金刚石线切割碳化硅晶碇

碳化硅系列第33篇

如果感觉文章很长

那是我们要走很远

碳化硅晶碇是运用金刚石线切割机切割成晶片的。金刚石线切割机广泛用于切割各种金属和非金属复合材料，特别适用于切割高硬度、高价值、易破碎的各种脆性晶体。

金刚石线切割机的切割原理与弓锯相仿，主要分为四个部分：

金刚线作为弓锯的锯条；

两个弹簧或者气动的线轮用于张紧金刚线；

两个导向轮用于确保切割的精度和面型；

高速旋转并往复回转的绕丝筒用于带动金刚线做往复运动。

金刚石线在固定的晶体上做往复运动，由此切割。

与金刚石刀具一样，金刚石线并不是简单的一条金刚石。金刚石线是在高碳钢丝的基础上进行一定的处理，由此在表面形成金刚石锯齿。现在主流的还是引入金刚石颗粒，不是直接表面合成金刚石。通过表面处理方法的不同，金刚线有如下四种：

电镀金刚线：通过电镀在高碳钢丝上固定Ni、金刚石颗粒；

树脂金刚线：通过加热酚醛类树脂及添加剂在高碳钢丝上固定金刚石颗粒；

镶嵌金刚线：通过滚压的形式在高碳钢丝上固定金刚石颗粒；

钎焊金刚线：通过合金钎焊在高碳钢丝上固定金刚石颗粒。

国内电镀法金刚线、树脂法金刚线技术较为成熟，而镶嵌法金刚线、钎焊法金刚线还处于研发阶段。树脂金刚线能够得到比电镀金刚线更好的表面，只是加工速度要慢。

表面对比如图所示：

对比电火花线切割机

电火花线切割机加工的材料需要能够导电。当加工的材料不导电而需要采用线切割的加工方式时，金刚线切割机便开始显现其加工优势，其可对导电和不导电材料进行切割加工，只要硬度比金刚石线小。

对比砂浆切割

金刚线切割可以从砂浆切割改造而来。

金刚线切割和砂浆切割的基本区别在于，金刚线切割是线上固定的金刚石锯齿切割的，而砂浆切割是砂浆内的碳化硅颗粒或者金刚石颗粒在线的挤压下，进行研磨切割的。因为砂浆具有流动性，所以切痕往往更大，且切面质量较差。

对比激光切割

激光切割碳化硅的方案为激光改质切割技术。其原理为使用高透过波长的激光束通过透镜聚焦在晶圆内部，发生多光子吸收，产生局部形变层即改质层，该层主要是由孔洞、高位错密度层以及裂纹组成。改质层是后续晶圆切割龟裂的起始点，可通过优化激光和光路系统使改质层限定在晶圆内部，对晶圆表面和底面不产生热损伤，再借用外力将裂纹引导至晶圆表面和底面进而将晶圆分离成需要的尺寸。

但是，激光改质切割要求样品厚度小，适用于晶圆加工，而晶锭还是使用金刚石线切割。传统的晶圆切割通常使用刀轮，刀轮切割主要通过其稳定、高速的旋转对晶圆进行磨削，切割过程中需要使用冷却液降低温度和带走碎屑。对于晶圆来说，激光改质切割替代了刀轮切割。激光改质切割不需要冷却液，不会产生粉尘，切痕小，速度能达到1000 mm/s，且不需要刀片耗材，激光寿命达到3万小时，且调试时间小于10 min。具体的切割效率以4 inch的360 um碳化硅，die 2×2 mm为例，仅需要5 min。

为了获得想要的低缺陷4H-SiC，SiC晶圆通常需要以4°偏轴在籽晶上进行晶锭生长。因此，在激光改质切割垂直晶圆平边的方向时，裂纹会与C面轴向[0001]产生4°偏角。使用普通激光切割设备进行切割时，4°的偏角会使材料裂开变得困难，从而使得最终该方向产生严重崩边（chipping）和切割痕迹蜿蜒（meandering）。需要对激光器的方向及能量进行更加细致的控制。

激光和刀具切割可以结合，形成微激光辅助精密切削。利用激光热软化工件表面，由此可以切的更容易、切的更好。美国Micro-Lam公司现在该加工工艺适用于红外晶体、硬质合金、不锈钢、玻璃等材料超精密加工。

参考文献

百度百科-金刚石线切割机

金刚线切割呈井喷式发展，专用机和改造机谁能更胜一筹？

https://www.sohu.com/a/211119519_703050

金刚线切割介绍 开封恒瑞新金刚石制品 马进东

https://wenku.baidu.com/view/cd18390d70fe910ef12d2af90242a8956aecaa51.html

会员风采 | 大族激光：第三代半导体SIC晶圆的激光内部改质切割技术

https://mp.weixin.qq.com/s/CzRKG3UgmvDF-MccpckCOQ

半导体Si、SiC晶圆激光改质切割工艺技术方案

https://www.sohu.com/a/305655552_820431

MEMS晶圆切割方法—激光隐形切割

https://www.laserfair.com/news/202005/19/76013.html

大族激光-划片与裂片设备-采用1064nm、532nm波长超快激光器

https://www.hanslaser.com/product/laser-cutting/scribensplit-mach

直播回顾 | 【图文实录】激光技术在第三代半导体领域的应用微激光辅助单点金刚石精密切削（内含视频）

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