光电工程师社区

标题: 电火花线切割制作低成本高品质衬底 [打印本页]

作者: zfw 时间: 2010-12-10 16:08
标题: 电火花线切割制作低成本高品质衬底

电火花切割工艺是用高拉伸强度的金属线（例如钼），通过电火花进行局部加热和蒸发气化的方法来去除材料。

电火花线锯切割（WEDM）是一种多用途、低成本的晶棒处理工艺。它的锯痕宽较小，这意味着它比现有线锯工艺浪费的材料要少得多，并且在加工过程中没有微裂痕产生。在此由来自犹他大学的Dinesh Rakwal和Eberhard Bamberg如是说。

我们研究小组对这项先进的技术引以为豪，当然我们的工作也离不开传统的线锯工艺，它是一种沿用了几百年且得到持续升级的技术。

衬底制造商用线锯技术加工GaAs、InP与SiC晶棒来获得衬底基板，此法工艺简单，生产效率高；然而它也有一些缺陷：材料浪费严重，并且在这些易脆的半导体材料中容易产生微裂痕。而这些微裂痕需要附加工序才能去除掉。

幸运的是，上述状况可在放电线切割工艺（WEDM）技术中得以避免。该工艺由来已久，通过我们犹他大学研究小组的努力，直到最近才被运用到半导体领域。

该非接触工艺首先使用带有数百伏电压的金属线靠近晶棒，当间距调至若干微米时，会产生电弧放电；能量将由金属线传导至晶棒的对应区域，通过局部加热效应使其蒸发气化，从而在晶棒上产生了细微的切割，可以通过不断重复电弧放电过程以加深划痕，最终可切割出一个圆形的薄片。

WEDM是一种应用领域很广泛的半导体材料加工技术。可应用到衬底划切（a）、晶棒定形（b）以及自由加工（c）。犹他大学的研究人员也利用WEDM对Si材料进行三维微加工（d），并借助硅材料成功制备了一个12×12的微小针状阵列。该阵列间距为400μm，每个针状长9mm、截面大小是120×120μm。该阵列可产生电信号，用以模拟人脑的神经中枢，达到诊断和治疗的目的。

金属线和晶棒之间的距离需要精确控制，如果二者太近就会发生短路，如果太远切割速度就会下降。还好，该间距可以通过WEDM的操作电压来监控；电压降低意味着金属线与晶棒靠得太近，这时必须降低切割速度以增大线棒间距；同样地，电压升高表示线距离晶棒太远，则需要更高的切割速度。

在金属线和晶棒之间的间隙需要导入电解质，例如去离子水或者油，这可以增大由金属线产生的电场强度，以强化放电的集中度。而且，液体介质也有助于带走切割过程中产生的被熔化的材料。

对于考虑从传统线切割转向WEDM工艺的任一家衬底供应商来说，他们都希望在不降低产品质量的情况下提高加工效率。最大切割速度取决于被切割的材料，同时也可以通过增加放电能量来提高速度，而放电能量的决定因素又包括线棒之电压、放电电流以及放电脉冲时间。能量太高时是通过热冲击而不是非熔融去除材料，所以会产生微裂痕。对锗而言，我们的结论是：为避免微裂纹的产生，放电能量要小于0.111mJ。

晶棒的电导率也极大地影响了WEDM的切割速度。高电阻降低了金属线和晶棒之间的电流，从而减小了融化半导体材料的脉冲能量并最终降低了切割效率。电阻率为0.01Ω cm的材料（例如锗掺杂浓度1×1018cm–3）相对容易，然而当电阻率提高到1Ωcm时切割速度难免会降低。电阻率是20Ωcm时（出现在光学级的非掺杂锗中，用于红外衍射光栅）切割速度很低，但是我们正致力于采用高电压脉冲发生器来应对这一问题。

