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碳化硅單晶片不切好,后面都白搭哦!
2020年12月16日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:120
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5G通信技術、新能源汽車以及光電應用等推動之下,近年來SiC市場一直保持著快速增長,成為目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術最成熟的第三代半導體材料。

碳化硅切割

SiC功率半導體產業鏈中,主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用這幾個環節。其中,單晶材料SiC功率半導體技術和產業的基礎,依據器件的使用,還會要求SiC單晶拋光片要有高的表面質量,如表面光滑、表面粗糙度低、無缺陷、無損傷、TTV、Warp等表面參數優良。否則當晶片表面有微小缺陷時,還會遺傳給外延生長膜而成為器件的致命缺陷。顯然,優秀的晶片加工技術是器件生產的重要基礎和基本保證。

SiC單晶片很難搞?

想要獲得一片合格的SiC單晶片并不簡單。首先第一步的長晶就已是困難重重,無論是PVT法還是HTCVD法,長晶速度都很慢而且品質還不一定穩定。好不容易過了這一關,又因為SiC單晶實在是賊硬因此加工比較困難,進一步導致了SiC單晶片產能受限。

SiC和Si、GaAs材料性質的比較

碳化硅切割

SiC加工困難主要可以體現在以下幾點中:

①硬度大,碳化硅單晶材料莫氏硬度分布在9.2~9.6之間,僅僅比金剛石的硬度低0.5左右;

②化學穩定性高,幾乎不與任何強酸或強堿發生反應,室溫下,它能抵抗任何已知的酸性腐蝕劑;

③加工機理的研究欠缺,許多工程師對碳化硅元件本身的性能并不太清楚。

目前SiC單晶片的加工過程,按順序可分為以下幾個過程:晶體切割、研磨、拋光和超精密拋光。所謂萬事開頭難,第一步的“切割”非常關鍵,如果不能將SiC晶棒切割成翹曲度小、厚度均勻、低切損的晶片,后續的研磨和拋光也會受到影響,那質量再高的SiC單晶也無法實用化。

碳化硅切割

磨邊后的晶圓及不同晶向的對應的磨邊

SiC單晶片怎么切?

切割是將SiC晶棒沿著一定的方向切割成晶體薄片的過程。晶體切割的優劣直接影響后面工藝的加工質量和加工效率,如TTV、Warp等問題主要都是由切片工藝引起的。若切片的TTVWarp較大,會給后面工序的加工造成很大困難,甚至使晶片報廢;若在晶體切割過程中,造成了很深的劃痕,在以后的研磨、拋光工藝過程中得花費很多時間和精力才能消除。以下是兩種SiC單晶較常用的切割方式。

1.內、外圓切割法

內、外圓切割法是利用邊緣鑲有金剛石的金屬鋸片來切割晶棒的。由于鋸片相當薄,在此切割過程中任何鋸片上的變形都會導致所切晶片外形尺寸上的缺陷,該方法只能用來切割小尺寸比如1英寸的SiC單晶,單晶直徑增大后,切割過程中必須更換鋸片,很容易造成晶片破裂,同時該方法要求晶片厚度應在2mm以上,小于2mm晶片易開裂,造成很大材料浪費。

但是作為氮化鎵襯底基片的碳化硅,要求其切割厚度在0.7mm以下。如果用內、外圓切割法,多余的1.3mm左右的碳化硅只能靠研磨減薄,而減薄碳化硅需要大量的工時和使用昂貴的金剛石磨料,這不但降低了工作效率,還極大地浪費了材料,增加了成本。如果切割大直徑(直徑不小于2英寸)的SiC晶體,隨著切割深度的增加,鋸片上的金剛石磨損嚴重,鋸片容易變形,切削能力不斷下降,往往在切一片2英寸的SiC單晶時要多次換刀片。因此內、外圓切割方法,工藝繁瑣,成本高,不適用于大直徑SiC單晶的切割。

2.多線切割機切割

要想工作效率高,晶體切割一般是采用多線切割機切割,利用外層鍍有金剛石顆粒的金剛石切割線的往復式高速切割運動,實現大直徑SiC晶棒的多片切割,具有表面損傷小、切縫損耗少、加工量大、切割效率高、切片質量好、運行成本低等諸多優點。

碳化硅切割

多線切割過程圖

按不同的表面處理方法,金剛線還可以分成如下四種:

①電鍍金剛線:通過電鍍在高碳鋼絲上固定Ni、金剛石顆粒;

②樹脂金剛線:通過加熱酚醛類樹脂及添加劑在高碳鋼絲上固定金剛石顆粒;

③鑲嵌金剛線:通過滾壓的形式在高碳鋼絲上固定金剛石顆粒;

④釬焊金剛線:通過合金釬焊在高碳鋼絲上固定金剛石顆粒。

目前國內電鍍法金剛線、樹脂法金剛線技術較為成熟,而鑲嵌法金剛線、釬焊法金剛線還處于研發階段。樹脂金剛線能夠得到比電鍍金剛線更好的表面,只是加工速度要慢。具體對比可看下圖:

碳化硅切割

不同金剛線切割后的表面對比

總之,通過多線切割機切出的SiC晶片,表面粗糙度、彎曲度和總厚度變化小,每次可以切割多塊目標晶體,而且切割晶體時速率快、耗時少,從而實現了碳化硅晶片的高效切割,目前已逐漸成為半導體晶體切割方式的主流。由于SiC晶體具有各向異性的特點,所以在切割過程中,要嚴格按照要求的方向切割,切割角度可以通過X射線定向儀準確測定。

資料來源:

大直徑SiC單晶的切割方法,徐現剛,胡小波,陳秀芳,李娟,蔣民華。

碳化硅單晶切割技術研究,李寶珠,馮跨。

粉體圈 NANA


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