Comment les scies multi-fils coupent les tranches de SiC du lingot au substrat fini

Le carbure de silicium demeure à Mohs 9.2-9.5, le plus dur de tous les matériaux semi-conducteurs commerciaux en production aujourd'hui Ce niveau de dureté fait du tranchage de la plaquette comme l'une des étapes les plus difficiles de toute la chaîne d'approvisionnement en SiC ; une étape où un équipement ou des paramètres incorrects peuvent effacer les jours de croissance cristalline en quelques minutes. Machines à scier multifilaires sont la solution à ce problème, en faisant passer plus de 100 fils de diamant individuels à travers un seul lingot simultanément, produisant des centaines de plaquettes par passage Nous analysons la physique, les paramètres de processus et les considérations d'équipement qui peuvent faire basculer un lot de plaquettes sur les spécifications acceptables, ou les transformer en déchets coûteux.

Pourquoi la demande de plaquettes SiC accélère le développement des scies multi-fils

Bien que les fabricants traditionnels de circuits intégrés en silicium aient pris leur temps pour passer au SiC, le segment des matériaux semi-conducteurs a connu une croissance extrêmement rapide ces dernières années. La principale raison ? L'électronique de puissance de voiture meilleure pour l'électricité est la motivation : les onduleurs SiC et les chargeurs solaires réduisent les pertes de commutation de moitié (ou plus) par rapport au silicium classique IGBT économisant de l'énergie et e×ending EV. Plage de conduite 2025, la majorité des nouvelles plates-formes EV incorporaient déjà des onduleurs Si et à la fin de la décennie, ce chiffre passera probablement par le toit.

Ce niveau de croissance ambitieuse met un point de pincement raisonnable au stade de la plaquette Le processus de croissance de la boule de transport physique de vapeur (PVT) qui produit du SiC prend probablement plusieurs jours par boule, ce qui donne alors un nombre limité de substrats. Lorsque chaque seconde de votre ROI de matière première est précieuse, des efficacités de tranchage supplémentaires de précision de la plaquette vont directement à la marge du produit final.

La tendance de l'industrie, passant des tranches SiC de 6 pouces (150 mm) aux tranches SiC de 8 pouces (200 mm), impose de plus en plus de demande pour des substrats plats ultra-fins systèmes de scies multifils de précision 10 travées de fil plus longues, un contrôle de tension plus précis et une enveloppe coupée plus large. L'équipement qui manipulait facilement des substrats de 4 pouces il y a 10 ans ne peut pas maintenir la planéité et l'épaisseur nécessaires pour des diamètres de 200 mm.

Pour en savoir plus sur les propriétés et les applications du carbure de silicium, voir Aperçu de la technologie du carbure de silicium (PMC).Pour des recherches supplémentaires de la California Energy Commission sur l'avenir des techniques de fabrication des plaquettes SiC, consultez Alternatives au laser au sablage dans la fabrication de plaquettes de carbure de silicium.

Comment une scie multi-fils coupe les principes fondamentaux du processus SiC

Suivant une séquence spécifique, le processus de découpe de scies multifilaires SiC est le suivant. La connaissance de base de chaque étape explique pourquoi le contrôle de chaque paramètre pendant la découpe peut être si critique.

Étape 1 : Montage de l'Ingot. Chaque lingot de SiC est collé à une poutre en verre ou en carbone à l'aide d'un adhésif époxy L'alignement à ce stade affecte directement l'arc et la chaîne de la plaquette dans le produit fini La poutre se connecte au mécanisme d'alimentation de la machine, qui contrôle le taux de descente vers le bas pendant la coupe.

Étape 2 : Préparation de la bande. Entre 120 et 150 fils diamantés galvanisés parallèles sont enfilés à travers des rouleaux de guidage de précision, créant une bande plane de fil d“”.” Les rainures des rouleaux de guidage définissent le pas du fil et le pas détermine l'épaisseur de la tranche plus la tranche. Chaque fil a généralement un diamètre nominal de 0,22 mm avec des grains de diamant de 25 µm liés à une âme en acier.

Étape 3 : Réglage des paramètres et activation du liquide de refroidissement. L'opérateur règle la vitesse (12 m/s de fil), la tension (4045 N) du fil et le débit d'alimentation (~1 mm/min pour SiC).Les buses de liquide de refroidissement sont positionnées pour diriger le fluide de coupe dans la zone d'entrée de la saignée équipement de coupe de fil diamant pour SiC active le flux de liquide de refroidissement avant le début du contact avec le fil.

