碳化硅单晶切割技术研究

摘 要：碳化硅单晶材料是第三代宽禁带半导体材料的代表，对电子产业的发展起到强有力的支 撑。晶片加工技术是器件生产的重要基础和基本保证，任何具有优异特性的材料只有在成功有效的加工技术下才能发挥实际效能。本文介绍了切割工艺，通过工艺实验及对实验结果的分析，确定了切割工艺参数。　　碳化硅单晶材料以其优良的性质，可以实现半导体照明，提高光存储密度，改善装备性能，具有广泛的应用领域及广阔的应用前景。依据器件的使用，要求碳化硅单晶抛光片要有高的表面质量：表面光滑、表面粗糙度低、无缺陷、无损伤，TTV、Warp等表面参数优良。晶片加工技术是器件生产的重要基础和基本保证，任何具有优异特性的材料只有在成功有效的晶片加工技术的支持下才发挥最大的价值，即便有高质量的碳化硅单晶，若没有相匹配的加工技术和手段也无法实用化。碳化硅材料加工质量和精度的优劣，直接影响到其器件的性能，比如当晶片表面有微小缺陷时，会遗传给外延生长膜而成为器件的致命缺陷。依据应用需要，碳化硅单晶抛光片加工技术已成为我们必须解决的重要问题。　　对于该材料的加工难度十分大，主要体现在：(1)硬度大，碳化硅单晶材料莫氏硬度分布在9.2～9.6之间，仅仅比金刚石的硬度低0.5左右;(2)化学稳定性高，几乎不与任何强酸或强碱发生反应，室温下，它能抵抗任何已知的酸性腐蚀剂;(3)加工机理的研究欠缺，碳化硅材料是新一代半导体材料，大量的问题尚未被发现，机理研究十分欠缺;(4)加工设备相对落后，加工设备是材料超精密加工的基础，先进的自动化程度高的关键加工设备多数从国外进口，国内对加工设备的研究比较落后，特别是在设备设计、制造观念，加工精度、设备材质等方面与国外存在极大的差距。　　碳化硅材料有其他半导体材料无可比拟的优势，从表1的对比可以看出碳化硅材料工作温度、击穿电场强度、热导率等技术参数明显高于Si、GaAs等半导体材料。　　对于碳化硅材料加工技术，晶体切割是十分关键的环节，对晶片质量起决定性作用。目前，国内主要依靠自身技术力量来解决碳化硅单晶抛光片的需求问题，尽快提高碳化硅晶体抛光片的几何参数和表面质量，实现碳化硅晶体抛光片的实用化，对我国碳化硅基新型电子元器件的发展意义重大。1实验　　晶体切割工艺是碳化硅单晶材料加工过程中 关键工艺之一，晶体切割的优劣直接影响后面工艺的加工质量和加工效率。如TTV、 Warp等问题，主要是由切片工艺引起的。若切片的TTV和Warp较大，会给后面工序的加工造成很大困难，甚至使晶片报废;若在晶体切割过程中，造成了很深的划痕，在以后的研磨、抛光工艺过程中得花费很多时间和精力才能消除。碳化硅单晶切割的实验设备：StruersAccu-tom-50型外圆切割机(如图1所示);主要原材料：碳化硅单晶、金刚石刀片。通过工艺实验，进一步分析各工艺条件对切割质量的影响，确定最佳切割工艺条件。2 结果与讨论　　2.1晶体推进方式的选择　　在切割工艺中，晶体的推进方式主要分为平推、摆动、旋转三种方式，对于具有高硬度、高耐磨特性的碳化硅晶体来说，选择合适、合理的晶体推进方式至关重要，因为这将直接影响单晶切割的成败与质量。　　2.1.1平推方式　　传统的半导体材料如硅、锗等在使用外圆或内圆切割时均采用平推方式，该方式比较简单，传动系统相对比较稳定。此类材料与碳化硅材料相比，虽然都属于硬脆材料，但硬度相差很大，不在同一数量级。依据碳化硅单晶固有的特性，采用平推方式切割存在一定的弊端：　　(1)切割刀片是圆形，在切割开始时刀片与晶体的接触为一点，随着切割的深入，切割面逐渐成为弧线，这样导致切割阻力增加，切割刀片的负载加大;另外，随刀片切割进程的增加，刀片的冷却和润滑十分困难，使得刀片温度增加，可能导致切割失败;　　(2)切割直径与刀片的直径有直接关系，当采用平推方式时切割直径小于刀片半径，特别是到切割后期，刀片几乎全部没入晶体内，刀片的径跳、端跳等现象会相对“放大”容易造成晶片损伤，直接影响加工质量。　　2.1.2摆动方式　　该方式是在设定角度下往复旋转，旋转角度一般在5°~20°之间。采用该方式切割时，与平推方式相比，增加了旋转，切割阻力相对减小，但在切割后期刀片的径跳、端跳控制及冷却和润滑都十分困难，切割难度增加。　　2.1.3旋转方式　　采用该方式切割时将晶体与刀片保持逆向旋转，使切割始终保持在一个“点”上进行，这样可使切割阻力减小;另外，旋转切割可使切割直径增大1倍，因为在采用旋转方式时切割点逐渐向晶体中心靠拢，最后结束在晶体中心部分，也就是说进刀量在保持晶体半径长度时就可以切割出一片晶片。采用该方式既可以提高加工效率，又能够延长刀具寿命，保证切割的顺利进行。通过以上三种方式的比较，对于碳化硅这种高硬度的特殊晶体，采用旋转方式切割最为科学合理。 2.2刀片转速控制　　在切割过程中，切割刀片转速的控制十分重要，通过理论和工艺试验结果分析可知：转速过低时，切割效率低，极易造成切割表面损伤，使得切割表面质量差;转速过高时，切割效率高，在切割初期切割表面质量好，但切割后期表面质量逐渐变差。通过分析可知，当刀片转速过高时，对刀片质量要求也十分高，因为切割时刀片损毁速度过快，当刀片质量与切割转速不相匹配时就造成了晶片的表面质量和几何参数的下降，因此选择合适的切割转速对切割质量和切割的成败至关重要。试验数据如图2所示，通过试验我们选择切割转速在2400~2800r/min范围内，在这个范围内晶片的切割质量较好。　　2.3切割速度对晶片几何参数的影响　　切割速度的快慢直接影响晶片TTV、Bow指标的好坏。切割速度理论上越快效率越高。但若切割速度过快，会产生刀片弯曲，从而影响切割片的几何参数。另外，如果切割速度太快将会造成刀片过度磨损，最终影响切割片的质量。因此，针对硬度过高的碳化硅晶体，切割进给速度应保持在相对低的水平上，切割质量反而会提高。通过工艺试验得出切割速率与TTV及刀片使用寿命关系图，如图3所示，结果表明，切割速度在8μm/s以下时， 晶片的TTV会下降到20μm以下，刀片寿命也会延长到4h左右。3结论　　碳化硅晶体硬度很大，传统的切割方法、切割设备、 切割刀具以及切割工艺参数不能适应，通过工艺研究确定最佳的工艺。在碳化硅晶体切割时，刀片转速、 切割速度是最主要的工艺参数，它们将直接影响切割晶片的表面质量，通过工艺实验研究确定切割转速：2400~2800r/min，切割速度小于8μm/s。本文作者李宝珠，冯玢(中国电子科技集团公司第四十六研究所)，如转载不当，请及时联系我们。