失效分析 赵工 半导体工程师 2023-06-18 07:59 发表于北京
摘 要
作为制备半导体晶圆的重要工序,线锯切片对半导体晶圆的质量具有至关重要的影响。本文以发展最成熟的 硅材料为例,介绍了线锯切...
[{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"失效分析 赵工"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-LINK)"},"insert":"半导体工程师"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"2023-06-18 07:59"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"发表于北京"},{"insert":"\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"摘 要"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"作为制备半导体晶圆的重要工序,线锯切片对半导体晶圆的质量具有至关重要的影响。本文以发展最成熟的 硅材料为例,介绍了线锯切片技术的基本理论,特别介绍了线锯切片技术的力学模型和材料去除机理,并讨论了线锯 制造技术及切片工艺对材料的影响。在此基础上,综述了线锯切片技术在碳化硅晶圆加工中的应用和技术进展,并 分析了线锯切片技术对碳化硅晶体表面质量和损伤层的影响。最后,本文指出了线锯切片技术在碳化硅晶圆加工领 域面临的挑战与未来的发展方向。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202306/ec6aadc88444d6a1.jpg"}},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"0 引 言 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"20 世纪 50 年代以来,伴随着现代科技的快速发展,硅材料已成为集成电路、光伏、光电子等关键领域的 重要基石 。随着智能电网、高频通信、新能源汽车等新兴领域的不断发展,高效、低能耗电力电子器件对 于半导体材料提出了更加苛刻的要求。4H 碳化硅(4H-SiC)具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率高、 热导率高、耐高温、抗辐射能力强等优越性能,对国民经济和国防军工的发展至关重要。然而,4H-SiC 单晶 属于硬脆材料,其硬度和弹性模量远高于硅,晶圆加工难度大、损伤多,良品率低,制造成本高。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"半导体衬底的晶圆加工过程主要分为切片、研磨、抛光和清洗。作为晶圆加工的第一道工序,切片质量 对加工损伤及最终晶圆的质量具有至关重要的影响。目前,线锯切片技术已成功应用于半导体晶圆切片。线锯切片可分为游离磨粒线锯切片(砂浆线切割)和固结磨粒线锯切片(金刚线切割) 。图 1 是 砂浆线切割系统的示意图,可用于单晶硅的晶圆切片。金属线从放线机通过排线轮和张力控制单元被送入 导轨。排线轮上的多根金属线组成线网,线网在排线轮的旋转带动下以一定的线速度运动。同时,单晶硅晶棒在进给单元的作用下以一定的进给速度向线网移动。在晶棒进给移动的同时,携带磨粒的砂浆通过喷嘴喷向 线网。金属线带动砂浆使磨粒到达加工区域的同时对 磨粒施加压力。磨粒在晶棒和金属线间的固液混合区 域进行切片。砂浆线切割技术中,砂浆是磨粒的载体, 对悬浮于其中的磨粒起到稳定分散的作用,因此需要具 有一定的黏度。同时,砂浆还需要带动磨粒随线锯一起 运动,因此需要具有较好的流动性。为了防止切片区域 温度过高,砂浆还应具有较好的导热性。在实际应用 中,一般选择聚乙二醇作为磨粒的分散剂。砂浆线切割 技术具有切缝窄、切割厚度均匀等优点,是硅材料和 4H-SiC切片的主流技术,但存在加工效率低、磨粒利用率低、对环境不友好等缺点。