中國粉體網訊 碳化硅單晶材料以其優良的性質，可以實現半導體照明，提高光存儲密度，改善裝備性能，具有廣泛的應用領域及廣闊的應用前景。依據器件的使用，要求碳化硅單晶拋光片要有高的表面質量：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。晶片加工技術是器件生產的重要基礎和基本保證，任何具有優異特性的材料只有在成功有效的晶片加工技術的支持下才發揮最大的價值，即便有高質量的碳化硅單晶，若沒有相匹配的加工技術和手段也無法實用化。碳化硅材料加工質量和精度的優劣，直接影響到其器件的性能，比如當晶片表面有微小缺陷時，會遺傳給外延生長膜而成為器件的致命缺陷。依據應用需要，碳化硅單晶拋光片加工技術已成為我們必須解決的重要問題。
對于該材料的加工難度十分大，主要體現在：
(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，碳化硅材料是新一代半導體材料，大量的問題尚未被發現，機理研究十分欠缺;
(4)加工設備相對落后，加工設備是材料超精密加工的基礎，先進的自動化程度高的關鍵加工設備多數從國外進口，國內對加工設備的研究比較落后，特別是在設備設計、制造觀念，加工精度、設備材質等方面與國外存在極大的差距。
碳化硅材料有其他半導體材料無可比擬的優勢，從表1的對比可以看出碳化硅材料工作溫度、擊穿電場強度、熱導率等技術參數明顯高于Si、GaAs等半導體材料。
對于碳化硅材料加工技術，晶體切割是十分關鍵的環節，對晶片質量起決定性作用。目前，國內主要依靠自身技術力量來解決碳化硅單晶拋光片的需求問題，盡快提高碳化硅晶體拋光片的幾何參數和表面質量，實現碳化硅晶體拋光片的實用化，對我國碳化硅基新型電子元器件的發展意義重大。
1實驗
晶體切割工藝是碳化硅單晶材料加工過程中 關鍵工藝之一，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，主要是由切片工藝引起的。若切片的TTV和Warp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。碳化硅單晶切割的實驗設備：StruersAccu-tom-50型外圓切割機(如圖1所示);主要原材料：碳化硅單晶、金剛石刀片。通過工藝實驗，進一步分析各工藝條件對切割質量的影響，確定最佳切割工藝條件。
2 結果與討論
2.1晶體推進方式的選擇
在切割工藝中，晶體的推進方式主要分為平推、擺動、旋轉三種方式，對于具有高硬度、高耐磨特性的碳化硅晶體來說，選擇合適、合理的晶體推進方式至關重要，因為這將直接影響單晶切割的成敗與質量。
2.1.1平推方式
傳統的半導體材料如硅、鍺等在使用外圓或內圓切割時均采用平推方式，該方式比較簡單，傳動系統相對比較穩定。此類材料與碳化硅材料相比，雖然都屬于硬脆材料，但硬度相差很大，不在同一數量級。依據碳化硅單晶固有的特性，采用平推方式切割存在一定的弊端：
(1)切割刀片是圓形，在切割開始時刀片與晶體的接觸為一點，隨著切割的深入，切割面逐漸成為弧線，這樣導致切割阻力增加，切割刀片的負載加大;另外，隨刀片切割進程的增加，刀片的冷卻和潤滑十分困難，使得刀片溫度增加，可能導致切割失敗;
(2)切割直徑與刀片的直徑有直接關系，當采用平推方式時切割直徑小于刀片半徑，特別是到切割后期，刀片幾乎全部沒入晶體內，刀片的徑跳、端跳等現象會相對“放大”容易造成晶片損傷，直接影響加工質量。
2.1.2擺動方式
該方式是在設定角度下往復旋轉，旋轉角度一般在5°~20°之間。采用該方式切割時，與平推方式相比，增加了旋轉，切割阻力相對減小，但在切割后期刀片的徑跳、端跳控制及冷卻和潤滑都十分困難，切割難度增加。
2.1.3旋轉方式
采用該方式切割時將晶體與刀片保持逆向旋轉，使切割始終保持在一個“點”上進行，這樣可使切割阻力減小;另外，旋轉切割可使切割直徑增大1倍，因為在采用旋轉方式時切割點逐漸向晶體中心靠攏，最后結束在晶體中心部分，也就是說進刀量在保持晶體半徑長度時就可以切割出一片晶片。采用該方式既可以提高加工效率，又能夠延長刀具壽命，保證切割的順利進行。通過以上三種方式的比較，對于碳化硅這種高硬度的特殊晶體，采用旋轉方式切割最為科學合理。
2.2刀片轉速控制
在切割過程中，切割刀片轉速的控制十分重要，通過理論和工藝試驗結果分析可知：轉速過低時，切割效率低，極易造成切割表面損傷，使得切割表面質量差;轉速過高時，切割效率高，在切割初期切割表面質量好，但切割后期表面質量逐漸變差。通過分析可知，當刀片轉速過高時，對刀片質量要求也十分高，因為切割時刀片損毀速度過快，當刀片質量與切割轉速不相匹配時就造成了晶片的表面質量和幾何參數的下降，因此選擇合適的切割轉速對切割質量和切割的成敗至關重要。試驗數據如圖2所示，通過試驗我們選擇切割轉速在2400~2800r/min范圍內，在這個范圍內晶片的切割質量較好。
2.3切割速度對晶片幾何參數的影響
切割速度的快慢直接影響晶片TTV、Bow指標的好壞。切割速度理論上越快效率越高。但若切割速度過快，會產生刀片彎曲，從而影響切割片的幾何參數。另外，如果切割速度太快將會造成刀片過度磨損，最終影響切割片的質量。因此，針對硬度過高的碳化硅晶體，切割進給速度應保持在相對低的水平上，切割質量反而會提高。通過工藝試驗得出切割速率與TTV及刀片使用壽命關系圖，如圖3所示，結果表明，切割速度在8μm/s以下時， 晶片的TTV會下降到20μm以下，刀片壽命也會延長到4h左右。
3結論
碳化硅晶體硬度很大，傳統的切割方法、切割設備、 切割刀具以及切割工藝參數不能適應，通過工藝研究確定最佳的工藝。在碳化硅晶體切割時，刀片轉速、 切割速度是最主要的工藝參數，它們將直接影響切割晶片的表面質量，通過工藝實驗研究確定切割轉速：2400~2800r/min，切割速度小于8μm/s。
