Вертикальные машины для внутренней нарезки: точная нарезка пластин для полупроводников и современных материалов [Руководство]

Как вертикальные машины для внутреннего нарезания достигают точности до микрон при резке пластин

Когда одна полупроводниковая пластина может стоить до $50,000, запас погрешности при распиловке почти равен нулю Вертикальные внутренние нарезные машины, также называемые пилами внутреннего диаметра (ID), были скобой точного нарезки пластины в течение десятилетий. используя кольцевую связь алмазное зерно лезвие, вращающееся на волдырях высоких оборотов, использование микро-твердых прецизионных лезвий может разрезать кремний, карбид кремния и сапфир.

В этой статье в простых терминах исследуется, как эти работают, для какого материала он подходит, когда он предпочитает использовать алмазные проволочные пилы и практический документ о том, как получить точность от него, независимо от того, рассматриваете ли вы свой первый ID шлифовальный станок или модернизацию оборудования от эпохи-идол, следующая информация предоставит вам обоснованный выбор.

Что такое вертикальная машина для внутренних нарезки и как она работает?

Вертикальный внутренний нарезной станок использует тонкий (0,062-0,125 дюйма) карбид пончика толщиной 4-6 дюймов или керамическое режущее лезвие, расположенное в вертикальной плоскости. Вместо внешней части пончика, касающейся заготовки, внутренний край является режущей частью инструмента. Этот внутренний сегмент обычно покрыт гальваническим или спеченным алмазным песком.

К центру лопатки в форме пончика доставляют кристаллический слиток или буль и проталкивают его по внутреннему срезанному кольцу лопатки с помощью сервоподачи с замкнутым контуром Скорость вращения этой лопатки составляет примерно 15 000 30 000 об/мин в зависимости от материала и размера лопатки. Каркасы изготавливаются из нержавеющей стали, а также из чугуна для уменьшения вибрации и предотвращения коррозии от смеси охлаждающей жидкости.

Вертикальное позиционирование имеет естественный край здесь — гравитация поможет смыть стружку и суспензию. охлаждающая жидкость будет течь вниз по зоне разреза и вымывать стружку из прорези вместо того, чтобы улавливать ее там. Это сводит к минимуму температуру границы раздела воздух/бит и очищает поверхность резки лезвия.

Его сервоподача постоянно реагирует: если происходит внезапное увеличение нагрузки на резку (более жесткое включение или износ пилы), контроллер автоматически отключает подачу, чтобы защитить пластину.

Нет ‘попробуйте еще раз’, когда вы запускаете $50,000 SiC буль. каждый разрез либо пройдет как spec, либо будет дорогостоящим ломом.

– через Полупроводниковый дайджест, Обзор нарезки тарелок

Завод в Шэньчжэне, производящий составные полупроводники, испытывал 3-4 SiC пластины/неделю чипирования кромки/стека-аут. в течение 1 месяца после адаптации вертикальной внутренней машины нарезки с использованием силы тяжести для транспортировки охлаждающей жидкости, их скорость чипа-аут была снижена с 8.2% до 1.1% (сберегая их примерно $12,000/неделю в ломе)

Ключевые характеристики, определяющие производительность нарезки

Четыре спецификации определяют, будет ли нарезанная пластина пригодна для последующей обработки: TTV, потеря прорези, шероховатость поверхности (Ra) и скорость подачи. Каждая спецификация влияет на скорость подачи других — слишком высокая, ухудшит TTV, а также Ra, в то время как более толстое лезвие по своей сути увеличит потерю прорези, но потенциально улучшит стабильность TTV.

Данные по отрасли указывают, что 45-50% кристалла кремниевого сырья может быть преобразован в продаваемый материал пластины. 40% исходного сырья тратится впустую только из-за потери прорези. поэтому снижение прорези - даже на 30-50 м - оказывает огромное влияние на стоимость пластины. 150 мм буль, производящий 200 пластин, может производить дополнительные 15-18 пластин за счет уменьшения прорези с 220 м до 180 м.

“Экономика вафелирования проста: каждый микрон прорези, которую вы устраняете, представляет собой микрон продаваемого продукта, который вы получаете. При $80/вафля для первичного Si даже 10 дополнительных вафель на буль меняют ежеквартальный P&L.”

