赵果
广东长信精密设备有限公司 广东 清远511517
摘要：针对金刚石多线切割设备的运行原理进行简单的介绍，并且使用直径为250微米
的金刚石线进行现场切割工艺的实验。收集实验的数据和实验的结果，分析不同的工艺参数，对晶体整体厚度偏差（TTV）产生的影响。通过改变相关的工艺参数，整体提高碳化硅晶片加工的效果。
关键词：金刚石线；线切割；碳化硅
碳化硅本身就具有热损耗低，抗辐射能力强以及高功率密度的特点，它与氮化镓的晶格适配率相对较小，所以在多种类型的半导体材料当中，碳化硅的应用范围相对较广，而且也属于最有前途的一种半导体衬底材料。对碳化硅晶片进行切割，可运用多种不同类型的切割方案，最早的多线切割设备是由钢线和砂浆组成。在进行切割的过程当中，工作人员需要将砂浆喷在钢线和加工的晶体之间。这种切割的方式可以在一定程度上减少切割的时间，并且能够对硬度更高的蓝宝石或者其他类型的碳化硅材料进行切割，新的多线切割设备得到了不断的优化以及发展，这使得金刚石切割的效率得到明显的提升。
一、设备的控制过程及原理
1.控制过程
使用金刚石多线切割机进行碳化硅晶体的切割工作，在加工生产过程中，因为收放线轮和位于两者之间传动轮与切割线之间存在摩擦力，这样就形成了切割线的张力。设备在运行期间，现场工作人员需要将线速控制在每分钟300米到580米之间。金刚石线的张力则需要控制在15N到50N之间。在进行现场切割工作一天，工作人员需要对收放线轮的力矩电机控制线的张力程度进行深入的了解，并且当线速控制为零时，反方向的速度也要控制为零，此时收放线轮的两个力矩电机就需要对金刚实现的张紧力产生维持作用，那么切割状态下的摇摆式共轭轴进给切割待切割晶体时，进给的速度可以在60~0.33mm/min之间。共轭轴通过一个步进电机控制其绕中心固定轴来产生摇摆运动，摇摆速度可以设定为:不摇摆、低速(0.014 rad/s)、中速( 0.052 rad/s)、高速(0.105 rad/s)。
2.摇摆运动
从传统切割与摇摆方式的比较中可以看出，传统线锯与目前流行的金刚石线锯从金刚石钢线运动上的差异。在传统线锯切割过程中，线与晶体的接触长度不断变化，而金刚石多线切割设备增加线的摇摆运动后，能够使金刚石线与待切割晶体的工作面之间保持恒定的和长度较小的弧接触。
3.金刚石线的受力分析
在理想的状态下，金刚石线的受力分析难度相对较低，进入到切割状态之后，应该实现与晶体为点接触。但是在实际切割的过程当中，多线切割的过程对于每一个切割区域以及每一条切割线所产生的接触点是不同的，它是长度一定的接触弧而接触弧的切割问题。
二、金刚石线切割设备应用在碳化硅的表面形成和材料去除机理
1.金刚石线切割碳化硅的表面形成机理
从表面形成机理的角度进行分析金刚石线的切割方式，对于碳化硅材料的影响极其明显，呈现着线速度越高，那么线锯往复运动周期越短的原理，而且材料的去除方式是以脆性材料去除为主，在往复运动的过程当中，线锯切割换向，不可避免出现低速切割状态。那么单体碳化硅切割表面的三维形态和粗糙度轮廓，就能很好的反映出单体碳化硅锯切表面，主要表现为周期性波纹状特征，这种周期性在碳化硅锯切表面的SEM（扫描电子显微镜）当中，只有在进入到高限速度的条件下，才可能形成在低限速的条件下，很难找到类似的周期性特征。
2.金刚石线切割碳化硅材料的材料去除机理
在金刚石线锯锯切单晶SiC的过程中，工件材料是在锯缝中被线锯上的金刚石磨粒去除的。
