隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展，碳化硅（SiC）以其高擊穿電場(chǎng)、優(yōu)異電子飽和速度和出色熱導(dǎo)率，已成為高溫、高頻、高功率電子器件的核心襯底材料。然而，隨著SiC晶圓向12英寸大尺寸演進(jìn)，金剛石線(xiàn)切割作為主流切片技術(shù)雖顯著提升了切割效率和產(chǎn)能，但高速切割過(guò)程引入的表面粗糙度增加、線(xiàn)痕深度加劇及亞表面損傷（SSD）問(wèn)題日益突出，直接導(dǎo)致后續(xù)拋光去除量增大、材料利用率下降，并影響器件電學(xué)性能。優(yōu)化切割工藝參數(shù)、降低表面損傷已成為實(shí)現(xiàn)大尺寸SiC晶圓高良率、低成本制造的關(guān)鍵瓶頸。
近日，山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)12英寸4H-SiC晶圓金剛石線(xiàn)切割過(guò)程中的表面損傷開(kāi)展了系統(tǒng)研究，通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化顯著降低了切割誘導(dǎo)損傷，為大尺寸SiC晶圓高效低損傷切片提供了實(shí)用技術(shù)路徑。研究成果以“Study on Surface Damage of 12-Inch Silicon Carbide Wafers During Diamond Wire Cutting”為題，發(fā)表于2025年IEEE固態(tài)照明與中國(guó)國(guó)際論壇暨寬禁帶半導(dǎo)體國(guó)際論壇。
研究發(fā)現(xiàn)在高線(xiàn)速（2600～2800 m/min）條件下，C面粗糙度（約100 nm）和線(xiàn)痕深度顯著高于Si面（粗糙度大多低于90 nm），主要源于C面以塑性變形主導(dǎo)的累積損傷機(jī)制（高速磨粒犁耕擠壓形成塑性層，碎屑二次劃傷甚至引發(fā)局部塑-脆轉(zhuǎn)變），而Si面損傷以細(xì)小隨機(jī)脆性斷裂為主；兩面中心區(qū)域因漿料流動(dòng)受限和碎屑堆積，損傷均更嚴(yán)重。形貌分析顯示Si面以細(xì)密切割條紋和均勻小尺度剝落為主（Z向起伏±0.4 μm），C面則呈現(xiàn)大面積塑性剝落坑和明顯周期性起伏（Z向起伏±0.7 μm）。通過(guò)降低10%進(jìn)給速度的優(yōu)化工藝，所有測(cè)量點(diǎn)粗糙度和線(xiàn)痕深度均顯著下降，Si面脆性裂紋深度有效抑制，C面塑性變形層厚度明顯減小，表面更平滑均勻。
上述結(jié)果表明，在高線(xiàn)速金剛石線(xiàn)切割條件下，通過(guò)合理調(diào)控工作臺(tái)進(jìn)給速度，可在基本保持產(chǎn)能的前提下大幅提升12英寸4H-SiC晶圓表面完整性，減少后續(xù)拋光材料去除量，提高制造良率和材料利用效率。該研究揭示了冷卻液動(dòng)力學(xué)與斷裂模式轉(zhuǎn)變的主導(dǎo)作用，為工業(yè)規(guī)模大尺寸SiC晶圓低損傷切片提供了科學(xué)指導(dǎo)和實(shí)用優(yōu)化策略，在高功率半導(dǎo)體制造領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
圖文導(dǎo)讀
圖1. 白光干涉測(cè)量在C面上的測(cè)量位置示意圖。
圖2. (a) 硅面和碳面沿進(jìn)料方向的粗糙度分布；(b) 硅面和碳面沿水平方向的粗糙度分布。