Étape 4 : Descente d'alimentation contrôlée et tranchage simultané. Lors de la coupe, le lingot descend dans la nappe de fil en mouvement Tous les fils coupés simultanément, tranchant le lingot en plaquettes parallèles Les enveloppes coupées peuvent atteindre 250.250.100 mm sur les systèmes avancés A ~1 mm/min de débit d'alimentation, un lingot de SiC de 25 mm nécessite environ 25 minutes de temps de coupe active.

Étape 5 : Séparation et nettoyage du wafer. Une fois la coupe terminée, les plaquettes restent fixées au faisceau par une fine couche d'époxy. Ils sont détachés dans un bain de solvant chauffé, puis nettoyés par ultrasons pour éliminer les débris et les résidus de liquide de refroidissement.

Pour le sciage de fil diamant à abrasion fixe de SiC, les données expérimentales sur la mécanique de coupe et la formation de surface de la recherche de l'Université du Michigan utilisant du fil diamant sont détaillées dans leur article sur tranchage de scie à fil diamantée abrasive fixe.

Fil de diamant vs fil de boue pour comparaison basée sur les données SiC Cutting

Par rapport au lisier, l'industrie s'est orientée vers le sciage de fil diamant pour les plaquettes de SiC, mais la comparaison n'est pas aussi biaisée que beaucoup le pensent Les deux technologies ont leurs propres compromis respectifs, pertinents à différentes étapes de la chaîne d'approvisionnement.

Paramètre	Fil de diamant	Fil de boue
Vitesse de coupe	211	Référence (1×)
Largeur Kerf	150260µm	<200µm
Diamètre du fil	0,100,22 mm	0,100,16 mm (noyau en acier)
Rugosité de surface (Ra)	~1,8µm	~0.81,2µm (finisseur)
Dommages souterrains	153 µm couche de dommage (fracture fragile)	51 µm de dommage couche (abrasion ductile)
Liquide de refroidissement	Fluide de coupe à base d'eau	Bouillie abrasive (polyéthylène glycol + abrasif SiC)
Coût du fil	Plus élevé par mètre de fil	Coût de fil inférieur + coût de boue élevé
Impact environnemental	Nettoyeur (pas de flux de déchets de lisier)	Exigences importantes en matière d'élimination des déchets

Et voici le choc pour la plupart des ingénieurs : le fil diamant n'est pas toujours le meilleur choix pour SiC. L'avantage de la vitesse de débit est réel, esprit 2 3 x manipulation plus rapide 15 fois plus de plaquettes dans la même quantité de temps de sciage le silicium mais il a un prix : la couche de dommage de subsurface de comparaison épaisse (15-30 m vs. 5-15 m dans la boue) doit être ensuite retiré par les processus de rodage et de polissage, ajoutant des dépenses supplémentaires et une perte de matière à la plaquette finie Par rapport aux méthodes de coupe traditionnelles à base de boue, le processus de coupe de fil diamant échange une qualité de surface pour la pression de passage. SiC 5 la dureté de la taille abrite favorise en outre les charges de la couche de la surface de la surface de la surface de la surface de la surface de la surface de la surface de la scie.

En fin de compte : comme d'habitude pour le SiC, la plupart des usines ont désormais réduit l'avantage de débit prévu avec des étapes de polissage ultérieures budgétisées dans le processus en aval. Pour une comparaison de l'efficacité de fabrication et de la rentabilité du sciage de fil en suspension de diamant et d'alμmina, voir Sciage au fil de diamant : alternative durable (ScienceDirect). UN revue plus récente d'un échantillon plus large de la littérature sur le sciage de fils diamantés SiC sert de meilleures informations sur les mécanismes de coupe et de dommages souterrains.

Paramètres de processus critiques qui contrôlent la qualité de la plaquette SiC

Pour la coupe SiC à scie multifilaire, les trois principaux paramètres à contrôler sont la vitesse du fil, la vitesse d'avance et la tension du fil. Ils s'influencent mutuellement, vous devez tous les régler pour obtenir une solution optimale pour chaque qualité SiC et taille de lingot : l'objectif des ingénieurs de processus qui connaissent leur chemin autour de l'équipement et du matériau.

Vitesse du fil : 125 m/s. Une vitesse de fil plus élevée augmente le taux d'élimination des matériaux et améliore le débit mais sur SiC, elle augmente également la profondeur des dommages souterrains Les grains de diamant engagent la surface du cristal à une énergie plus élevée, déplaçant le mode d'élimination du grattage ductile vers la rupture fragile. La plupart des opérations SiC se déposent dans la plage de 1520 m/s comme compromis entre productivité et qualité de surface.

Débit d'alimentation : ~1 mm/min pour SiC. Ceci est considérablement plus lent que le wafering de silicium (qui peut fonctionner à 2 mm/min) car la dureté du SiC génère des forces de coupe beaucoup plus élevées par unité de matériau retiré Le taux d'alimentation de poussée trop élevé ne fait que dégrader la qualité de surface ; il risque une rupture catastrophique du fil, en particulier au niveau de la zone d'entrée du lingot où le fil entre d'abord en contact avec la surface incurvée.