д-р Йенс Мюлль, старший инженер-технолог, Фраунгофер IISB

Материалы, которые вы можете обрабатывать, кремний, SiC, сапфир и не только

Существует множество переменных, влияющих на поведение нарезки различных монокристаллов, таких как твердость, ударная вязкость и теплопроводность, все из которых влияют на выбор лезвий, химический состав охлаждающей жидкости, срок службы лезвий и скорость подачи. Не пересаживайте параметры машины, предназначенной для кремния, в буль SiC, иначе вы пойдете по стопам софтбола миллиметрового размера, разбивающего зубочистку и пропускающего другой конец комнаты.

Спрос на подложки SiC растет в среднем со скоростью 15,2% в год - с 164 миллионов долларов до примерно 436 миллионов долларов в будущем - благодаря силовой электронике HV SiC и устройствам 5G RF. Эта деформация роста побуждает больше операторов FAB устанавливать оборудование для нарезки SiC на существующие внутренние машины с вертикальным нарезкой.

Другой интересный результат: при резке сапфира более тонкая проволока или лезвие не обязательно уменьшит коробление Когда диаметр падает ниже критической точки (примерно на 0,12 мм, для лезвия, используемого на 4″ сапфире) боковое отклонение лезвия во время резки может увеличить поперечные напряжения, вызывающие лук и деформацию.The Прикладные науки (MDPI) издание изучило это необычное свойство сапфира: влияние диаметра проволоки на деформацию пластин.

Вертикальный внутренний слайсер против алмазной проволочной пилы (когда выбирать какой)

Проволочная пила против слайсера ID - одна из часто встречающихся дискуссий при планировании фабрики пластин. Обе технологии предназначены для пиления полупроводниковых материалов, но они расположены в самых разных нишах с точки зрения пропускной способности, эффективности и точности.

Наше сравнение ниже основано на фактических производственных данных и НЕ маркетинговых заявлениях.

Правило 5 мкм или неудача

Чего не хватает большинству инженеров при оценке этих машин: если линия на выходе нацелена на TTV 5 м, алмазная проволочная пила не может последовательно соответствовать этому требованию на пластинах малого диаметра. после того, как кристалл поликремния распилен пополам диаметром 200 мм, проволочное полотно генерирует микровибрации. Эти вибрации, возбуждаемые процессом резки, равномерно распространяются по всем пластинам в партии и преобразуются непосредственно в вариацию TTV на заготовках малого диаметра. Одно пластинчатое, предварительно натянутое кольцевое лезвие ID-слайсера изолирует каждый разрез от механического шума.

Другими словами, если вам нужно 5 м TTV для прохождения/отказа пластин малого диаметра, то ID-слайсер - единственная проверенная машина.

Распространенным заблуждением является то, что “wire пилы всегда являются превосходными” ‘больше всего обусловлено опытом работы в солнечной промышленности, где пластины 156 мм+ и большой объем производства оправдывают затраты на исследования и приобретение. либо конструкция датчика MEMS, либо составная полупроводниковая эпитаксия, система нарезки идентификаторов часто показывает лучшую экономику для каждой пластины. более подробный анализ потери прорези см Руководство Zelatec по уменьшению прорези. Недавняя работа Университет Стратклайда (2025) также предоставляет обновленные данные о характеристиках алмазной проволоки для конкретного материала.

Критерии выбора — машина соответствия приложения

Существует пять критериев выбора вертикального слайсера, в порядке важности. использование только четырех из пяти часто приведет к перерасходу на машину, которая недостаточно толкнута, или к недооценке на машине, которая не будет соответствовать целевым размерам и допускам.

Контрольный список пятифакторного выбора

1. Проверьте, что машина принимает ваши текущие диаметры заготовки и следующий размер вверх. машина с номиналом 50-150 мм не будет обрабатывать буль 200 мм без аппаратных модификаций.
2. Твердость материала: если вы нарежете что-либо выше Mohs 8.5 (SiC, сапфир, GaN), вам потребуется машина с регулируемой скоростью шпинделя (15 000-30 000 об/мин), переменной скоростью подачи до 0,08 мм/мин и системой охлаждающей жидкости, настроенной на неводные жидкости.
3. Менее чем для 1000 пластин/месяц полуавтоматический слайсер с ручной подачей питания является экономически эффективным ($50K-$65K).Более 1000/месяц полностью автоматическая машина с обработкой кассеты к кассете ($70K-$100K) амортизирует экономию за счет меньшего времени оператора.
4. Точность допуска: Слайсеры со стандартным допуском удерживают TTV 15 м. Если вам нужно 5 м (МЭМС, эпитаксиальные подложки), укажите станок с воздухоносным шпинделем, гранитным основанием и обратной связью по толщине замкнутого контура.
5. Упакуйте стоимость лезвия в качестве основного расходного материала: с лезвиями $80-$150 и разрезами 200-800 на лезвие, стоимость лезвия составляет от $0.10 до $0.75 на пластину. Добавьте это к 3-летнему TCO с капиталом.

