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[分享] SiC单晶片怎么切?

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2021-3-15
发表于 2020-12-17 23:37:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
在5G通信技术、新能源汽车以及光电应用等推动之下,近年来SiC市场一直保持着快速增长,成为目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。
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SiC功率半导体产业链中,主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。其中,单晶材料是SiC功率半导体技术和产业的基础,依据器件的使用,还会要求SiC单晶抛光片要有高的表面质量,如表面光滑、表面粗糙度低、无缺陷、无损伤、TTV、Warp等表面参数优良。否则当晶片表面有微小缺陷时,还会遗传给外延生长膜而成为器件的致命缺陷。显然,优秀的晶片加工技术是器件生产的重要基础和基本保证。
SiC单晶片很难搞?

想要获得一片合格的SiC单晶片并不简单。首先第一步的长晶就已是困难重重,无论是PVT法还是HTCVD法,长晶速度都很慢而且品质还不一定稳定。好不容易过了这一关,又因为SiC单晶实在是贼硬因此加工比较困难,进一步导致了SiC单晶片产能受限。
SiC和Si、GaAs材料性质的比较
微信图片_20201217233529.png
SiC加工困难主要可以体现在以下几点:
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,许多工程师对碳化硅元件本身的性能并不太清楚。
目前SiC单晶片的加工过程,按顺序可分为以下几个过程:晶体切割、研磨、抛光和超精密抛光。所谓万事开头难,第一步的“切割”非常关键,如果不能将SiC晶棒切割成翘曲度小、厚度均匀、低切损的晶片,后续的研磨和抛光也会受到影响,那质量再高的SiC单晶也无法实用化。
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磨边后的晶圆及不同晶向的对应的磨边
SiC单晶片怎么切?

切割是将SiC晶棒沿着一定的方向切割成晶体薄片的过程。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等问题主要都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。以下是两种SiC单晶较常用的切割方式。
1.内、外圆切割法
内、外圆切割法是利用边缘镶有金刚石的金属锯片来切割晶棒的。由于锯片相当薄,在此切割过程中任何锯片上的变形都会导致所切晶片外形尺寸上的缺陷,该方法只能用来切割小尺寸比如1英寸的SiC单晶,单晶直径增大后,切割过程中必须更换锯片,很容易造成晶片破裂,同时该方法要求晶片厚度应在2mm以上,小于2mm晶片易开裂,造成很大材料浪费。
但是作为氮化镓衬底基片的碳化硅,要求其切割厚度在0.7mm以下。如果用内、外圆切割法,多余的1.3mm左右的碳化硅只能靠研磨减薄,而减薄碳化硅需要大量的工时和使用昂贵的金刚石磨料,这不但降低了工作效率,还极大地浪费了材料,增加了成本。如果切割大直径(直径不小于2英寸)的SiC晶体,随着切割深度的增加,锯片上的金刚石磨损严重,锯片容易变形,切削能力不断下降,往往在切一片2英寸的SiC单晶时要多次换刀片。因此内、外圆切割方法,工艺繁琐,成本高,不适用于大直径SiC单晶的切割。
2.多线切割机切割
要想工作效率高,晶体切割一般是采用多线切割机切割,利用外层镀有金刚石颗粒的金刚石切割线的往复式高速切割运动,实现大直径SiC晶棒的多片切割,具有表面损伤小、切缝损耗少、加工量大、切割效率高、切片质量好、运行成本低等诸多优点。
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多线切割过程图
按不同的表面处理方法,金刚线还可以分成如下四种:
①电镀金刚线:通过电镀在高碳钢丝上固定Ni、金刚石颗粒;
②树脂金刚线:通过加热酚醛类树脂及添加剂在高碳钢丝上固定金刚石颗粒;
③镶嵌金刚线:通过滚压的形式在高碳钢丝上固定金刚石颗粒;
④钎焊金刚线:通过合金钎焊在高碳钢丝上固定金刚石颗粒。
目前国内电镀法金刚线、树脂法金刚线技术较为成熟,而镶嵌法金刚线、钎焊法金刚线还处于研发阶段。树脂金刚线能够得到比电镀金刚线更好的表面,只是加工速度要慢。具体对比可看下图:
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不同金刚线切割后的表面对比
总之,通过多线切割机切出的SiC晶片,表面粗糙度、弯曲度和总厚度变化小,每次可以切割多块目标晶体,而且切割晶体时速率快、耗时少,从而实现了碳化硅晶片的高效切割,目前已逐渐成为半导体晶体切割方式的主流。由于SiC晶体具有各向异性的特点,所以在切割过程中,要严格按照要求的方向切割,切割角度可以通过X射线定向仪准确测定。

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