電火花線切割制作低成本高品質(zhì)襯底

電火花線鋸切割（WEDM）是一種多用途、低成本的晶棒處理工藝。它的鋸痕寬較小，這意味著它比現(xiàn)有線鋸工藝?yán)速M(fèi)的材料要少得多，并且在加工過(guò)程中沒(méi)有微裂痕產(chǎn)生。在此由來(lái)自猶他大學(xué)的Dinesh Rakwal和Eberhard Bamberg如是說(shuō)。

我們研究小組對(duì)這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)引以為豪，當(dāng)然我們的工作也離不開(kāi)傳統(tǒng)的線鋸工藝，它是一種沿用了幾百年且得到持續(xù)升級(jí)的技術(shù)。

襯底制造商用線鋸技術(shù)加工GaAs、InP與SiC晶棒來(lái)獲得襯底基板，此法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高；然而它也有一些缺陷：材料浪費(fèi)嚴(yán)重，并且在這些易脆的半導(dǎo)體材料中容易產(chǎn)生微裂痕。而這些微裂痕需要附加工序才能去除掉。

幸運(yùn)的是，上述狀況可在放電線切割工藝（WEDM）技術(shù)中得以避免。該工藝由來(lái)已久，通過(guò)我們猶他大學(xué)研究小組的努力，直到較近才被運(yùn)用到半導(dǎo)體領(lǐng)域。

該非接觸工藝首先使用帶有數(shù)百伏電壓的金屬線靠近晶棒，當(dāng)間距調(diào)至若干微米時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電弧放電；能量將由金屬線傳導(dǎo)至晶棒的對(duì)應(yīng)區(qū)域，通過(guò)局部加熱效應(yīng)使其蒸發(fā)氣化，從而在晶棒上產(chǎn)生了細(xì)微的切割，可以通過(guò)不斷重復(fù)電弧放電過(guò)程以加深劃痕，較終可切割出一個(gè)圓形的薄片。

金屬線和晶棒之間的距離需要精確控制，如果二者太近就會(huì)發(fā)生短路，如果太遠(yuǎn)切割速度就會(huì)下降。還好，該間距可以通過(guò)WEDM的操作電壓來(lái)監(jiān)控；電壓降低意味著金屬線與晶棒靠得太近，這時(shí)必須降低切割速度以增大線棒間距；同樣地，電壓升高表示線距離晶棒太遠(yuǎn)，則需要更高的切割速度。

在金屬線和晶棒之間的間隙需要導(dǎo)入電解質(zhì)，例如去離子水或者油，這可以增大由金屬線產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度，以強(qiáng)化放電的集中度。而且，液體介質(zhì)也有助于帶走切割過(guò)程中產(chǎn)生的被熔化的材料。

對(duì)于考慮從傳統(tǒng)線切割轉(zhuǎn)向WEDM工藝的任一家襯底供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，他們都希望在不降低產(chǎn)品質(zhì)量的情況下提高加工效率。較大切割速度取決于被切割的材料，同時(shí)也可以通過(guò)增加放電能量來(lái)提高速度，而放電能量的決定因素又包括線棒之電壓、放電電流以及放電脈沖時(shí)間。能量太高時(shí)是通過(guò)熱沖擊而不是非熔融去除材料，所以會(huì)產(chǎn)生微裂痕。對(duì)鍺而言，我們的結(jié)論是：為避免微裂紋的產(chǎn)生，放電能量要小于0.111mJ。

晶棒的電導(dǎo)率也極大地影響了WEDM的切割速度。高電阻降低了金屬線和晶棒之間的電流，從而減小了融化半導(dǎo)體材料的脈沖能量并較終降低了切割效率。電阻率為0.01Ω cm的材料（例如鍺摻雜濃度1×1018cm–3）相對(duì)容易，然而當(dāng)電阻率提高到1Ωcm時(shí)切割速度難免會(huì)降低。電阻率是20Ωcm時(shí)（出現(xiàn)在光學(xué)級(jí)的非摻雜鍺中，用于紅外衍射光柵）切割速度很低，但是我們正致力于采用高電壓脈沖發(fā)生器來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。

全文請(qǐng)參看《半導(dǎo)體科技》之“化合物半導(dǎo)體”專欄：“電火花線切割制作低成本高品質(zhì)襯底”

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