高线速下碳化硅单晶的快速平坦化切割
靳霄曦，徐 伟，魏汝省，王英民
【摘 要】碳化硅单晶材料硬度很高，用传统的切片方式难以加工、效率低下，多线切割是加工硬脆材料的有效方式，文章通过使用电镀金刚石线多线切割设备，进行了高线速度条件下快速碳化硅单晶平坦化切片实验。为提高碳化硅切割效率，通过提高金刚石线速度，成功实现了用5.5小时进行4英寸碳化硅晶锭的切割，并将切割6英寸晶锭时间缩短至12小时左右。同时，为减小切割片翘曲度，进行了4英寸和6英寸碳化硅晶锭的切割试验，证明切割线速度直接影响切割片的翘曲度：随着线速度增大，晶片翘曲度减小。最后，研究了线速度和金刚石浓度对切割片表面的影响，发现提高线速度和使用高金刚石浓度的金刚石线都可使切割导致的损伤层减小。 【期刊名称】超硬材料工程 【年(卷),期】2019(031)001 【总页数】4
【关键词】金刚石线；多线切割；碳化硅单晶；高线速度
引文格式：靳霄曦，徐 伟，魏汝省，等.高线速下碳化硅单晶的快速平坦化切割[J].超硬材料工程，2019，31(1)：30-33.
1 简 介
碳化硅衬底具有高功率密度、低热损耗、强抗辐射能力等优越性能，同时与氮化镓的晶格失配率小，适用于其外延生长，所以，人们认为碳化硅是最有前途的半导体衬底材料。但是，这种材料的莫氏硬度高达9.2～9.8，仅次于超硬材料，加工难度很大；使用传统加工方式(如内圆切、外圆切、单线切等)已经不
能有效地获得晶圆，因此，必须采用多线切割设备[1]。
早期的多线切割方式主要为使用游离磨料的砂线切割：在切割过程中，把砂浆喷在钢线网上进行三体磨削，目前这种设备已经开始被淘汰。为达到更快地切割硬度更高的材料，人们发明了使用固结磨料线的多线切割设备：这种设备是将金刚石颗粒固定在钢线上，使用金刚石线进行多线切割。相比于游离磨料切割技术，固结磨料切割具备如下优点：锯口损失小、材料去除率高、切片表面质量好、切割环境清洁[2]。
在碳化硅单晶切割过程中，不仅要减少切片的厚度差与翘曲度，同时也需要关注切割过程中造成的晶片表面损伤，减少切割损伤可以降低后续研抛工序的去除量，降低加工成本。
本文使用可达到高线速度的多线切割设备对大直径碳化硅晶体进行切割。进行4英寸与6英寸碳化硅晶锭的快速切割试验，计划使用5小时左右切割完成4寸晶锭，用12小时切割完成6寸晶锭，这一切割时间约为砂线切割时间的15%，低线速度金刚石线切割时间的50%。随后，研究了金刚石浓度对切割片损伤层的影响，以减小高线速度条件下线切割产生的损伤。
2 高速切割碳化硅单晶
使用高速线锯对4英寸和6英寸碳化硅单晶锭进行了切割试验，晶锭厚度在18～20mm之间。实验所用设备是国产的一款高线速度多线切割机，适用于2～8英寸晶锭切割，可实现高线速度和高线张力(图1)。
所用电镀金刚石线为本所定制的国产碳化硅切割专用线，母线直径为180μm，金刚石粒径30～40μm，通过显微镜观察金刚石浓度约为20颗/mm(图2)。使用电镀方式可对金刚石产生很强的束缚力，使金刚石难以脱离，满足高线速
度切割要求。
在本次研究中，为达到短时间完成切割的目标，4英寸单晶碳化硅切割试验时，设定进刀速度为0.3mm/min，使用了四种不同线速度切割(1000、1200、1500、1800m/min，见表1)，对比了不同线速度的切割效果。
切割完成后，使用平坦度测试仪对晶片进行翘曲度(WARP)检测。如图3所示，随着切割线速度的增加，切割片的翘曲度由大于80μm降至25μm以下。 在1500m/min线速度条件下，进行6英寸碳化硅单晶切割试验，切割工艺条件如表2所示。
切割完成后，使用平坦度测试仪对晶片进行翘曲度(WARP)检测。实验结果如图4，切割片翘曲度基本在40～50μm之间，已经可以满足后续加工的要求。 根据相关报道，早先3英寸碳化硅切割片的翘曲度大都在30～40μm之间，4英寸的约为50～60μm，在相同条件下进行6英寸的切割，所得切割片的翘曲度接近甚至大于80μm[3]。但在本次试验中在更高的线速度条件下，得到了更小翘曲度的晶片(图5)。因此，在更高的线速度可以实现更快地切割6英寸碳化硅单晶锭同时，还能保证切割片有良好的平坦度。
3 切割片表面损伤层的减小
碳化硅单晶是由Si-C双原子层堆垛组成的正四面体型，以双原子层作为一个整体依序排列结晶，层与层之间由共价键相连。这种构造导致晶片表面极性分为Si极性面和C极性面。材料的去除机理为双原子层之间共价键的断裂，晶片极性不改变，这种共价、强键、复杂的晶格构造和晶体结构导致晶体的物理性质表现为脆性。当外力作用使其达到弹性极限时无显著变形，而是突然断裂，一般断裂面较粗糙，延展率和断面收缩率均较小，脆性更加明显。这种性质导致
高线速下碳化硅单晶的快速平坦化切割
