碳化硅多線切割技術(shù)研究

付純鶴，周慶亞，陳學(xué)森，丁鵬剛

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

碳化硅多線切割技術(shù)研究

付純鶴，周慶亞，陳學(xué)森，丁鵬剛

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

在對碳化硅物理特性分析的基礎(chǔ)上，對其多線切割的工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)出了在碳化硅多線切割設(shè)備的幾個需要注意的技術(shù)要點(diǎn)；并在所研制的設(shè)備上進(jìn)行了工藝切割試驗(yàn)，獲得了較好的切割效果。

碳化硅；多線切割；擺動

碳化硅為第三代新型半導(dǎo)體材料的代表材料，其具有寬禁帶、高漂移速度、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、耐高溫等優(yōu)良特性，已成為研制高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等微電子器件和電力電子器件的理想材料。碳化硅晶體（莫桑鉆）在自然界存在十分稀少。雖然早在1914年就發(fā)現(xiàn)其優(yōu)良的特性，但由于人工生長難度大，一直未得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著PVT方法的出現(xiàn)和推廣，作為第三代半導(dǎo)體的碳化硅晶體材料的應(yīng)用逐漸推廣起來。良品的碳化硅晶體本身十分昂貴，主要因?yàn)椋旱谝皇巧L所需原材料純度高，價格高；二是生長設(shè)備投入大；三是生長周期長，基本要一周時間；四是晶體良品率低。綜合以上因素，造成了碳化硅晶體棒料的價格高昂，其切割出的晶片更是水漲船高。SiC襯底2013年產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)超過10億美元，高昂的SiC晶片成本占SiC半導(dǎo)體器件價格的40%以上，已成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。為了降低SiC晶片生產(chǎn)成本，國內(nèi)對SiC材料加工生產(chǎn)線國產(chǎn)化提出迫切需求，給國產(chǎn)設(shè)備發(fā)展提供了契機(jī)。

由于碳化硅屬于硬脆材料，其模式硬度達(dá)到9.5，僅次于金剛石，具備內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)同向性，分子間的結(jié)合力大，因此造成其切割困難。傳統(tǒng)的內(nèi)外圓切割方式無法實(shí)現(xiàn)對其有效的切割。隨著金

針對碳化硅材料的特點(diǎn)，對其進(jìn)行切割的多線設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）高線速。由于碳化硅材料硬度高，為了實(shí)現(xiàn)其高效切割，需要進(jìn)一步提高切割時的線速度，本設(shè)備在研制時，即確定了穩(wěn)定切割線速度為1 200 m/min。

（2）擺動切割。通過對藍(lán)寶石晶體切割的經(jīng)驗(yàn)可以得出，在采用擺動切割方式時，其所切割的晶片與非擺動切割的晶片表面質(zhì)量從表面粗糙度、彎曲度和翹曲度等指標(biāo)均有很大提高。

為了進(jìn)一步提高碳化硅的切割效率和切割晶片的表面質(zhì)量，因此設(shè)備在設(shè)計(jì)時采用了線網(wǎng)擺動切割的方式。

（3）可靠的張力控制算法。由于碳化硅材料硬，難于切割，其單次切割時間長。并且由于碳化硅材料價格昂貴，不允許在切割過程中出現(xiàn)斷線等故障造成的材料損失。因此為了防止上述情況的發(fā)生，需要有一套可靠地張力控制算法，保證切割過程的順利進(jìn)行。

基于上述幾點(diǎn)技術(shù)要求，在由中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所進(jìn)行JDQ-601金剛線多線切割設(shè)備的研制過程中，采用了如下幾項(xiàng)技術(shù)以滿足上述切割技術(shù)要求。

1　高速主軸設(shè)計(jì)技術(shù)

碳化硅屬于硬度高的材料，其切割難度大，傳統(tǒng)低線速的設(shè)備在切割時效率低下，100 mm（4英寸）晶棒的切割時間在幾天甚至一周的時間。因此，提高線速度可以有效提高材料的切割效率，而線速度的提高，就要求多線切割機(jī)的核心部件――主軸具備更高的轉(zhuǎn)速。

為了實(shí)現(xiàn)主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)過程中，采用有限元分析的方法，精確設(shè)計(jì)主軸及主軸承載部件的結(jié)構(gòu)和相關(guān)部件材料的選擇，保證主軸在軸向、徑向的精度以及同軸度。

由于主軸為高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中內(nèi)部的熱量需要及時散發(fā)出來，否則會造成切片質(zhì)量的降低甚至主軸的損壞，在主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，增加了內(nèi)部及核心運(yùn)轉(zhuǎn)部件的冷卻設(shè)計(jì)，同時對該冷卻裝置進(jìn)行獨(dú)立的PID溫度調(diào)節(jié)控制，嚴(yán)格保證主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時的溫度，確保其溫度環(huán)境的穩(wěn)定。

由于主軸位于切割的核心區(qū)域，密切接觸水及各種切割粉塵顆粒等物質(zhì)，為防止水及各種微粒進(jìn)入主軸內(nèi)部，在主軸設(shè)計(jì)制造過程中，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免水和微粒進(jìn)入主軸內(nèi)部，同時采用多重氣密封技術(shù)，保證主軸內(nèi)部的潔凈度（見圖1所示）。

