멀티 와이어가 SiC 웨이퍼를 절단하는 방법 — 잉곳에서 완성된 기판까지

실리콘 카바이드는 Mohs 9.2-9.5 에 순응하며, 오늘날 생산되는 모든 상업용 반도체 소재 중 가장 단단합니다. 그 경도 수준은 웨이퍼 슬라이싱을 전체 SiC 공급망에서 가장 어려운 단계 중 하나로 만듭니다. – 잘못된 장비 또는 매개 변수가 결정 성장의 날을 몇 분 안에 없애 버릴 수있는 단계. 다중 와이어 톱 기계 는 이 문제에 대한 해결책으로, 단일 잉곳을 통해 100+개의 개별 다이아몬드 와이어를 동시에 실행하여 실행당 수백 개의 웨이퍼를 생성합니다. 우리는 허용 가능한 사양 이상으로 웨이퍼 배치를 팁으로 줄 수 있는 물리학, 공정 매개변수 및 장비 고려 사항을 분석하거나 값비싼 스크랩으로 전환합니다.

SiC 웨이퍼 수요가 멀티 와이어 톱 개발을 가속화하는 이유

전통적인 실리콘 IC 제조자는 SiC 에 그들의 스위치를 만드는 시간을 걸렸더라도,반도체 물자 세그먼트는 최근 몇 년 동안 e×tremely 빨리 성장했습니다. 주된 이유는? 전기 자동차 전력 전자 장치를 위해 더 나은 것은 동기부여입니다: SiC 변환장치와 태양 충전기는 고전적인 실리콘 IGBTs—saving 에너지 및 e×tending EV 주행거리 대 반 (또는 더 많은 것) 에 있는 엇바꾸기 손실을 삭감했습니다. 2025 년까지 새로운 EV 플랫폼의 대다수는 이미 SiC 변환장치를 통합했습니다—그리고 십년간 말까지,그 수치는 지붕을 통해서 아마 일 것입니다.

이 수준의 야심 찬 성장은 웨이퍼 단계에서 합리적인 핀치 포인트를 제공합니다. SiC 를 생산하는 물리적 증기 수송 (PVT) 부울 성장 과정은 부울 당 며칠이 걸릴 가능성이 높으며,이는 제한된 nμmber 의 기판을 산출합니다. 원료 ROI 의 매초가 소중 할 때 추가 웨이퍼 정밀도 슬라이싱 효율은 최종 제품 마진으로 직접 이동합니다.

6 인치 (150mm) 에서 8 인치 (200mm) SiC 웨이퍼로 변하는 업계 추세는 초박형 평면 기판에 대한 수요가 점점 더 많아지고 있습니다 정밀도 다 철사 톱 시스템 – 더 긴 와이어 스팬,더 정확한 인장 제어,더 넓은 절단 봉투 10 년 전에 4 인치 기판을 쉽게 취급했던 장비는 직경 200mm 에 필요한 두께의 평탄도와 균일성을 유지할 수 없습니다.

탄화규소 특성 및 응용 분야에 대해 자세히 알아보려면 다음을 참조하세요 실리콘 카바이드 기술의 개요 (PMC). SiC 웨이퍼 제조 기술의 미래에 대한 캘리포니아 에너지위원회의 추가 연구는 확인하십시오 실리콘 카바이드 웨이퍼 제조 시 슬래빙에 대한 레이저 기반 대안.

다중 와이어 톱이 SiC를 절단하는 방법 — 프로세스 기초

특정 순서에 따라,SiC 다 철사 톱 절단 과정은 다음과 같이 입니다. 각 단계의 기본적인 지식은 절단 도중 각 모수의 통제가 이렇게 긴요할 수 있는 이유 e×plains.

1단계 — 잉곳 장착. 각 SiC 잉곳은 에폭시 접착제를 사용하여 유리 또는 탄소 빔에 접착됩니다. 이 단계의 정렬은 완제품의 웨이퍼 활과 날실에 직접적인 영향을 미칩니다. 빔은 절단 중 하향 하강 속도를 제어하는 기계의 공급 메커니즘에 연결됩니다.