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"近年来,金刚线切割技术因其加工效率高、线耗成本低和环境友好等优势受到业界的广泛关注。金刚线切割技术通过固结在线锯上的金刚石磨粒作为固定切割点在晶体材料上刻划实现材料的去除。如 图 2(a)所示,金刚线通常为表面附着镍基合金或树脂的不锈钢线。一般通过电镀、粘合或焊接等技术在镍 基合金或树脂层中固着微小的硬质颗粒作为磨粒。在切割时,磨粒与晶锭表面直接接触,通过二体磨损去除 切缝处的晶体材料。在硅片切割领域,硬质颗粒多为 SiC 颗粒。在 4H-SiC 晶片切割领域,采用金刚石颗粒 作为磨粒。金刚线切割技术依然采用多线切割机,图 2(b)和(c)是 6H-SiC 金刚线切割设备的示意图和实物照片 。与砂浆线切割技术不同的是,该技术通常使用水基冷却剂,因此较为环保。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"本文综述了线锯切片技术的研究进展,以硅材料为例介绍了线锯切片技术的力学模型和材料去除机理, 接着讨论了线锯及工艺相关因素对材料去除的影响。最后,介绍了线锯切片技术在 4H-SiC 晶圆加工中的应 用,分析了加工过程中晶体的表面损伤。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"1 线锯切片原理分析 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"1. 1 力学模型"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"Li 等建立了砂浆线切割过程中线锯、晶锭与磨粒之间相互作用的接触应力模型。如图 3 所示,在砂 浆线切割过程中,线锯相对于晶锭以高速(5 ~ 30 m / s)移动,在线锯的带动下,磨粒在晶锭表面滚动。同时, 线锯对磨粒施加压力,使磨粒压入晶锭。滚动和压痕相互作用在半导体中形成孤立的切屑和表面裂纹,同时 也会导致应力集中,引起了材料去除。这被称为材料去除的滚动-压痕模型 。从该模型出发,可以计算和 分析磨粒在晶体上施加的法向和切向的应力。计算结果表明,最大法向应力出现在压痕点,而最大剪应力出 现在接触面下方。这种次表面剪切促进了裂纹的剥离效应。该模型可以很好地解释和预测切削过程中应力 及其分布,可用于确定滚动-压痕过程中磨粒的最佳几何形状,但是由于应用了线性叠加原理,其结果仅对弹 性变形有效。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"Bhagavat 等采用有限元方法分析了滚动-压痕 模型中砂浆、线锯与磨粒之间的弹性流体相互作用。研究结果表明,砂浆线切割过程中,由于砂浆的存在, 线锯无法将磨粒直接压入晶锭中,磨粒在“浮动”条件 下以非直接接触的形式进行材料去除,材料去除效率 很低,且最小切缝厚度大于平均磨料尺寸,导致了脆 性半导体晶片表面形成较多的裂纹与较差的表面粗 糙度。除了滚动-压痕模型外,Yang 等 还考虑了磨 粒对晶锭的刮擦过程,提出了刮擦-压痕模型。结合这 两种模型,同时考虑了磨粒滚动、压痕和划痕引起的 微断裂和微流动过程对脆性材料的去除,他们预测了材料去除速率(material removal rate, MRR)与材料力学 性能以及工艺参数之间的关系,为线锯效率的提高提供了依据。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"1. 2 材料去除机理"},{"attributes":{"color":"#0070c0","bold":true},"insert":" "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在线锯、研磨及抛光等机械加工过程中,材料的去除是通过许多磨粒同时作用来实现的。单颗粒压痕和 划痕模型常用来分析线锯性能对材料去除率和亚表面损伤的影响。单个金刚石磨粒单次刻划是分析金刚石 磨粒与衬底材料接触的一种简化模型,研究对象仅为单个金刚石磨粒,因此便于理解真实切片过程中的材料 去除机理和裂纹扩展规律。单磨粒单次刻划实验通常在纳米压痕仪或自制的刻划实验装置上进行。