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发布时间:2016-08-09 15:23:05

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1实验

  晶体切割工艺是碳化硅单晶材料加工过程中 关键工艺之一,晶体切割的优劣直接影响后面工艺的加工质量和加工效率。如TTV、 Warp等问题,主要是由切片工艺引起的。若切片的TTV和Warp较大,会给后面工序的加工造成很大困难,甚至使晶片报废;若在晶体切割过程中,造成了很深的划痕,在以后的研磨、抛光工艺过程中得花费很多时间和精力才能消除。碳化硅单晶切割的实验设备:StruersAccu-tom-50型外圆切割机(如图1所示);主要原材料:碳化硅单晶、金刚石刀片。通过工艺实验,进一步分析各工艺条件对切割质量的影响,确定最佳切割工艺条件。


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2 结果与讨论

  2.1晶体推进方式的选择

  

  在切割工艺中,晶体的推进方式主要分为平推、摆动、旋转三种方式,对于具有高硬度、高耐磨特性的碳化硅晶体来说,选择合适、合理的晶体推进方式至关重要,因为这将直接影响单晶切割的成败与质量。

  

  2.1.1平推方式

  

  传统的半导体材料如硅、锗等在使用外圆或内圆切割时均采用平推方式,该方式比较简单,传动系统相对比较稳定。此类材料与碳化硅材料相比,虽然都属于硬脆材料,但硬度相差很大,不在同一数量级。依据碳化硅单晶固有的特性,采用平推方式切割存在一定的弊端:

  

  (1)切割刀片是圆形,在切割开始时刀片与晶体的接触为一点,随着切割的深入,切割面逐渐成为弧线,这样导致切割阻力增加,切割刀片的负载加大;另外,随刀片切割进程的增加,刀片的冷却和润滑十分困难,使得刀片温度增加,可能导致切割失败;

  

  (2)切割直径与刀片的直径有直接关系,当采用平推方式时切割直径小于刀片半径,特别是到切割后期,刀片几乎全部没入晶体内,刀片的径跳、端跳等现象会相对“放大”容易造成晶片损伤,直接影响加工质量。

  

  2.1.2摆动方式

  

  该方式是在设定角度下往复旋转,旋转角度一般在5°~20°之间。采用该方式切割时,与平推方式相比,增加了旋转,切割阻力相对减小,但在切割后期刀片的径跳、端跳控制及冷却和润滑都十分困难,切割难度增加。

  

  2.1.3旋转方式

  

  采用该方式切割时将晶体与刀片保持逆向旋转,使切割始终保持在一个“点”上进行,这样可使切割阻力减小;另外,旋转切割可使切割直径增大1倍,因为在采用旋转方式时切割点逐渐向晶体中心靠拢,最后结束在晶体中心部分,也就是说进刀量在保持晶体半径长度时就可以切割出一片晶片。采用该方式既可以提高加工效率,又能够延长刀具寿命,保证切割的顺利进行。通过以上三种方式的比较,对于碳化硅这种高硬度的特殊晶体,采用旋转方式切割最为科学合理。

  

  2.2刀片转速控制


  在切割过程中,切割刀片转速的控制十分重要,通过理论和工艺试验结果分析可知:转速过低时,切割效率低,极易造成切割表面损伤,使得切割表面质量差;转速过高时,切割效率高,在切割初期切割表面质量好,但切割后期表面质量逐渐变差。通过分析可知,当刀片转速过高时,对刀片质量要求也十分高,因为切割时刀片损毁速度过快,当刀片质量与切割转速不相匹配时就造成了晶片的表面质量和几何参数的下降,因此选择合适的切割转速对切割质量和切割的成败至关重要。试验数据如图2所示,通过试验我们选择切割转速在2400~2800r/min范围内,在这个范围内晶片的切割质量较好。


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  2.3切割速度对晶片几何参数的影响

  

  切割速度的快慢直接影响晶片TTV、Bow指标的好坏。切割速度理论上越快效率越高。但若切割速度过快,会产生刀片弯曲,从而影响切割片的几何参数。另外,如果切割速度太快将会造成刀片过度磨损,最终影响切割片的质量。因此,针对硬度过高的碳化硅晶体,切割进给速度应保持在相对低的水平上,切割质量反而会提高。通过工艺试验得出切割速率与TTV及刀片使用寿命关系图,如图3所示,结果表明,切割速度在8μm/s以下时, 晶片的TTV会下降到20μm以下,刀片寿命也会延长到4h左右。


3结论

  碳化硅晶体硬度很大,传统的切割方法、切割设备、 切割刀具以及切割工艺参数不能适应,通过工艺研究确定最佳的工艺。在碳化硅晶体切割时,刀片转速、 切割速度是最主要的工艺参数,它们将直接影响切割晶片的表面质量,通过工艺实验研究确定切割转速:2400~2800r/min,切割速度小于8μm/s。

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