2단계 — 와이어 웹 준비. 120 와 150 의 평행한 전기도금을 한 다이아몬드 철사 사이는 정밀도 가이드 롤러를 통해서 실을 꿰어, 평면 “철사 웹을 창조합니다.” 가이드 롤러 강저는 철사 피치를 정의하고 —와 피치는 웨이퍼 간격 플러스 kerf를 결정합니다. 각 철사는 강철 핵심에 접착된 25 μm 다이아몬드 모래를 가진 명목상 직경에서 전형적으로 0.22 mm입니다.

3단계 - 매개변수 설정 및 냉각수 활성화. 작업자는 와이어 속도 (12–25 m/s), 와이어 장력 (40–45 N) 및 공급 속도 (SiC 의 경우 ~ 1 mm/min) 를 설정합니다. 냉각수 노즐은 커프 진입 구역으로 절삭유를 유도하도록 배치됩니다. The sic 용 다이아몬드 와이어 절단 장비 와이어 접촉이 시작되기 전에 냉각수 흐름을 활성화합니다.

4단계 - 제어된 피드 하강 및 동시 슬라이싱. 절단 도중,주괴는 이동하는 철사 웹으로 내려갑니다. 모든 철사는 평행한 웨이퍼로 주괴를 자르는 동시에 잘랐습니다. 커트 봉투는 진보된 체계에 250×250×100 mm 를 도달할 수 있습니다. ~1 mm/min 급식 비율에,25 mm SiC 주괴는 활동적인 절단 시간의 대략 25 분을 요구합니다.

5 단계 — 웨이퍼 분리 및 세척. 절단이 완료된 후 웨이퍼는 얇은 에폭시 층에 의해 빔에 부착된 상태로 유지됩니다. 가열된 용제조에서 분리한 다음 초음파로 세척하여 잔해물과 냉각수 잔여물을 제거합니다.

SiC의 고정 연마 다이아몬드 와이어 톱질의 경우 다이아몬드 와이어를 사용한 미시간 대학 연구의 절단 역학 및 표면 형성에 대한 실험 데이터가 논문에 자세히 설명되어 있습니다 고정 연마 다이아몬드 와이어 톱 슬라이싱.

SiC 절단을 위한 다이아몬드 와이어 대 슬러리 와이어 — 데이터 기반 비교

슬러리와 비교했을 때,산업은 SiC 웨이퍼링을 위한 다이아몬드 와이어 톱질 쪽으로 이동했지만,비교는 많은 사람들이 믿는 것만큼 편향된 수준에 가깝지 않습니다. 두 기술 모두 공급망의 서로 다른 단계와 관련된 각각의 절충안을 가지고 있습니다.

파라미터	다이아몬드 와이어	슬러리 와이어
절단 속도	2–3× 기준선	기준선 (1×)
Kerf 너비	150~260μm	<200μm
철사 직경	0.10~0.22mm	0.10~0.16mm(강철 코어)
표면 거칠기 (Ra)	~1.8μm	~0.8–1.2μm(정제)
지하 손상	15–30 μm 손상층 (취성파괴)	5–15 μm 손상층 (연성 마모)
냉각수	수성 절삭유	연마 슬러리 (폴리에틸렌 글리콜 + SiC 연마제)
와이어 비용	철사 미터 당 더 높은	더 낮은 철사 비용 + 높은 슬러리 비용
환경에 미치는 영향	세척제(슬러리 폐기물 흐름 없음)	중요한 폐기물 처리 요구 사항