此外, 也有通过计算机模拟进行单磨粒刻划的机理研究。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"虽然砂浆线切割技术和金刚线切割技术在仪器设备及操作上具有相似的特点,但从材料去除机制的角 度来看,二者有根本的不同。如图 4(a)所示,砂浆线切割中的材料去除是通过磨粒、线锯和晶体材料之间的 相互作用实现的,即三体磨损。然而,金刚线切割技术则是通过二体磨损去除衬底材料,即金刚石磨粒与晶 体材料的直接相互作用,如图 4(b)所示。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"一般采用压痕断裂力学方法分析材料因脆性断裂发生的去除过程。脆性材料中压痕的变形机制和裂纹 系统如图 5 所示。压头正下方有一个塑性区,塑性区存在两个主要裂纹,即中位裂纹/ 径向裂纹和横向裂纹 ,其中 c L为横向裂纹的长度,c 为中位裂纹深度,h 为磨粒压入深度,a 为磨粒压入半径并向外扩展 到 b。横向断裂模型可用来分析划片/ 研磨过程中的材料去除。当横向裂纹扩展到表面时,材料被去除。横向裂纹尺寸可表示为负载的函数:"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n\n"},{"insert":"式中: ζ0 、ζL 是与材料或压头无关的无量纲常数;A 是与压 头几何形状有关的无量纲常数;E、H 和 Kc 分别为材料的 杨氏模量、硬度和断裂韧性;P0为由材料性质和几何形状 决定的产生裂纹的载荷极限; ψ 为压头棱锥边缘之间的夹 角。当接触载荷较大时,即满足 P > > P0时,式(1)可简 化为:"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"进一步得到的体积去除量为:"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"式中: UK 为压入动能。虽然基于压痕断裂力学方法得到的结果能够解释玻 璃等脆性材料的切割与研磨 ,但该方法不能很好地解 释单晶硅及 SiC 材料的切割。Moore 和 King提出的模型同时考虑了延性和脆性两种切削模式。脆性材料 的延性切削模型丰富了材料去除机理,并弥补了脆性断裂 模型的不足。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"20 世纪 90 年代,人们发现脆性材料可以在特定条件下以延性状态切割。在单点车削或划痕实验中,研 究者们观察到了在硅、SiC 和蓝宝石等材料的韧性切削模式 。韧性切削模式中主要的材料去除机制是 塑性流动而不是断裂,这个过程也被称为延性域切削。当通过塑性变形过程切削脆性材料时,会产生与抛光 或研磨相近的表面粗糙度。然而,与抛光或研磨不同,切削是一个确定性过程,允许精细控制轮廓精度和复 杂形状。实现延性去除的条件是所有磨粒的切削深度小于临界切削深度,超过该深度,切削模式将由韧性断 裂模式转变为脆性断裂模式 。在切削深度很低时,切削区压力大到足以使材料转变为塑性状态,从而 增强切削的延性去除。临界切削深度不仅取决于材料的物理特性,也依赖于切削的方式、精度、刚度及磨粒 的尺寸、分布和磨损等。此外,切削过程中的相变也会影响硅的延性去除 。单颗粒磨削实验研究结果表 明,单晶硅的临界切削深度约为 15 nm 。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 6 展示了单晶硅延性切削的图像,光滑的切削面表明晶体发生了塑性形变相关的延性切削,延性切削 可以消除或减少微裂纹的产生。由于微裂纹是施加载荷下晶圆断裂的根源,延性切削可以提高晶圆的机械 强度。相较延性切削,脆性断裂可以更有效地去除材料,从而提高锯切效率。对于金刚线切割,通过改变工 艺条件,使适当的切削模式发生在不同的锯切区域,有望在高效切割的同时获得高机械强度晶圆。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"2 线锯的制造和切片工艺参数分析 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"线锯切片是一个非常复杂的加工过程,涉及到多种因素及其相互作用。