多線鋸如何切割從錠到成品基材的碳化矽晶圓

碳化矽的莫氏硬度為 9.2-9.5,是當今生產的所有商業半導體材料中最硬的。這種硬度使得晶圓切片成為整個 SiC 供應鏈中最困難的步驟之一。在此步驟中,不正確的設備或參數可能會在幾分鐘內消除數天的晶體生長。. 多線鋸機 解決這個問題的方法是,同時透過單一錠運行 100 多根單獨的鑽石線,每次運行產生數百個晶圓。我們分析了物理、製程參數和設備考慮因素,這些因素可能會使一批晶圓超出可接受的規格,或將其變成昂貴的廢料。.

為什麼 SiC 晶圓需求正在加速多線鋸的開發

儘管傳統的矽 IC 製造商花時間改用 SiC,但近年來半導體材料領域的成長速度非常快。主要原因?更好的電動車電力電子設備是動力:與經典矽 IGBT 相比,SiC 逆變器和太陽能充電器將開關損耗減少一半(或更多),從而節省能源並延長電動車行駛里程。到 2025 年,大多數新電動車平台已經採用了 SiC 逆變器,到本世紀末,這一數字可能會達到頂峰。.

這種雄心勃勃的成長水準為晶圓階段提供了一個合理的關鍵點。產生 SiC 的物理蒸汽傳輸 (PVT) 晶錠生長過程可能每晶錠需要幾天時間,然後產生有限的 nμmber 基材。當每秒的原料投資報酬率都很寶貴時,額外的晶圓精度切片效率就會直接進入最終產品利潤。.

產業趨勢從 6 吋(150 毫米)到 8 吋(200 毫米)SiC 晶圓,對超薄扁平基材的需求越來越大 精密多線鋸系統 延長線跨度、更精確的張力控制和更寬的切割包絡線。 10 年前易於處理 4 吋基材的設備無法保持 200 毫米直徑所需的平坦度和均勻厚度。.

要了解有關碳化矽性能和應用的更多信息,請參閱 碳化矽技術概述 (PMC)。有關加州能源委員會關於 SiC 晶圓製造技術未來的更多研究,請查看 碳化矽晶圓製造中基於雷射的板坯替代品.

多線鋸如何切割碳化矽和製程基礎知識

依照特定的順序,SiC多線鋸切割過程如下。每個步驟的基本知識都解釋了為什麼切割過程中每個參數的控制如此重要。.

步驟 1 輸入錠安裝。. 每個 SiC 錠均使用環氧黏合劑黏合到玻璃或碳束上。此階段的對齊直接影響成品中的晶圓弓和翹曲。光束連接到機器的進給機構,該機構控制切割過程中的向下下降速率。.

步驟 2 細線網準備。. 120 至 150 根平行電鍍鑽石線穿過精密導輥,形成平面「線網」。導輥凹槽限定線節距 100,節距決定晶圓厚度加角。每根電線的標稱直徑通常為 0.22 毫米,其中 25 微米鑽石砂粒黏合到鋼芯上。.

步驟 3 參數設定和冷卻劑啟動。. 操作員設定線速度 (12 km25 m/s)、線張力 (40 km45 N) 和進給速率(SiC 約 1 mm/min)。冷卻劑噴嘴的位置可將切割液引導至切口進入區域。這 sic 鑽石線切割設備 在電線接觸開始之前啟動冷卻劑流。.

步驟 4 找到受控進料下降和同時切片。. 在切割過程中,鑄錠下降到移動的金屬絲網中。所有電線同時切割,將鑄錠切成平行晶圓。在先進系統上,切割包絡線可達 250×250×100 mm。在約 1 毫米/分鐘的進給速率下,25 毫米 SiC 鑄錠需要大約 25 分鐘的主動切割時間。.

步驟 5 晶圓分離和清潔。. 切割完成後,晶圓仍透過薄環氧樹脂層附著在樑上。它們在加熱的溶劑浴中分離,然後超音波清潔以去除碎片和冷卻劑殘留物。.

對於 SiC 的固定磨料鑽石線鋸切,密西根大學使用鑽石線研究的切割力學和表面形成的實驗數據在他們的論文中進行了詳細介紹 固定磨料鑽石線鋸切.

用於 SiC 切割的鑽石線與漿料線,數據驅動的比較

與漿料相比,工業界已轉向用於碳化矽晶圓的鑽石線鋸,但比較並不像許多人認為的那麼有偏見。這兩種技術都有各自的權衡,與供應鏈的不同步驟相關。.

參數	鑽石線	漿料絲
切割速度	2 DOS3× 基線	基線 (1×)
字距調整寬度	150×260μm	<200微米
線徑	0.10 至 0.22 毫米	0.10 dos0.16 mm(鋼芯)
表面粗糙度 (Ra)	~1.8微米	~0.8×1.2μm(更細)
地下損壞	15×30μm損傷層(脆性斷裂)	5×15μm損傷層(延性磨損)
冷卻劑	水基切削液	磨料漿料(聚乙二醇+SiC磨料)
電線成本	每米電線更高	較低的線材成本+較高的漿料成本
環境影響	清潔劑(無漿料廢物流)	重大廢棄物處理要求

對於大多數工程師來說,這更令人震驚:鑽石線並不總是 SiC 的最佳選擇。吞吐速度優勢是真實的,請注意,在相同的鋸切時間內,處理速度要快2 3x,是矽晶圓數量的15-20 倍等等,但它的價格是:厚實的地下損壞層(15-30 m 與漿料中的5-15 m)隨後必須透過研磨和拋光過程去除,從而為成品晶圓增加額外的費用和材料損失。與傳統的漿料切割方法相比,鑽石線切割製程以表面品質換取吞吐量。 SiC 硬度 (SiC hardness (Of Mohs 9.5 ex) 增加了鑽石塗層切割線的磨損,並在鋸切的高壓負載下促進了地下損壞層中脆性材料的微裂紋。.