그리고 여기에 대부분의 엔지니어에 대한 충격이다: 다이아몬드 와이어는 항상 SiC에 대한 최선의 선택은 아니다. 처리 속도 장점은 진짜, 마음 – 2 3 배 빠른 처리 15-20 배 많은 실리콘 웨이퍼 톱질 시간의 동일한 금액에 – 하지만 가격에 온다: 두꺼운 bycomparison 지하 손상 층 (15-30 m 대 슬러리에서 5-15 m) 는 나중에 랩핑 및 연마 공정에 의해 제거되어야하며, 완성 된 웨이퍼에 추가 비용과 재료 손실을 추가해야합니다. 전통적인 슬러리 기반 절단 방법에 비해 다이아몬드 와이어 절단 공정은 처리량에 대한 표면 품질을 거래 SiC 경도 – 모스 9.5 – 다이아몬드 코팅 절단 와이어의 연마 마모를 증가시키고, 추가로 톱질의 고압 하중 하에서 지하 손상 층의 취성 재료의 미세 균열을 촉진한다.

결론: SiC 의 평소와 같이 비즈니스,대부분의 밀은 이제 하류 공정에 예산을 책정 한 이후 연마 단계를 통해 예견 된 처리량 이점을 줄였습니다. 다이아몬드 및 알 μmina 슬러리 와이어 톱질의 제조 효율성 및 비용 효율성 비교를 보려면 다음을 참조하십시오 다이아몬드 와이어 톱질: 지속 가능한 대안(ScienceDirect). ᅡ sic 다이아몬드 와이어 톱질 문헌의 대규모 샘플에 대한 최신 검토 절단 및 지하 손상 메커니즘에 대한 더 나은 통찰력 역할을 합니다.

SiC 웨이퍼 품질을 제어하는 중요한 프로세스 매개변수

멀티 와이어 톱 SiC 절단의 경우 제어 할 세 가지 주요 매개 변수는 와이어 속도, 공급 속도 및 와이어 장력입니다. 그들은 서로 영향을 미치므로 각 SiC 등급 및 잉곳 크기에 대한 최적의 솔루션을 달성하기 위해 모든 것을 조정해야합니다: 장비 및 재료 주변에서 자신의 길을 알고있는 프로세스 엔지니어의 목표.

철사 속도: 12–25 m/s. 더 높은 철사 속도는 물자 제거 비율을 증가하고 처리량을 개량합니다 — 그러나 SiC 에,그것은 또한 지하 손상의 깊이를 증가합니다. 다이아몬드 모래는 더 높은 에너지에 수정같은 표면을 관여시켜,취성 파괴를 향해 연성이 있는 찰상에서 제거 형태를 이동하. 대부분의 SiC 가동은 생산력과 지상 질 사이 트레이드오프로 15–20 m/s 범위에서 침전합니다.

급식 비율: SiC 를 위한 ~1 mm/min. 이는 실리콘 웨이퍼링 (2–4 mm/min 으로 실행 가능) 보다 상당히 느린데,이는 SiC 의 경도가 제거된 재료 단위당 훨씬 높은 절삭력을 발생시키기 때문입니다. 이송 속도를 너무 높게 밀면 표면 품질만 저하되는 것은 아닙니다. — 특히 와이어가 곡면과 처음 접촉하는 잉곳 진입 영역에서 치명적인 와이어 파손의 위험이 있습니다.

철사 긴장: 40–45 N. 장력은 철사를 똑바로 유지하고 절단 짐의 밑에 철사가 얼마나 편향되는지 결정합니다. 너무 많은 긴장과 철사는 튕깁니다. 너무 조금과 철사는 웨이퍼 활과 고르지못한 간격을 창조하는 방황합니다. 모든 철사에 짐 세포 의견을 가진 PLC 통제되는 긴장 체계는에 표준 입니다 반도체 소재용 와이어 톱 솔루션.

냉각수 흐름 는 자주 간과되는 네 번째 파라미터입니다. 절삭유는 열과 SiC 파편 입자를 모두 제거하기 위해 충분한 유속으로 커프 진입점에 도달해야 합니다. 불충분한 냉각수는 팽창을 통해 치수 부정확성을 유발하는 열 축적으로 이어지며,와이어 마모를 가속화하는 파편 accμmulation 을 통해 톱질 온도 모니터링이 생산 등급 기계에서 점점 더 표준화되고 있습니다.