线锯切片技术的研究主要集中 在线锯的制造和切片工艺参数两方面。相关的工艺参数包括线锯的张力、移动速度、进给速度、磨粒的分布 和密度等。锯切过程中材料的去除是由线材、切削磨粒和流体动力环境决定的。温度会影响锯切处的摩擦 和润滑条件,从而影响锯切的整体性能。振动会导致线锯严重磨损甚至断裂,进而产生锯痕。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"2. 1 线锯的制造及其磨损分析 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"2. 1. 1 砂浆线锯的制造及其磨损分析 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"砂浆中磨粒的粒径分布、体积分数等参数与晶片强度、表面粗糙度、晶片厚度等密切相关。研究表明 使用较低磨粒体积分数的浆料,结合较低的线张力和较慢的进给速率,获得的晶片具有较高的机械强度。Bierwisch 等利用耗散粒子动力学和离散元模拟方法研究了磨料悬浮液中的流体和不同磨粒形状对锯切 接触状态的影响。模拟结果表明,接触状态取决于磨粒形状及其力平衡,例如,金属线锯处在高应力和低速 度时将发生半接触,而低应力和高速度将产生非接触。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"为解决传统圆柱形金属丝在切片过程中切槽出口浆料 干燥的问题,人们设计并实现了如图 7(a)所示的结构化线 锯 。结构化线锯的制造方式使得即使给线锯施加张力 时,线锯纵向轴仍是非直线。实验中使用的线锯直径为 120 μm, 而 结 构 化 线 锯 直 径 为 115 μm, 表 观 外 径 在 120 ~ 160 μm。在多晶硅砂浆线锯过程中,结构化线锯的 效率提高 100% ,能耗降低了 10% ,线材消耗减少了 45% , 浆料消耗减少了 40% 。结构化线锯加工得到的晶片总厚 度变化(total thickness variation, TTV)也明显小于直线切割 的晶圆,表明结构化线锯在整个锯切通道中更均匀地输送 浆料和磨粒。然而结构化线锯造成的切缝损失较大,结构 化线锯的整体经济效益需要考虑额外的切缝损失。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"由于线材成本较高,一般采用线材的往复运动来降低 线材的消耗。Wu 等研究了往复运动对硅片质量的影 响。如图 7(b)所示,线锯的往复运动在晶片表面形成了两 个明显的切割区。这两个区域的表面粗糙度差异较大,在 金属丝向前运动过程中可以观察到较高的 MRR。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"此外,也有研究关注锯切通道内的温度上升及其对浆 料黏度和环境的影响。Lars 等 通过模拟和实验研究了 硅片浆料锯切过程中的传热机制。研究结果表明,切削区 主要的热量来源是黏性的耗散。因为热量的产生很大程度上取决于浆料中的剪切速率,而浆料中的剪切速 率受线速度的控制。受线速度影响的切削区的磨削过程造成了浆料的黏度耗散。因此,黏度耗散是主要的 加热源。锯缝的温度从进口侧的 30 ℃上升到出口侧的 65 ℃ ,同时浆料沿锯切通道黏度降低 4 倍,因而浆料 沿锯切通道携带磨粒的效率降低。废弃的浆液中含有去除的衬底颗粒和磨粒,可能会造成严重的环境问题。同时,由于成本较高,需要对磨粒和衬底材料进行回收利用。为了回收利用,人们提出了各种各样的方法来 分离料渣和磨粒,例如高温处理法、过滤法、电场分离法和离心分离法等。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"2. 1. 2 金刚线线锯的制造及其磨损分析 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"金刚线线锯一般采用电镀或树脂粘接工艺制造。电镀结合强度高,树脂结合成本低。为了提高树脂粘 接金刚线的断裂强度和刀具耐磨性,可在粘接过程中加入金属粉末。