マルチワイヤーソーによる SiC ウェーハの切断方法 ――インゴットから完成基板まで

炭化ケイ素はモース 9.2-9.5 に留まり、現在生産されている市販の半導体材料の中で最も硬いです。そのレベルの硬度により、ウェーハのスライスは SiC サプライ チェーン全体の中で最も困難なステップの 1 つとなり、誤った装置やパラメーターによって数日間の結晶成長が数分で消えてしまう可能性があります。. マルチワイヤーソーマシン この問題の解決策は、100+ 個の個々のダイヤモンド ワイヤを 1 つのインゴットに同時に通して実行し、実行ごとに数百枚のウェーハを生成することです。物理、プロセス パラメータ、および機器の考慮事項を分析し、ウェーハのバッチを許容可能な仕様を超えてチップ化したり、高価なスクラップにしたりすることができます。.

SiC ウェーハの需要がマルチワイヤソーの開発を加速する理由

従来のシリコンICメーカーはSiCへの切り替えに時間を費やしましたが、半導体材料セグメントは近年非常に急速に成長しています。主な理由は?電気自動車用パワーエレクトロニクスが動機です。SiCインバーターとソーラー充電器は、スイッチング損失を半分(またはそれ以上)に削減するのに対し、クラシックシリコンIGBTは、エネルギーを節約し、EVの走行距離を短縮します。 2025年までに、新しいEVプラットフォームの大多数はすでにSiCインバーターを組み込んでおり、10年の終わりまでに、その数字はおそらく屋根を通過するでしょう。.

このレベルの野心的な成長により、ウェーハの段階で合理的なピンチポイントが生じます。 SiC を生成する物理蒸気輸送 (PVT) ブールの成長プロセスには、ブールあたり数日かかる可能性が高く、その結果、限られた nµmber の基板が得られます。原料 ROI が 1 秒ごとに貴重な場合、追加のウェーハ精度のスライス効率が最終製品のマージンに直接影響します。.

6 インチ (150 mm) から 8 インチ (200 mm) の SiC ウェーハへの業界の傾向により、超薄型で平らな基板の需要がますます高まっています 精密マルチワイヤソーシステム ーワイヤースパンが長く、テンションコントロールが正確で、カットエンベロープが広くなった 10 年前に4 インチ基板を簡単に扱えた機器では、直径200mmに必要な厚さの平坦性と均一性を維持できない。.

炭化ケイ素の特性と用途について詳しくは、を参照してください 炭化ケイ素技術の概要 (PMC).SiCウェーハ製造技術の将来に関するカリフォルニア州エネルギー委員会からの追加研究については、チェックアウトしてください 炭化ケイ素ウェーハ製造におけるスラブ加工に代わるレーザーベースの代替品.

マルチワイヤーソーが SiC を切断する方法 ――プロセスの基本

特定のシーケンスに従って、SiC マルチワイヤソー切断プロセスは次のとおりです。各ステップの基礎知識 e x切断中の各パラメータの制御が非常に重要である理由を説明します。.

ステップ 1 ⁄ インゴットの取り付け. 各SiCインゴットは、エポキシ接着剤を使用してガラスまたはカーボンビームに接着されます この段階でのアライメントは、完成品のウェーハ弓とワープに直接影響します ビームは、切断中の下降速度を制御する機械の供給機構に接続します。.

ステップ 2 ⁄ ワイヤーウェブの準備. 120 ～ 150 本の平行な電気メッキ ダイヤモンド ワイヤが精密ガイド ローラーに通され、平面的な「ワイヤー ウェブ」が作成されます。ガイド ローラーの溝はワイヤー ピッチ ⁄ を定義し、ピッチによってウェーハの厚さと縁石が決まります。各ワイヤーは通常、呼び径 0.22 mm で、スチール コアに 25 μm のダイヤモンド グリットが接着されています。.

ステップ 3 ――パラメーターの設定と冷却剤の作動. オペレータは、ワイヤ速度 (12~25 m/s) 、ワイヤ張力 (40~45 N) 、および送り速度 (SiCの場合~1 mm/min) を設定します 冷却剤ノズルは、切削液を縁石の進入ゾーンに導くように配置されています sic用ダイヤモンドワイヤー切断装置 ワイヤー接触が始まる前に冷却剤の流れを活性化します。.

ステップ 4 制御された飼料降下と同時スライス。. 切断中、インゴットは移動するワイヤーウェブに下降します。すべてのワイヤーが同時に切断され、インゴットが平行なウェーハにスライスされます。切断エンベロープは、高度なシステムでは 250 x250 x100 mm に達することがあります。 ~1 mm/分の送り速度で、25 mm SiC インゴットには約 25 分のアクティブ切断時間が必要です。.

