晶体多线切割工艺中晶片粗糙度的控制研究

时间：2024-07-28

陈飞宏，李国芳，，普世坤，，刘汉保，柳廷龙，马冬生，唐开华

(1.云南鑫耀半导体材料有限公司，云南昆明 650503；2.云南临沧鑫圆锗业股份有限公司，云南临沧 677000)

粗糙度曲线[Roughness Profile (R)]是通过滤波器获得的。在机械加工后的晶片表面，因砂浆使用次数、切割线张力、切割进给速度和砂浆颗粒等作用而产生凹凸状。表面粗糙度轮廓仪测量的WCM(Wt，波纹度曲线的最大界面高度)，定义为从抽取曲线z=f(x)，取基准长度为L部分时,它代表了该提取部分的波顶线与波谷底线的纵向倍率方向之间的距离。

在砷化镓、锗晶体切割工艺中，通过粗糙度的WCM值，可以衡量多线切割工艺的优劣。能切割出WCM较小的晶片，可以减少后段工序对晶片加工的难度。如果晶片在多线切割过程中粗糙度较大，在后段工序工艺中几乎没有有效的改善办法，会对晶片表面质量产生非常大的影响[1]，加工过程中会遇到很大挑战，容易产生晶片崩边、暗伤和破碎等问题[2]，增加后段工序的缺陷数量，进而影响晶片最终合格率。

1 切割技术及研究现状

由于线切割机刀片厚度比内圆切割机的小，其出片率是内圆切割的 10 倍以上[3]，而且切割效率高，材料浪费较小，多线切割方式在晶体加工中逐步取代了内圆切割方式。由于材料价格昂贵，锗、砷化镓和磷化铟晶体切割也是使用的多线切割方式[4]。采用多线切割方式，可以提高单位长度晶体的出片数量，同时切割片的几何参数也得到相应的改善[5]。虽然，线锯在大尺寸材料切割中有加工晶片表面损伤小、切片薄、批次晶片一致性好、产量大，效率高、损耗小等优点，但在割片过程中硅片因机械作用造成的锯纹等损伤会造成后续工段的加工难度、甚至造成晶片碎片。

随着GaAs IC集成度的提高和降低成本的需要，根据国际市场对砷化镓和锗等半导体晶片材料的需求分析，晶体直径发展趋势是单晶体大直径、长尺寸化，加大了切割工艺的难度，从而切割工序是晶体加工的关键工序：切割片质量的好坏，直接影响最终产品的质量。砷化镓单晶因质软、密度大、易碎，切割难度大。为克服以上问题，掌握多线切割中各切割因素，如砂浆颗粒及其黏度、冷却液流量和压力、切割张力、切割进给速度等的最佳配比尤为重要，以切割出表面质量满足要求的砷化镓单晶片。

2 试验研究

2.1 条件及方法

使用多线切割机进行切片，使用粗糙度轮廓仪进行WCM检测。

2.2 试验方案

2.2.1 基础条件

1)研究使用VGF法生长的直径150±0.1 mm(6英寸)的掺Si半导体砷化镓(GaAs)的单晶做实验晶体。

2)在加工参数(钢线运行速度、供线条件)相同，加工辅材(泥浆、煤油、切割线、Roller等)相同的前提下，实验研究多线切割进给速度、切割线张力、砂浆使用次数等对切割晶片表面质量和几何参数精度的影响，根据晶片表面质量及WCM检测结果，找出最佳的切割工艺方式。

2.2.2 试验设计

1)多线切割的原理是切割机导轮带动钢线根据设定速度进行运转，在钢线和砂浆的共同作用下对所接触晶体的表面进行研磨。在切割线和砂浆对晶体接触表面的反复研磨下，晶体逐渐形成切割口，随着晶体固定进给，慢慢将晶体切割成了晶片。其中，砂浆组分最多的碳化硅粉在显微镜下可观察到较为明显的棱角，在不断次数的研磨使用后，其棱角会被逐渐磨平，从而影响晶片切割。此情况下，如仍然按相同的进给速度持续切割，则会因切割能力不足致使晶片粗糙度变大。故设计方案1实验研究砂浆重复切割次数与晶片粗糙度之间的关系。