电镀工艺中,阴极附近局部金属离 子浓度下降,导致电镀效率无法进一步提高。Chiba 等在电镀液中使用旋转电刷来防止离子浓度下降,生 产效率可提高 30 倍以上,同时提高了金刚线的耐磨性。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"金刚线线锯的设计包括线锯尺寸及磨粒的形状、大小和分布,这些参数与整体锯切性能密切相关。虽然 金刚石磨粒分布稀疏会限制材料去除速率和加工效率,但为了顺利清除锯屑,需要适当增加金刚石磨粒之间 的空隙。图 8(a)展示了 MRR 与磨粒分布的关系 ,其中 αij为磨粒夹角。在不同的条件下,材料的去除模 式可以在拉伸(韧性)状态和脆性断裂之间转换。一旦载荷超过临界载荷条件发生脆性断裂,材料去除速率 显著增加。图 8(b) ~ (e)揭示了磨粒形状对硅切割模式转变的影响,为线材设计提供了指导:锋利的锐磨粒应该使用在大量去除材料的位置,因为脆性断裂会导致高的材料去除速率,而钝/ 圆形粗磨粒应该应用于晶 圆表面的加工,因为延性去除减少了微裂纹的产生,可以获得更高的晶片强度。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n\n"},{"insert":"为了降低加工成本,提高晶锭的出片率,尽可能减少锯缝损失,需要在保证锯丝锯切能力和耐磨性的同 时,尽量减小锯丝直径。Kim 等 研究了锯丝的电镀层厚度,并分析了随之改变的锯切能力。Furutani 等将碳化钨沉积于金属丝上,提高了锯丝的锯切能力。Zhang 等为提高线锯的强度,利用钎焊技术制造了钎焊锯丝。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在锯切通道中,线锯张力为材料去除提供动力。线锯张力损失存在两种机制 :衬底材料的存在导致 线锯塑性变形,从而导致线锯张力损失;磨损导致的线锯直径的减小会引起整个锯切接合区域线锯张力的缓 慢损失。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"切片加工过程磨粒的磨损和脱落会降低锯丝的锯切能力,甚至造成切片加工时锯丝拉断。文献[43-46] 详细地观察和分析了切片加工过程中锯丝上磨粒的磨损、脱落规律及其对切片质量的影响。文献[7]表征 了切割 SiC 过程中线锯的磨损。在加工中,金刚石磨粒表面的粘接剂首先被磨损,然后金刚石磨粒表面出现 磨损平面,进一步的磨损使得金刚石磨粒被拉出,这导致了 SiC 晶片表面的划痕和损坏。Kumar 等实验 研究了金刚线线锯磨损对晶圆厚度和表面粗糙度的影响。结果表明,相同尺寸的金刚线切割得到相同的平 均晶圆厚度,但晶圆厚度标准差随着切割锭数的增加而增加。Schwinde 等发现线锯的磨损只发生在锯切 槽的底部,因为底部发生了材料的去除。这说明在切片过程中金属丝没有绕其纵轴旋转,因而沿进给方向长 轴的椭圆截面线材设计能够提高耐磨性。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"2. 2 切片加工质量分析"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"切片质量的提高能有效提高半导体晶圆质量、减少晶圆制造成本。研究者们对切片加工质量的研究主 要集中于切片工艺参数对 MRR 、Ra 、翘曲度(Warp)、TTV 、断裂强度 、残余应力 、 亚表面裂纹损伤的影响。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"图 9(a)展示了线锯切片过程中的相关参数。Jia 等[50]基于 Preston 方程研究了主轴转速和进给速度 对 Ra 的影响。通过优化主轴转速和进给速度,可以获得最小的 Ra。张立等提出砂浆线切割时,在切片 末端,由于磨粒的切削能力下降,为了获得较好的表面翘曲,应该降低切割速度。Bidiville 等研究了砂浆 切割中硅片的 Ra 和微裂纹密度。Bidiville 等认为,切片后晶圆断裂强度是关键的产品质量参数。此外, 他们还提出了一个参数模型,以表征断裂强度与浆料中磨粒的密度、钢丝张力及进给速度的关系。