中國(guó)粉體網(wǎng)訊  碳化硅單晶材料以其優(yōu)良的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明，提高光存儲(chǔ)密度，改善裝備性能，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域及廣闊的應(yīng)用前景。依據(jù)器件的使用，要求碳化硅單晶拋光片要有高的表面質(zhì)量：表面光滑、表面粗糙度低、無(wú)缺陷、無(wú)損傷，TTV、Warp等表面參數(shù)優(yōu)良。晶片加工技術(shù)是器件生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)和基本保證，任何具有優(yōu)異特性的材料只有在成功有效的晶片加工技術(shù)的支持下才發(fā)揮最大的價(jià)值，即便有高質(zhì)量的碳化硅單晶，若沒有相匹配的加工技術(shù)和手段也無(wú)法實(shí)用化。碳化硅材料加工質(zhì)量和精度的優(yōu)劣，直接影響到其器件的性能，比如當(dāng)晶片表面有微小缺陷時(shí)，會(huì)遺傳給外延生長(zhǎng)膜而成為器件的致命缺陷。依據(jù)應(yīng)用需要，碳化硅單晶拋光片加工技術(shù)已成為我們必須解決的重要問題。  　　

對(duì)于該材料的加工難度十分大，主要體現(xiàn)在：

(1)硬度大，碳化硅單晶材料莫氏硬度分布在9.2～9.6之間，僅僅比金剛石的硬度低0.5左右;

(2)化學(xué)穩(wěn)定性高，幾乎不與任何強(qiáng)酸或強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)，室溫下，它能抵抗任何已知的酸性腐蝕劑;

(3)加工機(jī)理的研究欠缺，碳化硅材料是新一代半導(dǎo)體材料，大量的問題尚未被發(fā)現(xiàn)，機(jī)理研究十分欠缺;

(4)加工設(shè)備相對(duì)落后，加工設(shè)備是材料超精密加工的基礎(chǔ)，先進(jìn)的自動(dòng)化程度高的關(guān)鍵加工設(shè)備多數(shù)從國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)對(duì)加工設(shè)備的研究比較落后，特別是在設(shè)備設(shè)計(jì)、制造觀念，加工精度、設(shè)備材質(zhì)等方面與國(guó)外存在極大的差距。  　　

碳化硅材料有其他半導(dǎo)體材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，從表1的對(duì)比可以看出碳化硅材料工作溫度、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率等技術(shù)參數(shù)明顯高于Si、GaAs等半導(dǎo)體材料。  　　

對(duì)于碳化硅材料加工技術(shù)，晶體切割是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對(duì)晶片質(zhì)量起決定性作用。目前，國(guó)內(nèi)主要依靠自身技術(shù)力量來(lái)解決碳化硅單晶拋光片的需求問題，盡快提高碳化硅晶體拋光片的幾何參數(shù)和表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)碳化硅晶體拋光片的實(shí)用化，對(duì)我國(guó)碳化硅基新型電子元器件的發(fā)展意義重大。  　　

1實(shí)驗(yàn)  　　

晶體切割工藝是碳化硅單晶材料加工過程中 關(guān)鍵工藝之一，晶體切割的優(yōu)劣直接影響后面工藝的加工質(zhì)量和加工效率。如TTV、 Warp等問題，主要是由切片工藝引起的。若切片的TTV和Warp較大，會(huì)給后面工序的加工造成很大困難，甚至使晶片報(bào)廢;若在晶體切割過程中，造成了很深的劃痕，在以后的研磨、拋光工藝過程中得花費(fèi)很多時(shí)間和精力才能消除。碳化硅單晶切割的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：StruersAccu-tom-50型外圓切割機(jī)(如圖1所示);主要原材料：碳化硅單晶、金剛石刀片。通過工藝實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步分析各工藝條件對(duì)切割質(zhì)量的影響，確定最佳切割工藝條件。  　　

2 結(jié)果與討論  　　

2.1晶體推進(jìn)方式的選擇  　　

在切割工藝中，晶體的推進(jìn)方式主要分為平推、擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)三種方式，對(duì)于具有高硬度、高耐磨特性的碳化硅晶體來(lái)說，選擇合適、合理的晶體推進(jìn)方式至關(guān)重要，因?yàn)檫@將直接影響單晶切割的成敗與質(zhì)量。  　　

2.1.1平推方式  　　

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料如硅、鍺等在使用外圓或內(nèi)圓切割時(shí)均采用平推方式，該方式比較簡(jiǎn)單，傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)比較穩(wěn)定。此類材料與碳化硅材料相比，雖然都屬于硬脆材料，但硬度相差很大，不在同一數(shù)量級(jí)。依據(jù)碳化硅單晶固有的特性，采用平推方式切割存在一定的弊端：  　　

