電火花線切割制作低成本高品質襯底

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，這意味著它比現有線鋸工藝浪費的材料要少得多，并且在加工過程中沒有微裂痕產生。在此由來自猶他大學的Dinesh Rakwal和Eberhard Bamberg如是說。

我們研究小組對這項先進的技術引以為豪，當然我們的工作也離不開傳統的線鋸工藝，它是一種沿用了幾百年且得到持續升級的技術。

襯底制造商用線鋸技術加工GaAs、InP與SiC晶棒來獲得襯底基板，此法工藝簡單，生產效率高；然而它也有一些缺陷：材料浪費嚴重，并且在這些易脆的半導體材料中容易產生微裂痕。而這些微裂痕需要附加工序才能去除掉。

幸運的是，上述狀況可在放電線切割工藝（WEDM）技術中得以避免。該工藝由來已久，通過我們猶他大學研究小組的努力，直到較近才被運用到半導體領域。

該非接觸工藝首先使用帶有數百伏電壓的金屬線靠近晶棒，當間距調至若干微米時，會產生電弧放電；能量將由金屬線傳導至晶棒的對應區域，通過局部加熱效應使其蒸發氣化，從而在晶棒上產生了細微的切割，可以通過不斷重復電弧放電過程以加深劃痕，較終可切割出一個圓形的薄片。

金屬線和晶棒之間的距離需要精確控制，如果二者太近就會發生短路，如果太遠切割速度就會下降。還好，該間距可以通過WEDM的操作電壓來監控；電壓降低意味著金屬線與晶棒靠得太近，這時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，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入電解質，例如去離子水或者油，這可以增大由金屬線產生的電場強度，以強化放電的集中度。而且，液體介質也有助于帶走切割過程中產生的被熔化的材料。

對于考慮從傳統線切割轉向WEDM工藝的任一家襯底供應商來說，他們都希望在不降低產品質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，同時也可以通過增加放電能量來提高速度，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間。能量太高時是通過熱沖擊而不是非熔融去除材料，所以會產生微裂痕。對鍺而言，我們的結論是：為避免微裂紋的產生，放電能量要小于0.111mJ。

晶棒的電導率也極大地影響了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）相對容易，然而當電阻率提高到1Ωcm時切割速度難免會降低。電阻率是20Ωcm時（出現在光學級的非摻雜鍺中，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生器來應對這一問題。

全文請參看《半導體科技》之“化合物半導體”專欄：“電火花線切割制作低成本高品質襯底”

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