金刚石多线切割工艺对高纯4H—SiC晶片翘曲度的影响

徐伟 王英民 何超 靳霄曦 谷晓晓

摘 要：描述了高纯SiC晶体材料的加工方法，分析了金刚石多线各种切割工艺对高纯SiC晶体的切割效果及效率的影响，并基于金刚石切割SiC晶体的理论依据，结合各种工艺试验数据及切割片数据，总结出相对稳定的工艺条件，并在这类工艺条件下，得出较低翘曲度的高纯SiC晶片，满足下游客户的要求，采用TROPEL FM-100平坦度测试仪分析各种切割工艺条件下的高纯100 mm 4H-SiC切割片表面形貌。

关键词：金刚石线；高纯4H-SiC晶片；翘曲度

中图分类号：TG48 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2017）07-0126-02

Abstract：In this paper， the processing method of high purity SiC crystal material is described. The effect of diamond cutting process on the slicing efficiency and efficiency of high purity SiC crystal is analyzed. Based on the theoretical basis of diamond slicing SiC crystal， Test data and slicing wafers data， summed up the relatively stable process conditions， and in this type of process conditions， the lower Warp of the high-purity SiC wafer can be meet the requirements of customers. The surface morphology of high purity 100 mm 4H-SiC dicing pieces under various slicing conditions was analyzed by TROPEL FM-100 flatness tester.

Key Words：Diamond wire； High purity 4H-SiC wafer； Warp

碳化硅（SiC）具有高功率密度、低热损耗、强抗辐射能力，因此，这种半导体被认为是当前最有研究价值且最适宜产业化推广的新型半导体衬底材料。由于碳化硅材料的莫氏硬度大约为9.25，尤其是高纯碳化硅晶体材料的切割研磨抛光难度大，使用内圆切割机、单线切割机等传统切割方式已不能有效提高切割效率。

在SiC晶体的切割过程中，SiC晶片切割后的指标参数在加工工序中占有很重要的地位，如果切片几何参数质量好，则可减少后续的磨抛工作量以及生产成本，提高最终SiC抛光片的几何参数加工质量。因此，目前主体SiC晶体线切割工序均采用金刚石多线切割工艺进行SiC晶体的切割。晶体切割过程中的工艺参数控制对晶片翘曲度的影响最大，主要受制于切割线速度、进给速率、切割张力以及金刚石线用线量等工艺参数，当这些工艺参数相互匹配时，SiC切割片的翘曲度会被控制在较低范围内。

1 实验

1.1 实验方法

高纯4H-SiC晶片切割选用高速金刚石多线切割机，试验装置的切割原理为4H-SiC晶棒（见图1所示），垂直于金刚石线向下进给，金刚石线由可正反向旋转的导轮带动，当导轮作顺时针（逆时针）转动使走线达到每步程序设定的最大长度时，导轮在控制系统作用下实现逆向转动，从而使金刚石线往复运转实现切割，同时晶棒在摇摆电机的驱动下实现摆动切割。由冷水机组控制喷在金刚石线网上的冷却液的温度。

采用直径为0.25μm金刚石线进行切割，金刚石线显微图如2所示，线上金刚石密度为26/cm。

金刚石多线切割中WARP的约束是加工难点，WARP值和BOW值的产生主要认为：WARP主要源于切割产生，BOW来自于晶体本身应力造成，对于不同晶体生长工艺方式获得的晶体也略有不同，晶片的翘曲会导致在后续的加工中使晶片轴线与晶轴偏离。

由于WARP值、BOW值大无法通过后道工序有效降低，并且后续加工时间很长，所以在切割工艺过程中需严格控制WARP。通过工艺实验观察，工作台受力的变化同WARP值的变化有很大相关性，变化最大部分造成的WARP值占到整个WARP值的60%～80%，对于100 mm（4英寸）晶体来说，通常发生在切入晶体的80 mm左右。（工作台载荷即晶体向下进给时受到所有金刚石线给于的向上反压力。）如图3所示，

1.2 试验工艺

1.2.1 试验工艺条件A

工艺条件如表1所示，采用同一批次金刚石线，线径为0.25μm，摇摆角度3°，其WARP分布与表面形貌见图4、图5。

1.2.2 试验工艺条件B

工艺条件如表2所示，采用同一批次金刚石线，线径为0.25μm，摇摆角度3°，WARP分布图与表面形貌见图6、图7。

1.2.3 试验工艺条件C

工艺条件如表3所示，采用同一批次金刚石线，线径为0.25μm，摇摆角度3°， WARP分布图与表面形貌见图8、图9。

2讨论

在金刚石线锯切割单晶SiC的切割过程中，SiC晶体是在切割过程中被金刚石线上的金刚石颗粒去除掉。线切过程过程中，切割缝内SiC晶体材料去除过程如图10所示。

图10所示，a表示金刚石线接触SiC晶体材料示意图、b图表示金刚石线磨削晶体材料、c图表示金刚石线在切割过程中的震动。从切割缝底部的亚表面损伤的结果中可以看到，切割缝底部的亚表面裂纹分布密集，而切割缝侧面的亚表面裂纹分布很少。在理想线切割条件下，金剛石线无横向振动，SiC晶体在切割缝底部被金刚石颗粒以二体磨削的形式，通过金刚石线锯上的金刚石磨粒对SiC晶体进行挤压与滑擦，将SiC晶体以脆性方式去除掉。

在实际切割中，由于金刚石线截面是圆形的，在切割缝底部最底处材料的去除厚度hmax最高，在切割过程中，切割缝底部边界处材料的去除厚度趋于0。当单位长度的线切割材料去除率低于某一临界值时，脆性材料去除可转变为塑性材料去除。在切割缝边界处，具备SiC晶体的塑性材料去除方式的条件。在切割缝底部是通过材料的脆性去除产生的裂纹，在切割缝侧面的过程中，侧壁材料大部分将以塑性材料去除方式被去除掉。还有一部分切割裂纹由于横向长度大于金刚石线半径，在形成切割缝侧面的过程中被保留下来。然而在线切割过程中很多情况下存在金刚石线的横向振动，造成侧壁SiC晶体的二次去除，在切割缝表面产生新的裂纹，将原有裂纹扩展，使得以脆性材料去除方式将侧壁SiC晶体去除，造成最终切割缝宽度略大于金刚石线线径。

切割时切割工艺线速度越大如工艺C所示，进给速度越小将造成材料去除厚度hmax越小，使得在切割缝底部边界附近，以塑性材料去除方式的区域越大。金刚石线速度的增大，工件进给速度的减小同时降低了锯切力，在切割缝底部形成的表面裂纹长度降低。在切割缝侧面通过原有裂纹扩展而去除的SiC晶体减少，在切割缝侧面造成的延性区越大。

3结语

在实际金刚石线锯切割SiC晶体的工艺过程中，线张力的增大如工艺C所示，导致金刚石线承受的刚度增大，线刚度增大导致金刚石颗粒对于SiC晶体的避让减小，实际切痕变大，材料去除率增高，切割后晶片翘曲度得到很好改善。

参考文献

[1] 康仁科，田业冰，郭东明，等. 大直径硅片超精密磨削技术的研究与应用现状[J].金刚石与磨料磨具工程， 2003， （4）：3-18.

[2] 徐伟，王英民，何超. 金刚石多线切割材料去除率对SiC晶片翘曲度的影响[J]. 超硬材料工程， 2016，28（1）：24-27.

[3] 张玉兴.电镀金刚石线切割单晶SiC晶片的加工表面研究[D]. 福建：国立华侨大学，2014.