Сценарий: исследовательская лаборатория, базирующаяся в университете в Мюнхене, хотела разрезать GaN, Li Nb O, и кремний на трех разных проектах. Вместо отдельной машины для каждого они выбрали одну вертикальную внутреннюю щель с тонким диа-вверх-вниз с широким диапазоном (~ 10,000030,000 об/мин) шпинделя и сменных ножей ступицы.Общие инвестиции: $72,000 против $180,000+ для трех выделенных машин. Время смены лезвий: десять минут, при этом каждая программа пластин сохраняет свои собственные предварительно напряженные лезвия.

Будучи прозрачным в отношении нашего подхода: Для сравнения абсолютных затрат на лезвия, мы используем опубликованные спецификации мануфактуры и производство моделей в id fabs используя реальные fab данные из раскадровки, перечисленные ниже. мы предоставляем варианты id slicer против проволочной пилы, потому что не существует “лучший выбор”; оптимальный makespan и гарантия стоимости будут зависеть от вашего приложения.

Обслуживание, калибровка и максимальное увеличение срока службы лезвия

Вертикальный идентификатор столь же точен, как и последняя калибровка. игнорируемое текущее обслуживание вызывает прогрессивное отклонение в TTV и Ra, которое обнаруживается только тогда, когда пластины не проходят последующую проверку. приведенные ниже рекомендации предназначены для ежедневных производственных сред продолжительностью 816 часов.

Шаблоны ношения лезвий, за которыми стоит следить

Алмазные лезвия склонны к четырем режимам отказа:

• Плоская крупа: Абразивные частицы изношены до округлой формы “nib”, что указывает на конец жизни. Выключите лезвие с более чем 15%, увеличивая время среза от базовой линии.
• Микротрещины в алмазах отражают чрезмерную скорость аванса или слишком малый абразивный поток.Уменьшите скорость подачи к 20%.
• Если вы заметили большие встроенные стружки в ваших алмазах, вы либо прикладываете слишком много силы резания или есть посторонние ударные нагрузки присутствуют. проверьте заготовку на наличие неожиданных твердых включений, прежде чем двигаться вперед.
• Если алмазы вытягиваются, оставляя отверстия в связи: ваше алмазное связующее слишком мягкое для твердости слитка. Попробуйте новый сорт связи.

Новое скользящее лезвие”: перед использованием нового скользящего лезвия для резки пластины, запустите 3 — 5 металлический ломтик на том же материале со скоростью подачи ½. Этот запуск-в обнажает самые свежие сегменты абразивной крупки и создает повторяемую режущую поверхность. Пропуск этого шага приводит к безразмерному “hit” для первых нескольких показателей TTV пластин.

Клейкая пленка: Синяя клейкая пленка, используемая для крепления пластины, начинает разрушаться всего после 72 часов воздействия комнатной температуры. УФ-выделение позволяет для расширенного хранения комнатной температуры (но требует ультрафиолетовой лампы, которая обеспечивает снижение адгезии пластины на 90% за 30 секунд или меньше. Подтвердите срок годности партии до покупки. Наклейки с истекшим сроком годности учитывают наибольший процент пробуксовки пластины во время резки (Semiconductor Digest).

Случай: Нагойская MEMS fab испытательные лопасти в течение 6-месячного периода и определил, что лопасти, работающие в понедельник утром, будут длиться на 15% меньше разрезов, чем лопасти в середине недели. первопричиной было определено, что система охлаждающей жидкости сидит без дела в выходные дни, за которыми следуют первые разрезы дня с охлаждающей жидкостью на 3,2C выше заданного значения, пока охладитель не догонит обратно; предварительная циркуляция температуры теплоты была определена как дополнение к последовательности запуска в понедельник, удалило изменение.

Часто задаваемые вопросы

Это было рассмотрено инженерной командой DONGHE (Шанхай Donghe Science & Technology Co., Ltd. занимается проектированием, изготовлением и маркетингом машин и оборудования для точного нарезания и распиливания проволоки для полупроводниковых, фотоэлектрических и современных материалов.