SiC 톱질 힘과 표면 품질에 대한 와이어 마모 효과에 대한 연구는 여기에서 논의됩니다 와이어톱 마모 관련 실험을 설명하는 PMC 기사.

SiC 와이어 톱질 품질에 대한 주요 고려 사항

웨이퍼링 SiC는 프로세스 중에 확인해야 하는 특정 결함 유형을 소개하고 프로세스 중에 예방 조치를 취합니다. 원인에 대한 결함 모드의 예시 맵은 다음과 같습니다.

결함	주요 원인	예방
철사 파손	과도한 장력 또는 진입 공급 속도가 너무 높습니다	정상 상태의 30–50%에 입장 급식을 감소시키십시오; 냉각액 분사구 줄맞춤을 확인하십시오
높은 표면 거칠기 (Ra >2.5 μm)	마모된 다이아몬드 코팅 또는 과도한 공급 속도	와이어 마모를 모니터링하십시오; 제조업체가 지정한 간격으로 와이어를 교체하십시오
지하 미세균열	공격적인 매개변수로 인한 취성 파괴 모드	와이어 속도 감소; 냉각수 농도를 높입니다
TTV >10μm	웹 전체에 걸쳐 고르지 않은 와이어 장력	긴장 통제 시스템을 구경측정하십시오; 철사 가이드 방위를 검사하십시오
웨이퍼 활/날실	비대칭 잔류 응력	대칭적인 냉각수 분포를 보장합니다; 잉곳-빔 결합 정렬을 확인합니다

교훈적인 단 하나 양적 사실: 전체 웨이퍼 제조 사슬 후에 물자 이용 효율성은 단지 대략 50% 입니다. 즉,다른 50% 는 kerf,지하 손상 제거,및 가장자리 처리에서 버려집니다. 그 지역에 있는 어떤 개선든지 웨이퍼 비용에 대한 즉각적인 충격이,따라서 증가하는 수요 있습니다 고정밀 멀티 와이어 톱 기계 동급 최고의 커프 컨트롤이 가능합니다.

Kerf 손실 및 재료 수율 — 주괴당 더 많은 웨이퍼 얻기

손실된 모든 커프 미크론은 먼지로 가는 재료 배치의 4 분의 1 입니다. 실리콘 웨이퍼링에서 일반적인 커프 폭은 최신 얇은 와이어를 사용하여 90 120m 입니다. SiC 단결정 재료는 더 견디고 두꺼운 와이어가 필요한 더 단단합니다 (연마재는 세라믹 자체입니다). 일반적인 커프 폭은 절단당 150–200μm 이며,이 단단하고 부서지기 쉬운 재료로 얇은 웨이퍼를 생산하려면 모든 단계에서 정밀 절단이 필요합니다.

업계 동향을 살펴보면: (NT) 와이어 직경보다 작은 추세. 실제 돈 절감에서 무엇을 의미합니까? 0,12 mm 에서 0,10 mm 와이어로 이동하면 전통적으로 웨이퍼 당 약 60m 커프가 업계에서 절약됩니다. 단일 25 mm 잉곳에서 150+ 웨이퍼를 슬라이싱하기 때문에 실제로 수율 이득 측면에서 합산됩니다. 여러 와이어가있는 최신 시스템은 120 150 와이어 세그먼트를 병렬로 사용하여 98m 의 낮은 커프 직경을 얻을 수 있습니다. 시간당 1,200 웨이퍼의 시스템 처리량이 입증되었습니다.

0.25mm 피치의 0.125mm 와이어.

SiC 생산을 위해 올바른 다중 와이어 톱을 선택하는 방법

0.35mm 피치를 가진 0.133 mm 철사.

냉각수 용량: 1 10 GPM은 생성된 열량보다 앞서야 하며 슬라이싱 중에 SiC에 생성된 잔해물을 제거해야 합니다.

자주 묻는 질문