观测到 线弓明显增大，在直径区域达到最大值，表明切削 能力不足，尤其是在直径附近区域的向下磨削效率 跟不上线网进给，线网由于温度引起的局部线性膨 胀、强度变化及张力抖动增加，造成局部侧向磨削 增加，造成局部的深线痕和面型缺失。因此，现阶 段采用1.54 mm/h的进给速度，即100 h的切割时间， 是相对合理的，可以在保证质量的基础上提升16%的 生产效率。

3 结论

研究了切割工艺参数对砂浆多线切割6英寸N型 碳化硅晶片表面几何形貌的影响，通过对比钢线张 力、线速度、进给速度等切割参数量产晶片表面几 何参数数据，选择钢线张力44 N、线速度22 m/s、进 给速度1.54 mm/h的工艺参数，既能得到稳定收敛的 表面几何参数，又能兼顾较高的生产效率。

审核编辑：汤梓红