ステップ 5 ――ウェーハの分離と洗浄. カットが完了した後、ウェーハは薄いエポキシ層によってビームに取り付けられたままになります。加熱した溶媒浴中でウェーハを取り外し、超音波洗浄して破片や冷却剤の残留物を除去します。.

SiC の固定研磨ダイヤモンド ワイヤの鋸引きについては、ダイヤモンド ワイヤを使用したミシガン大学の研究の切断力学と表面形成に関する実験データが論文で詳しく説明されています 固定研磨ダイヤモンドワイヤーソースライシング.

SiC 切断用のダイヤモンド ワイヤとスラリー ワイヤ ――データ駆動型の比較

スラリーと比較して、業界は SiC ウェーハ用のダイヤモンド ワイヤー ソーイングに移行していますが、その比較は多くの人が信じているほど偏ったものではありません。両方のテクノロジーには、サプライチェーンに沿ったさまざまなステップに関連する、それぞれのトレードオフがあります。.

パラメータ	ダイヤモンドワイヤー	スラリーワイヤー
切断速度	2～3×のベースライン	ベースライン (1×)
カーフの幅	150～260μm	<200μm
ワイヤー直径	0.10～0.22mm	0.10～0.16mm(スチールコア)
表面粗さ (Ra)	~1.8μm	~0.8～1.2μm(微細)
地下の損傷	15～30μmの損傷層(脆性破壊)	5 ~ 15 µm の損傷層(延性の摩耗)
クーラント	水性切削液	研磨スラリー(ポリエチレングリコール+SiC研磨剤)
ワイヤーコスト	ワイヤーのメートルごとのより高い	より低いワイヤー費用+高いスラリー費用
環境への影響	クリーナー(スラリーの無駄の流れ無し)	重大な廃棄物処理要件

そして、ここはほとんどのエンジニアのためのショッカーです: ダイヤモンドワイヤーはSiCのための最良の選択であるとは限りません。 スループット速度の利点は現実です、心 ia 2 3 倍速い処理 同じ量の鋸引き時間で15-20 倍のシリコンウェーハを処理 ia ー しかし、それは価格で来ます: 厚い bycomparison 表面下の損傷層 (スラリーで15-30 メートル対5-15 メートル) は後でラッピングおよび研磨プロセスによって除去されなければならず、余分な費用と材料損失を完成したウェーハに加えます ダイヤモンドワイヤー切断プロセスは、従来のスラリーベースの切断方法と比較して、スループットのために表面品質を取引します SiC硬度 ia 9.5 ia ia は、ダイヤモンドコーティングされた切断ワイヤーの研磨摩耗を増加させ、さらに鋸引きの高圧負荷の下で表面下の損傷層における脆性材料の微小亀裂を促進します。.

結論: SiCの通常通りのビジネス、ほとんどのミルは、下流プロセスに予算化された後の研磨ステップで、予測されたスループットの利点をカットするようになりました。 ダイヤモンドとアルμミナスラリーワイヤーソーイングの製造効率と費用対効果の比較については、を参照してください ダイヤモンドワイヤーソーイング:持続可能な代替手段(ScienceDirect). 。 A sic ダイヤモンド ワイヤー ソーイング文献のより大きなサンプルの最近のレビュー 切断と地下損傷メカニズムについてのより良い洞察として機能します。.

SiC ウェーハの品質を制御する重要なプロセス パラメータ

マルチワイヤーソー SiC 切断の場合、制御する 3 つの主要なパラメーターは、ワイヤー速度、送り速度、ワイヤー張力です。これらは相互に影響を及ぼします。SiC グレードとインゴット サイズごとに最適なソリューションを実現するには、すべてのパラメーターを調整する必要があります。これは、機器や材料の使い方を知っているプロセス エンジニアが目指すものです。.

ワイヤー速度: 12 ～ 25 m/s. ワイヤー速度が速くなると、材料の除去速度が向上し、スループットが向上します 1 * ただし、SiC では、表面下の損傷の深さも増加します。ダイヤモンド グリットはより高いエネルギーで結晶表面と係合し、除去モードが延性のあるスクラッチから脆性破壊に移行します。ほとんどの SiC 操作は、生産性と表面品質のトレードオフとして 15 ～ 20 m/s の範囲に落ち着きます。.

