中國粉體網(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,、無缺陷,、無損傷，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,，會遺傳給外延生長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)的自動化程度高的關(guān)鍵加工設(shè)備多數(shù)從國外進(jìn)口,，國內(nèi)對加工設(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)等方面與國外存在極大的差距。
碳化硅材料有其他半導(dǎo)體材料無可比擬的優(yōu)勢,，從表1的對比可以看出碳化硅材料工作溫度,、擊穿電場強(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),，對晶片質(zhì)量起決定性作用,。目前，國內(nèi)主要依靠自身技術(shù)力量來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,，對我國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,，會給后面工序的加工造成很大困難，甚至使晶片報廢;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、旋轉(zhuǎn)三種方式,，對于具有高硬度,、高耐磨特性的碳化硅晶體來說，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)圓切割時均采用平推方式,，該方式比較簡單，傳動系統(tǒng)相對比較穩(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,。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)象會相對“放大”容易造成晶片損傷，直接影響加工質(zhì)量,。
2.1.2擺動方式
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,，與平推方式相比,，增加了旋轉(zhuǎn)，切割阻力相對減小,，但在切割后期刀片的徑跳,、端跳控制及冷卻和潤滑都十分困難，切割難度增加,。
2.1.3旋轉(zhuǎn)方式
采用該方式切割時將晶體與刀片保持逆向旋轉(zhuǎn),，使切割始終保持在一個“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D(zhuǎn)方式時切割點(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度時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,，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,，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D(zhuǎn)速過高時，對刀片質(zhì)量要求也十分高,，因?yàn)榍懈顣r刀片損毀速度過快,，當(dāng)?shù)镀|(zhì)量與切割轉(zhuǎn)速不相匹配時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)，在這個范圍內(nèi)晶片的切割質(zhì)量較好,。
2.3切割速度對晶片幾何參數(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造成刀片過度磨損，最終影響切割片的質(zhì)量,。因此,，針對硬度過高的碳化硅晶體，切割進(jìn)給速度應(yīng)保持在相對低的水平上，切割質(zhì)量反而會提高,。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,， 晶片的TTV會下降到20μm以下，刀片壽命也會延長到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,，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,。