根据该参 数模型可以预测晶圆强度,然而,该模型仅适用于模型计算范围内的工艺条件。同时,该模型的实用性也局 限于特定的锯切系统/ 工艺,相同的模型参数集对其他系统/ 工艺无效。然而,该模型仍然可以为工业环境下 的锯切实验设计提供指导。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"Bhagavat 等提出了一个有限元模型,对线锯切片过程中晶锭的温度变化进行了表征和分析,并考虑 了温度对有限元模型以及材料去除的影响。如图 9(b)所示,不同的切割位置存在不同程度的温升,线切割 切片过程中的温度变化可能会导致晶片出现翘曲,他们提出了一种通过智能控制边界条件来获得相对均匀 的温度分布的方法,以减少因热量而产生的翘曲。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在线锯切片工艺中,晶片厚度均匀性也是一项关键的质量指标。在切片过程中,当 MRR 随时间变化 时,就会出现不均匀性。Zhao 等应用受约束的高斯模型评估了 MRR 随时间的变化。该模型考虑了加工 锯切过程、系统误差和随机噪声。该方法利用实际的锯切实验数据得到高斯模型系数,能够预测 MRR 曲线。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"如图 9(c)所示,切割过程中线锯的振动并非均匀,由于线锯切片是一个动态过程,Zhu 等 使用基于 Galerkin 的模态分析来研究线锯过程中的振动特性。图 9(d)表明,接触跨距增大时,线锯的振动位移减小, 这解释了沿线锯移动方向 Ra 减小这一现象。此外,线锯的张力也对其振动起着重要作用。Liedke 等提 出了砂浆线切割过程中宏观力学条件的解析模型。基于锯切实验结果,建立的参数化模型能够分析出丝速、 进给速度、丝张力等重要工艺参数以及钢锭尺寸、丝长等几何参数对研磨压力和丝弓的影响。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"3 线锯切片技术在单晶碳化硅切片中的应用 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"3. 1 碳化硅线锯切片技术对比"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"表 1 比较了目前单晶 SiC 不同切片工艺的主流加工质量。传统的金刚石锯片内圆锯切只适用材 料的粗加工,无法应用于大尺寸单晶 SiC 的精密加工。目前 SiC 晶锭的切片技术主要有砂浆线切割、金刚线 切割以及超声辅助的金刚线切割。砂浆线切割的工艺最成熟,是常见的切割方式之一,其切片最小厚度为0. 2 mm,但材料去除效率低且污染环境,切割损耗较高。金刚线切割的切片厚度小于 0. 4 mm 时,切片效率 较高,对环境友好,可以用于大尺寸单晶 SiC 的精密加工,但由于高硬度的金刚石磨粒直接与晶片表面接触, 加工中容易造成晶片隐裂或破碎,此外,切割时脱落的金刚石磨粒和碎屑若不能及时排出,将影响线锯的切 割能力,增加切割时长,并且给晶圆表面造成线痕等损伤。超声辅助的金刚线切割增加了线锯寿命,提高了 SiC 的表面质量,适用于单晶 SiC 的精密加工,切片成本较高,尚未广泛应用。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"3. 2 碳化硅线锯切片工艺"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在单晶 SiC 晶锭的线锯切片中,线锯通常有三种进给方式 :平推切割、摇摆切割和工件旋转点切割,如 图 10 所示。平推切割:在切割过程中,锯丝与晶锭的接触长度是不断变化的。接触长度的不断变化导致整 个晶片的表面加工存在不均匀性。在切割大尺寸 SiC 时,切屑不易从锯缝中排除,而且降低了冷却液的冷却 效果。至于摇摆切割,晶锭固定不动,线锯安装在具有上下运动能力的框架上,加工过程中线锯绕框架上一 固定点以一定的角速度进行摆动。摇摆运动保证了切片过程中线锯与晶锭之间恒定的弧接触,从而保证了 整个锯切过程中接触长度的不变。相比平推切割,摇摆切割(摇摆频率为 0. 