底線:SiC 一切如常,大多數工廠現在都削減了預期的吞吐量優勢,並將後續拋光步驟預算到下游製程。有關鑽石和鋁漿線鋸的製造效率和成本效益的比較,請參閱 鑽石線鋸:永續替代方案(ScienceDirect). A 最近對 SiC 鑽石線鋸文獻的更大樣本的回顧 可以更好地了解切割和地下損壞機制。.

控制 SiC 晶圓品質的關鍵製程參數

對於多線鋸SiC切割,需要控制的三個主要參數是線速度、進給速率和線張力。它們相互影響,您必須調整所有參數,以實現每種 SiC 等級和鑄錠尺寸的最佳解決方案:了解設備和材料情況的製程工程師的目標。.

線速:12 COND25 m/s。. 較高的線速度可提高材料去除率並提高吞吐量,但在 SiC 上,它也會增加地下損壞的深度。鑽石砂粒以更高的能量接合晶體表面,將去除模式從延性刮擦轉變為脆性斷裂。大多數 SiC 操作穩定在 15 °C20 m/s 範圍內,作為生產率和表面品質之間的權衡。.

進料速率:SiC ~1 mm/min。. 這比矽晶圓(可以以 2 4 毫米/分鐘的速度運行)慢得多,因為 SiC 的硬度每去除單位材料會產生更高的切削力。推送速率過高不僅會降低表面質量,還會帶來災難性的電線斷裂風險,尤其是在電線首先接觸曲面的鑄錠入口區域。.

線張力:40ADM45N。. 張力使電線保持筆直,並決定電線在切割負載下的偏轉程度。太大的張力和電線斷裂。太少,電線會徘徊,產生晶圓弓和不均勻的厚度。每根電線上都有稱重感測器回饋的 PLC 控制張力系統是標準配備 半導體材料的線鋸解決方案.

冷卻液流量 是經常被忽略的第四個參數。切削液必須以足夠的流速到達切口入口點,以去除熱量和碳化矽碎片顆粒。冷卻劑不足會導致熱積聚,透過膨脹導致尺寸不準確,而碎片積聚會加速電線磨損。鋸切溫度監測越來越成為生產級機器的標準配備。.

本文討論了線磨損對 SiC 鋸切力和表面品質影響的研究 PMC 文章描述了鋼絲鋸磨損相關實驗.

SiC 鋼絲鋸切品質的關鍵考慮因素

晶圓化矽引入了在過程中必須檢查的特定缺陷類型,並在過程中採取了預防措施。以下是缺陷模式原因的說明圖。.

缺陷	主要原因	預防
電線斷裂	張力過大或進入進料速率過高	將進入進料減少至穩態 30°50%;驗證冷卻液噴嘴對準
表面粗糙度高(Ra >2.5μm)	磨損的鑽石塗層或進料速率過高	監測電線磨損;以製造商指定的時間間隔更換電線
地下微裂紋	侵蝕性參數的脆性斷裂模式	降低線速;增加冷卻劑濃度
台視>10微米	幅材上的線張力不均勻	校準張力控制系統;檢查導絲軸承
晶圓弓/經紗	不對稱殘餘應力	確保冷卻劑分佈對稱;驗證錠梁黏合對齊

一個具有啟發性的定量事實:整個晶圓製造鏈後的材料利用效率僅為 50% 左右。這意味著其他 50% 會被丟進切口、地下損壞消除和邊緣。這些領域的任何改進都會對晶圓成本產生直接影響,因此需求不斷增加 高精度多線鋸機 具有一流的切口控制。.

切口損失和材料產量,即每個錠獲得更多晶圓

每損失一微米的切口,就有四分之一的材料會化為塵埃。在矽晶圓中,使用現代細線,典型的切口寬度為 90 120 m。 SiC 單晶材料較硬(磨料本身就是陶瓷),需要更耐用的較粗線。典型的切口寬度為每次切割 150 x200μm,用這種堅硬而脆的材料生產薄薄的晶圓需要在每一步進行精密切割。.

看看行業趨勢:小於(NT)線徑的趨勢。這在實際節省資金中意味著什麼?傳統上,從 0.12 毫米到 0.10 毫米的電線可以為行業節省每片晶圓約 60 m 角。因為您從單一 25 毫米鑄錠中切下 150 多個晶圓,這確實增加了產量。具有多根電線的現代系統可以透過並行使用 120 150 個線段來獲得低至 98 m 的角膜直徑。已證明系統吞吐量為每小時 1,200 個晶圓。.

0.125 毫米線材,間距 0.25 毫米。.

如何選擇適合 SiC 生產的多線鋸

0.133 毫米線材,間距 0.35 毫米。.

冷卻液容量:1 10 GPM 需要保持領先產生的熱量並去除切片過程中 SiC 上產生的碎片。.

常見問題