具体实验条件：将切割油和切割碳化硅粉按工艺配比配置成砂浆，连续搅拌一定时间使切割油和切割碳化硅粉充分混合，配置成S1配比砂浆。切割过程，S1配比砂浆温度控制在20～28 ℃，切割前均需测量砂浆粘稠度，砂浆黏稠度控制依据6寸晶棒工艺要求执行。

2) 切割机的张力系统是由两条有力矩马达的张力臂组成，由PLC控制系统反馈控制调节张力大小。当晶体在切割时将，通过有一定张力的切割钢线的单向或者往复高速运动进行切割晶体[6]。如果张力设置较小则会导致钢线弯曲度变大，切割钢线与砂浆的切割合力降低。为了研究适宜的切割线张力以控制切割出来的晶片的粗糙度设计了实验方案2。

具体实验条件：在S1配比砂浆温度、砂浆使用次数、进给速度一定的条件下，改变切割线的张力设定。在切割1根晶棒时，10次调整切割线张力，对比不同切割线张力所切出的晶片粗糙度的关系。

3) 当多线切割机正常工作时，其(固定晶体的)工作台上升使晶体与钢线的相对运动实现晶体切割，工作台的上升速度即为设备进给速度。设定的进给速度太大会加大切割过程的阻力，致使钢线弯曲程度加大。为找到合适的进给速度以控制晶片粗糙度，设计实验方案3。

具体实验条件：在S1配比砂浆使用次数、砂浆温度、切割线张力一定的情况下，对同一根晶体设置不同的进给速度，6次调整切割进给速度后测量WCM值。

以上3个实验方案具体条件及WCM抽测比例见表1。

表1 切割方式对晶片粗糙度影响因素的实验方案

2.3 实验结果

1) 在切割线张力、进给速度、砂浆温度等条件一致的情况下，对S1配比的砂浆多次切割次数与晶片粗糙度的关系进行实验，粗糙度WCM值测试结果如表2所示。

从表2看出，S1配比砂浆使用次数在4次以内时，晶片的粗糙度变化不大，WCM值能控制在 10 μm 以内。当使用次数超过4次时，晶片WCM值出现了明显上升趋势。经过多次跟踪，S1配比砂浆大致在4次以后，WCM值呈现上升趋势。

2) 在S1配比砂浆累计使用次数(4次)、进给速度、砂浆温度等条件一致的情况下，对晶棒切割时的割线张力进行依次调整实验，粗糙度WCM值测试结果如表3所示。

表3 第二组实验方案送测晶片测试的WCM值

根据第二组实验方案的结果，当(工艺参数)切割线张力较小时，切出的晶片粗糙度较大，切割线张力大于 6.0 kg/cm2时，晶片WCM值能控制在 10 μm 以内,且晶片粗糙度开始趋于稳定。但割线的抗拉强度是有限度的，如果割线张力设置过大,则会存在切割过程中断线的异常情况，同时切割机导轮寿命将会降低，从而造成机械设备不必要的损耗和过度使用[7]。

3)在S1配比砂浆累计使用次数(4次)、割线张力、砂浆温度等条件一致的情况下，对晶棒切割时的进给速度进行调整实验，粗糙度WCM值测试结果如表4所示。

表4 第三组实验方案送测晶片测试的WCM值

从第三组实验方案看出，进给速度越大，晶片粗糙度越大。进给速度较小，则影响切割效率；过大则影响晶片粗糙度品质。实验中进给速度0.15～0.20 mm/min 时,晶片粗糙度的WCM值能控制在 10 μm 以下，不会影响后段工序加工合格率。

4)晶片粗糙度WCM值图片。大于 10 μm 如图1，小于 10 μm 如图2。

图1 晶片粗糙度WCM值大于10μm

图2 晶片粗糙度WCM值大于10μm