3 Hz)能降低锯切力 35% ,切片 表面粗糙度由2. 2 μm 降低到0. 5 μm,表面损伤层也有大幅度的改善[7] 。但摇摆切割系统结构相对复杂,在 线锯高速切割和高频摇摆时,振动将影响 SiC 单晶的加工精度。工件旋转点切割则是在金刚石线锯平推切 割单晶 SiC 晶锭的同时使 SiC 晶锭绕其对称轴自转,如图10(c)所示。该切割模式的最大优点是在切割过程 中线锯与晶锭始终保持点接触,这既减小了锯切力又减小了锯切产生的热量,有利于延长线锯寿命和改善晶 片的表面质量。但随着切割过程的进行,晶锭的回转半径逐渐减小,由线锯的运动速度和晶锭自转线速度合 成的切割速度也逐渐减小,在旋转轴附近处的切割晶片表面质量有所降低。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"SiC 线锯切片的其他工艺参数有线锯线速度、进给速度和进给力等,一般采用正交试验法对这些工艺参 数进行优化。Hardin 等和 Huang 等[10]对单晶 SiC 进行切片,分析了切片工艺参数对锯切质量的影响。金刚石线锯虽然能有效地切割 SiC 晶圆片,但存在着严重的表面损伤,包括滞止槽、粉碎和微裂纹。Li 等设 计了带有自适应力控制器单线锯系统。根据法向力与其他过程因素的相关性建立动态模型,采用自适应控 制器来保持法向力恒定。这种法向力的主动控制导致更高的切削生产率和表面粗糙度的显著下降。此外, 超声振动辅助应用于单晶 SiC 的线锯中可有效改善切片的表面质量 。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#0080ff","bold":true},"insert":"3. 3 线切损伤层 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"SiC 的单颗粒刻划实验发现,磨粒刻划在晶体表面产生了脆性剥落和划痕,如图 11(a)所示。脆性 剥落的范围超过磨粒的刻划宽度,说明刻划引起的应力向材料表面扩展。在磨粒与晶体表面开始接触的瞬 间,磨粒尖端会由于冲击形成局域的微破碎,进而形成细微的切削刃,这些切削刃在刻划区域形成了多道细 微划痕,如图 11(b)所示。另外,在经过一段时间的磨损后,磨粒的切削能力大幅削弱,划痕中残留许多未被 去除的材料,如图 11(c)中划痕内部明亮区域所示。磨粒刻划造成的划痕边缘存在许多微裂纹及横向裂纹, 位置邻近的裂纹会发生交叉,造成了表面的微破碎。此外,由于 SiC 各向异性的力学性质,微裂纹会向特定 方向扩展,导致晶体的解理破碎。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"扫描声学显微镜是一种对亚表面进行成像的无损检测方法,可用来观察 SiC 晶片的亚表面损伤。应用 扫描声学显微镜对 SiC 晶圆表面及其以下 2 ~ 4 μm 的亚表面进行成像[7] ,发现在较低的进给速率下,SiC 的 表面及亚表面损伤均有明显降低。同时,亚表面的裂纹等损伤显著低于表面,得到的显微图像更加平整,如 图 12(a) ~ (c)所示,图 12(a)中 G 为刻划槽之间的间距,B 区域的特写图片如图 12(b)所示,图 12(c)为另 一类划痕的局域放大图,可能是线锯中过度突出的金刚石磨粒导致了该切割表面区域上的划痕。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"单晶 SiC 在线锯切片中的材料去除方式主要为脆性去除,但同时伴随延性去除。延性去除时,材料仅发 生弹性变形,去除形式为切屑去除,大大降低了裂纹及亚表面损伤。孟磊等根据单磨粒模型及实验,研究 了 SiC 线锯切片的材料去除机理,指出可通过提高线锯速度、减小进给来实现塑性去除。王肖烨等 通过 单点金刚石的刻划实验,验证了 SiC 切割过程中的脆塑断裂及塑性犁削的材料去除机制,并分析了脆塑转化 的条件及工艺因素。虽然韧性切割方式尚未在金刚线切割晶圆的研究中被报道,但在金刚石线锯晶圆片上 经常观察到韧性切割沟槽。图 12(d)为单晶 SiC 在金刚石线锯加工中产生的韧性切削槽 ,与硅较高的临 界切削深度不同,SiC 中临界切削深度仅为 2 nm。