送り速度: SiC の場合は約 1 mm/min. これは、シリコンウェーハ加工 (2 ~ 4 mm/min で動作可能) よりもかなり遅いです。これは、SiC の硬度により、除去される材料の単位あたりにはるかに高い切断力が発生するためです。送り速度を押し上げすぎると、表面品質が低下するだけでなく ――特にワイヤが最初に曲面に接触するインゴット入口ゾーンで、壊滅的なワイヤ破損の危険があります。.

ワイヤー張力: 40 ～ 45 N. 張力はワイヤーをまっすぐに保ち、切削荷重の下でワイヤーがどれくらいたわむかを決定します 張力が多すぎてワイヤーがスナップします 少なすぎるとワイヤーがさまよい、ウェーハの弓と不均一な厚さを作ります すべてのワイヤーにロードセルフィードバックを備えたPLC制御の張力システムは標準装備されています 半導体材料用のワイヤソーソリューション.

クーラントフロー 見落とされがちな 4 番目のパラメータです。切削液は、熱と SiC デブリ粒子の両方を除去するのに十分な流量で縁石の入口点に到達する必要があります。冷却剤が不十分だと熱が蓄積し、膨張によって寸法不正確さが発生し、ワイヤの摩耗を促進するデブリの蓄積が発生します。生産グレードの機械では、鋸で切断する温度の監視がますます標準になっています。.

ここでは、SiC ソーイング力と表面品質に対するワイヤの摩耗の影響に関する研究について説明します ワイヤーソー摩耗関連の実験について説明した PMC の記事.

SiC ワイヤソーイング品質に関する主な考慮事項

SiC のウェハリングでは、プロセス中にチェックする必要がある特定の欠陥タイプが導入され、プロセス中に防止するための手順が講じられます。欠陥モードの原因を示すマップは次のとおりです。.

不良	主な原因	予防
ワイヤー破損	過度の張力または入力送り速度が高すぎます	30 ~ 50% の定常状態への記入項目の供給を減らして下さい; 冷却剤のノズルの位置合わせを検証して下さい
高い表面粗さ(Ra >2.5 µm)	摩耗したダイヤモンドコーティングまたは過剰な送り速度	ワイヤー摩耗を監視して下さい; 製造業者指定の間隔でワイヤーを取り替えて下さい
地下の微小亀裂	攻撃的なパラメータからの脆性破壊モード	ワイヤー速度を減らして下さい; 冷却剤の濃度を高めて下さい
TTV >10μm	ウェブ上のワイヤーの張力が不均一	張力制御システムを調節して下さい; ワイヤー ガイド軸受けを点検して下さい
ウェーハバウ/ワープ	非対称残留応力	対称的な冷却剤の分布を確保; インゴット-ビームボンディングアライメントを検証

有益な単一の定量的事実: ウェーハ製造チェーン全体の後の材料利用効率はわずか約50%です。 つまり、他の50%は縁石、地下損傷の除去、およびエッジングで捨てられます。 これらの領域の改善は、ウェーハコストに即座に影響を及ぼし、したがって、需要が増加します 高精度マルチワイヤーソーマシン クラス最高のカーフコントロールを備えています。.

カーフの損失と材料の収量 ――インゴットあたりにより多くのウェーハを入手します

失われたカーフの 1 ミクロンあたり、粉塵が発生する材料のバッチの 4 分の 1 です。シリコンウェーハリングでは、最新の細いワイヤを使用して、典型的なカーフ幅は 90 ～ 120 m です。SiC 単結晶材料は、より耐性のある太いワイヤを必要とするより硬い (研磨材自体はセラミックです)。典型的なカーフ幅は 1 カットあたり 150 ～ 200 μm で、この硬くて脆い材料から薄いウェーハを製造するには、あらゆる段階で正確な切断が必要です。.

業界の動向を見ると: (NT) ワイヤ径未満の傾向 それは実質のお金の節約で何を意味しますか? 0.12 mmから0.10 mmのワイヤに移動すると、伝統的に業界はウェーハあたり約60 mのケルフを節約できます 単一の25 mmインゴットから150 +ウェーハをスライスしているため、これは歩留まりの向上という点で本当に合計します 複数のワイヤを備えた現代のシステムは、120 個の150 ワイヤセグメントを並列に使用することで、98 mの低いカーフ直径を得ることができ、1 時間あたり1,200 ウェーハのシステムスループットが実証されています。.

0.25 mm ピッチの 0.125 mm ワイヤー。.

SiC 生産に適したマルチワイヤーソーを選択する方法

0.35mmピッチの0.133mmワイヤー.

冷却剤容量: 1 10 GPM は、発生する熱量を先取りし、スライス中に SiC 上に生成される破片を除去する必要があります。.

よくある質問frequently Asked Questions