电流的大小也受限于由半导体材料和金属线的接触所构成的闭环电阻，通过在半导体表面上做金属涂层可以降低电阻率，从而获取更快的加工速度。

相比线切割而言WEDM的优点之一是材料利用更加充分，这是通过降低切割间隙（即单次切割被去除的材料宽度）来实现的。对于锗，传统线锯的间隙有 200-250μm，这比WEDM工艺中最小间隙宽度的两倍还要多。在WEDM中，间隙宽度决定于金属线的直径和放电能量。当脉冲放电能量是 0.111mJ的时候，100μm、75μm和50μm宽金属线所对应的间隙宽度分别为138μm、118μm、94μm（图1）。在锗片工艺中，该宽度意味着有24%-32%的材料被浪费掉，而线锯浪费了40%-45%。针对薄膜衬底，WEDM方法更具优势，可降低材料的耗损、节约成本。

图1. 因为锯痕宽度较窄，大大地减少了材料的浪费，WEDM加工锗晶棒的效率远高于传统线锯。

WEDM技术也有一个负面特点，即在衬底表面“再铸（recast layer）”了一层包含了晶棒和电介质成份的薄膜（图2）。在进行下一步工艺之前该层薄膜需要去除，可以用酸腐蚀掉。我们发现在锗表面再铸层厚度为 7-8μm，使用60%的醋酸、25%硝酸和15%的氢氟酸混合剂，即可在10秒内去除。

图2. WEDM在加工表面形成了再铸薄膜层，但可以用化学刻蚀方法去除。

WEDM的另一个应用是晶棒定形，包括加工衬底基板的定位边，要去除的是一大块材料，约占整个晶棒的13%-15%，但在腐蚀清洗之后可放回炉中。而作为传统的标准晶棒定形技术，外圆磨削工艺在材料中会产生微裂痕，这点比WEDM方法稍逊一筹。因为磨削工艺效率较低，且产生了被研磨盘和研磨液污染的粉尘，不容易回炉回收利用。

WEDM具有多种用途，它也可应用到器件工艺中，例如通过划片、裂片从晶圆上获取器件。在处理厚的晶圆片和复杂形状时，传统的工艺总要克服重重困难，而WEDM对任何形状的器件都可随心应手。和激光加工不同，WEDM可以加工不同厚度的晶圆而不会影响边缘的形状和质量。

参考文献
D Rakwal et al. 2008 Journal of Materials Processing
Technology doi:10.1016/j.jmatprotec.2008.08.027.

作者简介：
Dinesh Rakwal（左）是犹他大学机械工程系的博士生，他专注于p掺杂锗和硅材料的电火花线锯加工研究。该系的副教授Eberhard Bamberg（右）是精密设计实验室的主任，他的研究领域主要是半导体的精密机械设计和非传统制造技术。

作者: chenchenchen 时间: 2011-1-10 12:09
不错,学习了

作者: chyc1221 时间: 2011-1-13 22:22
谢谢分享
学习了a !

作者: gxp320 时间: 2011-1-15 22:07
必须

作者: myspic 时间: 2011-1-20 09:50
几年前就听说了,不知现在有没有实际应用

作者: wu4laohu 时间: 2011-3-8 17:12
顶一下，不错不错....

作者: xihangyl 时间: 2011-3-15 19:53

作者: dlzhlq 时间: 2011-3-15 20:23
大哥，这个切割方法很多年前都被应用到数控机床上了，数控的线切割用的就是这个，但是这个方法必须要切割的材料导电，蓝宝石衬底是不行的

作者: 十二阿哥 时间: 2011-3-22 07:50

作者: emorson 时间: 2011-3-26 08:53

作者: emorson 时间: 2011-3-30 14:52

作者: wddbbddb 时间: 2011-4-5 22:27
have a look
tks a lot

作者: kaifaer 时间: 2011-4-28 15:22

dlzhlq 发表于 2011-3-15 20:23
大哥，这个切割方法很多年前都被应用到数控机床上了，数控的线切割用的就是这个，但是这个方法必须要切割的 ...

很好,学习一下.
对蓝宝石衬底,听说有激光切割.

作者: krylov 时间: 2011-5-3 17:24

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)