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"纳米压痕技术可用来深入研究材料的微观变形机理。SiC 中的初始塑性变形会导致位错的形核和滑 移,并诱导相变及非晶化 。如图13(a)所示,分子动力学模拟表明,磨粒压入过程的剪切应力是导致 SiC 压痕形变的主要原因 。如图 13(b)所示,纳米压痕实验表明,在 4H-SiC 初始塑性变形过程中,剪切应力 始终强于拉伸应力,并导致了基平面位错的形核。晶体内部位错塞积产生的高应力场导致 4H-SiC 的非 晶化转变和相变。如图 13(c)所示,在压痕下方表层和近表层区域的 TEM 照片表明出现了从 4H-SiC 到 非晶和 3C 的晶型转变。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"4 结语与展望 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"脆硬材料的单磨粒滚动压痕和划痕模型是材料去除和亚表面损伤分析的基础。然而现有的材料刻划模 型难以同时考虑延性和脆性两种去除模式,需要加以改进才能更好地与实验结合。此外,由于 SiC 等新一代 半导体材料生长成本高昂,且对衬底晶片表面质量的要求极高,因此对其切片技术也提出了更高的要求。线 锯切片技术在国内 SiC 晶体加工领域中的应用超过了 20 年,人们对线锯切片技术进行了大量的理论建模和 实验研究。然而,对其切削方式、工艺参数、材料及相互作用方面仍需更多的基础研究,以期为线锯性能优化 提供有效的指导。切割过程中晶锭的破裂是一个非常严重的问题,可能会导致切片过程的彻底失败。破裂 可能由晶体自身的机械强度不足引起,有时也由加工线断裂引起。如何提高 SiC 等晶体的机械性能并避免 在动态锯切环境下的断线尚未得到研究。由于高昂的材料成本,锯缝宽度和晶片厚度应尽可能减小以提高 出片率,这对线锯技术的理论和工艺研究提出了更高的挑战和要求。 "},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"大尺寸的单晶 SiC 衬底是未来的主流发展趋势,目前国内主流 SiC 企业已经基本实现全面生长 6 英寸, 正朝着 8 英寸的方向快速发展。金刚线切割的加工效率高且环保,更适合于大尺寸的单晶 SiC 加工,但目前 仍存在一些问题。在大尺寸晶圆切割中,线锯的磨损成为必须考虑的关键问题。首先,大尺寸晶圆加工时间 较长,需要更长的线锯寿命。另外,线锯的严重磨损会导致切割能力下降,同时晶片表面翘曲增加,加工质量 迅速恶化。最后,由于晶圆尺寸的增加,脱落的磨粒与 SiC 碎屑难以及时从晶片表面排出,影响切割能力,增 加切割时长,并给晶圆表面造成线痕等损伤,甚至导致晶片破裂。目前关于大尺寸晶圆切割的报道较少,亟 需针对大尺寸晶圆切割相关的科学问题进行深入挖掘和理解,同时结合工艺研究,解决大尺寸晶圆加工面临 的问题。针对大尺寸单晶 SiC 衬底的高质量加工需求,开展线锯切片技术的研究,实现大尺寸单晶 SiC 晶片 低微裂纹损伤的精密切片加工,对我国宽禁带半导体领域制造技术的发展具有重要的意义。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#222222"},"insert":"来源:川渝半导体信息"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-0)"},"insert":"半导体工程师"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"半导体经验分享,半导体成果交流,半导体信息发布。半导体行业动态,半导体从业者职业规划,芯片工程师成长历程。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]
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发表于 2023-06-18 08:15
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