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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)程中,，造成了很深的劃痕，在以后的研磨,、拋光工藝過(guò)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(guò)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(shuō),，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D(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(shuō)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(guò)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(guò)程中,，切割刀片轉(zhuǎn)速的控制十分重要,，通過(guò)理論和工藝試驗(yàn)結(jié)果分析可知：轉(zhuǎn)速過(guò)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(guò)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(guò)分析可知,，當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)速過(guò)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(guò)快，當(dāng)?shù)镀|(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(guò)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(guò)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(guò)度磨損,，最終影響切割片的質(zhì)量,。因此，針對(duì)硬度過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。