Tension du fil : 4004 N. La tension maintient le fil droit et détermine combien le fil dévie sous la charge de coupe Trop de tension et le fil s'enclenche Trop peu et le fil erre, créant un arc de plaquette et une épaisseur inégale. Les systèmes de tension contrôlés par PLC avec retour de cellule de charge sur chaque fil sont de série solutions de scies à fil pour matériaux semi-conducteurs.

Débit de liquide de refroidissement est le quatrième paramètre souvent négligé Le fluide de coupe doit atteindre le point d'entrée de la saignée à un débit suffisant pour éliminer à la fois la chaleur et les particules de débris de SiC. Un liquide de refroidissement insuffisant conduit à une accumulation thermique qui provoque une imprécision dimensionnelle par expansion, et une accumulation de débris qui accélère l'usure du fil La surveillance de la température de sciage est de plus en plus standard sur les machines de qualité production.

La recherche sur les effets de l'usure des fils sur la force de sciage du SiC et la qualité de la surface est discutée dans ce document Article du PMC décrivant l'expérience liée à l'usure des scies à fil.

Considérations clés pour la qualité du sciage sur fil SiC

Le SiC de wafering introduit des types de défauts spécifiques qui doivent être vérifiés pendant le processus et prend des mesures pour les prévenir pendant le processus. Une carte illustrative des modes de défaut aux causes est ci-dessous.

Défaut	Cause Primaire	Prévention
Casse-fil	Tension excessive ou débit d'alimentation d'entrée trop élevé	Réduire l'alimentation d'entrée à 30 01 TP3 T de régime permanent ; vérifier l'alignement de la buse de liquide de refroidissement
Rugosité de surface élevée (Ra >2,5 µm)	Revêtement de diamant usé ou débit d'alimentation excessif	Surveiller l'usure des fils ; remplacer le fil à intervalles spécifiés par le fabricant
Microfissuration souterraine	Mode de fracture fragile à partir de paramètres agressifs	Réduire la vitesse du fil ; augmenter la concentration du liquide de refroidissement
TVT >10 µm	Tension inégale du fil sur la bande	Système de contrôle de tension de calibrate ; contrôle des roulements de guide-fil
Arc de plaquette/chaîne	Contrainte résiduelle asymétrique	Assurer une distribution symétrique du liquide de refroidissement ; vérifier l’alignement des liaisons lingot-faisceau

Un seul fait quantitatif qui est instructif : l'efficacité d'utilisation des matériaux après toute la chaîne de fabrication des plaquettes n'est que d'environ 501TP3 T. Cela signifie que l'autre 501TP3 T est jeté dans le kerf, l'élimination des dommages souterrains et la bordure Toute amélioration dans ces domaines a un impact immédiat sur les coûts des plaquettes, d'où la demande croissante de machines à scier multifilaires de haute précision avec le meilleur contrôle de kerf de sa catégorie.

Perte de kerf et rendement matériel Obtenir plus de gaufrettes par

Chaque micron de kerf perdu est un quart du lot de matériau allant à la poussière Dans les plaquettes de silicium, les largeurs de kerf typiques sont de 90 120 m en utilisant des fils minces modernes Le matériau monocristallin SiC est plus dur (l'abrasif est une céramique elle-même) nécessitant un fil de kerf plus tolérant et plus épais. La largeur de kerf typique est de 150 200 µm par coupe, et la production de waf minces à partir de ce matériau dur et cassant exige une coupe précise à chaque étape.

En regardant les tendances de l'industrie : la tendance du diamètre de fil inférieur à (NT).Qu'est-ce que cela signifie en économies d'argent réel ?Passer du fil de 0,12 mm au fil de 0,10 mm permet traditionnellement à l'industrie d'économiser environ 60 m de kerf par tranche Parce que vous coupez plus de 150 plaquettes d'un seul lingot de 25 mm, cela s'additionne vraiment en termes de gains de rendement Les systèmes modernes avec plusieurs fils peuvent obtenir des diamètres de kerf aussi bas que 98 m en utilisant 120 segments de fil en parallèle Un débit système de 1 200 plaquettes par heure a été démontré.

Fil de 0,125 mm avec pas de 0,25 mm.

Comment sélectionner la bonne scie multifil pour la production de SiC

Fil de 0,133 mm avec pas de 0,35 mm.

Capacité du liquide de refroidissement : 1 10 GPM doivent garder une longueur d'avance sur la quantité de chaleur générée et éliminer les débris créés sur SiC pendant le tranchage.

Foire aux questions