圖1　主軸原理圖

2　擺動切割技術(shù)

圖2　擺動原理圖

擺動切割的原理：把兩個主軸固定在可以擺動的圓盤上，通過圓盤的擺動來帶動主軸乃至整個切割線網(wǎng)擺動，而被切割材料則處于線網(wǎng)上方，并按照垂直于線網(wǎng)平面的方向向下進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)對材料的切割。由于線網(wǎng)的擺動，切割線與被切材料之間的切割接觸區(qū)域變小，同樣的張力下，對接觸點(diǎn)的接觸力更大，因此其切割力也就越大，實(shí)現(xiàn)快速切割。同時，由于線網(wǎng)的擺動，切割線會反復(fù)通過已切割完畢的切割面，進(jìn)一步提高切割表面的質(zhì)量（見圖2所示）。

為提高擺動的精度和效率，設(shè)備在設(shè)計(jì)制造和選材過程中均做出了嚴(yán)格的要求，即保證了擺動機(jī)構(gòu)的剛性，又保證了擺動機(jī)構(gòu)的輕便性。同時，由于擺動機(jī)構(gòu)為運(yùn)動部件，并且密切接觸水和微粒的環(huán)境，對其進(jìn)行了防水防塵等方面的設(shè)計(jì)，提高其運(yùn)行的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

3　高線速小線徑張力控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)碳化硅材料的高效切割及降低材料的損耗，切割線徑應(yīng)當(dāng)盡可能小，小線徑帶來的問題是線承載的最大張力負(fù)荷的減小以及張力波動值得減小。同時，為了實(shí)現(xiàn)高效切割，線速度應(yīng)當(dāng)更高，更高的線速度意味著切割過程中張力波動的影響因素更加密集的出現(xiàn)。因此，高線速小線徑對切割的張力控制技術(shù)是此切割方式控制方面的關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)張力的更精細(xì)控制，采用了高靈敏度張力傳感器作為張力控制的檢測信號。相對于過去依靠張力臂位置檢測的方式，該方式具有實(shí)時性高，靈敏度高等特點(diǎn)，能夠保證控制系統(tǒng)在最短的時間內(nèi)檢測出張力值得變化，以便對設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)作出及時的調(diào)整。

同時，通過針對系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣運(yùn)動控制部件的特點(diǎn)，優(yōu)化張力PID控制算法的各個相關(guān)因子，提高其對設(shè)備結(jié)構(gòu)和電氣部件的控制靈敏度，進(jìn)一步確保了張力控制的實(shí)時性。

通過上述措施，在空運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)際切割過程中，其表現(xiàn)出了良好的控制效果，在線速度1 200 m/min，收放線端的張力波動范圍均未超出1 N，張力臂擺動角度控制在5°以內(nèi)且擺動動作平滑柔和。

圖3　張力波動曲線

4　切割效果

通過上述幾個技術(shù)方案在中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的JDQ-601金剛線多線切割設(shè)備上的應(yīng)用，使用該設(shè)備針對100 mm碳化硅材料進(jìn)行了多次的切片試驗(yàn)，取得了良好的效果。在進(jìn)行多次切割并不斷完善切割工藝的技術(shù)上，目前已實(shí)現(xiàn)100 mm碳化硅晶片的高質(zhì)量可靠切割，其切割的晶片表面指標(biāo)為，平整度（TTV）＜20 μm、翹曲度（BOW）＜25 μm、彎曲度（Warp）＜25 μm，達(dá)到了業(yè)內(nèi)對碳化硅晶片的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4　碳化硅晶片表面形貌圖

5　結(jié)論

本文根據(jù)碳化硅晶體材料的自身特點(diǎn)及切割晶片的具體的技術(shù)指標(biāo)要求，探討了碳化硅多線切割設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，并把這些技術(shù)成功的運(yùn)用在中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的JDQ-601金剛線多線切割設(shè)備上。并使用該型號多線切割機(jī)進(jìn)行了多次碳化硅切片工藝試驗(yàn)，最終切割出的碳化硅晶片，達(dá)到了業(yè)內(nèi)對碳化硅晶片切割的表面質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)要求，取得了理想的效果。

Research on Sic Silcing by Multi-wire Saw

FU Chunhe，ZHOU Qingya，CHEN Xuesen，DING Penggang

（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

In this paper，based on the analysis physical character about SiC，and we introduce some research on its multi-wire saw cut，and get some key processing technology about the MWS.And we did some experiment about SiC cuttingusingthis machine，and the surface qualityabout SiC wafer is good. Keywords：SiC；Multi-wire-saw；Swing

TP305

B

1004-4507（2016）08-0024-03

2016-06-29剛線切割技術(shù)的出現(xiàn)，碳化硅的金剛線切割設(shè)備的研制和應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。

付純鶴（1977-）男，吉林人，高級工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事人工晶體材料加工設(shè)備研究。