(1)切割刀片是圓形，在切割開始時(shí)刀片與晶體的接觸為一點(diǎn)，隨著切割的深入，切割面逐漸成為弧線，這樣導(dǎo)致切割阻力增加，切割刀片的負(fù)載加大;另外，隨刀片切割進(jìn)程的增加，刀片的冷卻和潤(rùn)滑十分困難，使得刀片溫度增加，可能導(dǎo)致切割失敗;  　　

(2)切割直徑與刀片的直徑有直接關(guān)系，當(dāng)采用平推方式時(shí)切割直徑小于刀片半徑，特別是到切割后期，刀片幾乎全部沒入晶體內(nèi)，刀片的徑跳、端跳等現(xiàn)象會(huì)相對(duì)“放大”容易造成晶片損傷，直接影響加工質(zhì)量。  　　

2.1.2擺動(dòng)方式  　　

該方式是在設(shè)定角度下往復(fù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度一般在5°~20°之間。采用該方式切割時(shí)，與平推方式相比，增加了旋轉(zhuǎn)，切割阻力相對(duì)減小，但在切割后期刀片的徑跳、端跳控制及冷卻和潤(rùn)滑都十分困難，切割難度增加。  　　

2.1.3旋轉(zhuǎn)方式  　　

采用該方式切割時(shí)將晶體與刀片保持逆向旋轉(zhuǎn)，使切割始終保持在一個(gè)“點(diǎn)”上進(jìn)行，這樣可使切割阻力減小;另外，旋轉(zhuǎn)切割可使切割直徑增大1倍，因?yàn)樵诓捎眯�轉(zhuǎn)方式時(shí)切割點(diǎn)逐漸向晶體中心靠攏，最后結(jié)束在晶體中心部分，也就是說進(jìn)刀量在保持晶體半徑長(zhǎng)度時(shí)就可以切割出一片晶片。采用該方式既可以提高加工效率，又能夠延長(zhǎng)刀具壽命，保證切割的順利進(jìn)行。通過以上三種方式的比較，對(duì)于碳化硅這種高硬度的特殊晶體，采用旋轉(zhuǎn)方式切割最為科學(xué)合理。

2.2刀片轉(zhuǎn)速控制  　　

在切割過程中，切割刀片轉(zhuǎn)速的控制十分重要，通過理論和工藝試驗(yàn)結(jié)果分析可知：轉(zhuǎn)速過低時(shí)，切割效率低，極易造成切割表面損傷，使得切割表面質(zhì)量差;轉(zhuǎn)速過高時(shí)，切割效率高，在切割初期切割表面質(zhì)量好，但切割后期表面質(zhì)量逐漸變差。通過分析可知，當(dāng)?shù)镀�轉(zhuǎn)速過高時(shí)，對(duì)刀片質(zhì)量要求也十分高，因?yàn)榍懈顣r(shí)刀片損毀速度過快，當(dāng)?shù)镀�質(zhì)量與切割轉(zhuǎn)速不相匹配時(shí)就造成了晶片的表面質(zhì)量和幾何參數(shù)的下降，因此選擇合適的切割轉(zhuǎn)速對(duì)切割質(zhì)量和切割的成敗至關(guān)重要。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示，通過試驗(yàn)我們選擇切割轉(zhuǎn)速在2400~2800r/min范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)晶片的切割質(zhì)量較好。  　　

2.3切割速度對(duì)晶片幾何參數(shù)的影響  　　

切割速度的快慢直接影響晶片TTV、Bow指標(biāo)的好壞。切割速度理論上越快效率越高。但若切割速度過快，會(huì)產(chǎn)生刀片彎曲，從而影響切割片的幾何參數(shù)。另外，如果切割速度太快將會(huì)造成刀片過度磨損，最終影響切割片的質(zhì)量。因此，針對(duì)硬度過高的碳化硅晶體，切割進(jìn)給速度應(yīng)保持在相對(duì)低的水平上，切割質(zhì)量反而會(huì)提高。通過工藝試驗(yàn)得出切割速率與TTV及刀片使用壽命關(guān)系圖，如圖3所示，結(jié)果表明，切割速度在8μm/s以下時(shí)， 晶片的TTV會(huì)下降到20μm以下，刀片壽命也會(huì)延長(zhǎng)到4h左右。  　　

3結(jié)論  　　

碳化硅晶體硬度很大，傳統(tǒng)的切割方法、切割設(shè)備、 切割刀具以及切割工藝參數(shù)不能適應(yīng)，通過工藝研究確定最佳的工藝。在碳化硅晶體切割時(shí)，刀片轉(zhuǎn)速、 切割速度是最主要的工藝參數(shù)，它們將直接影響切割晶片的表面質(zhì)量，通過工藝實(shí)驗(yàn)研究確定切割轉(zhuǎn)速：2400~2800r/min，切割速度小于8μm/s。