从锯缝底部的亚表面裂纹的结果中可以看到，锯缝底部亚表面裂纹密集，而锯缝侧面的亚表面裂纹很少。在线锯无横向振动的理想锯切条件下，工件材料在锯缝底部通过金刚石线锯上的金刚石磨粒对工件进行挤压与滑擦，将工件材料以脆性方式去除。
由于线锯截面是圆形的，在锯缝底部最低处材料去除厚度最高，在锯缝底部边界处材料去除厚度趋于0。单位长度材料去除率越低锯切比能越大。当单位长度线锯材料去除率低于某一临界值时，脆性材料可以实现塑性材料去除。在锯缝边界处，具备单晶SiC的塑性材料去除方式的条件。在锯缝底部通过材料脆性去除产生的裂纹，在形成锯缝侧面的过程中，大部分将以塑性材料去除方式去除。还有一部分裂纹由于横向长度大于线锯半径，在形成锯缝侧面的过程中被保留了下来。得到的锯切表面应该是裂纹稀少的表面。然而在线锯锯切过程中不可避免地存在线锯的横向振动，造成锯缝侧面工件材料的二次去除，在锯缝表面形成新的裂纹，扩展原有的裂纹，使工件材料以脆性材料去除方式从锯缝侧面去除，最终锯缝略大于线锯线径。
线速度越大，进给速度越小则材料去除厚度越小，在锯缝底部边界附近以塑性材料去除方式的区域越大。线速度的增大，进给速度的减小同时降低了锯切力，在锯缝底部形成的裂纹长度降低。在锯缝侧面通过原有裂纹扩展而去除的工件材料减少，在锯缝侧面留下的延性区越大。在高线速度工艺条件下观察到了单晶SiC锯切表面的延性区，而在低线速度工艺条件下难以观察到延性区的结果支持了这一观点。在金刚石线锯锯切单晶SiC的过程中，张紧力的增大导致线锯的刚度增大，线锯刚度增大导致磨粒对于工件材料的避让减小，实际切深变大，材料去除率增高，工件以脆性材料去除方式的比例增加，线锯的锯切力略微减小。
三、切割实验
使用金刚石多线切割设备，切割两块5.08 cm SiC 晶体，金刚石线直径为250μ m，切割冷却方式采用特殊冷却液。
1.切割工艺
在进行第1次切割操作时，现场工作人员需要一次性同时对两块晶体进行切割，切出11片厚度为620微米左右的晶片之后，再进行第2次切割实验，要切割一块晶体，需要切出17片，厚度在610微米左右的晶片。两次切割工作所采取的切割工艺具有明显的差异，切割速度，摇摆角度，摇摆频率以及改进速度，切割参数等多项指标之间都存在较为明显的变化，第1次切割是使用新金刚石线，第2次切割使用旧金刚石线。
2.切割工艺实验结果
介绍了金刚石多线切割设备的原理，并采用金刚石多线切割设备切割5.08cm晶圆，为了得出TTV分布均匀合理的晶圆，通过工艺实验改变线切割过程中的线速、共轭轴下降速度、摇摆角度以及摇摆角度的频率等工艺条件。同时随着切割次数的增加，金刚石线的磨损程度不断增大，切削能力逐渐减弱，因此在切割的过程中，需要适时调整工艺参数，避免断线从而造成晶圆的崩片。
结论
上文已经针对金刚石多线切割设备在碳化硅晶片切割工作当中，产生的影响以及具体的设备控制过程，控制原理，切割实验和切割实验结果等多项内容进行简单的探讨。而通过分析之后，我们可以发现它以传统的切割方式相比，具备以下三个优点分别是：①对于一些电火花切割设备所不能切割的，没有导电性能的材料，金刚石线锯设备也可以进行切割，而且它大大的缩短了切割晶体材料需花费的时间。②金刚石线切割设备可以在多槽导轮上对同一个碳化硅材料进行切割，并且达到切割出多片薄晶片的目的。③金刚石线切割的切口损耗相对较小。