改造线切割机砂浆喷布系统成功降低砷化镓衬底翘曲度

李穆朗

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300201)

0 引 言

2015年底，中国电子科技集团公司第四十六研究所(以下简称中国电科46 所)陆续突破了4 英寸SI-GaAs 衬底制备的一系列关键技术，研制的衬底顺利通过了中国电科55 所pHEMT 器件验证。当时研制的产品在单晶性能、表面质量上完全达到了进口产品的同等技术水平，但从统计数据来看，在翘曲度方面和进口产品还有一定差距。通过近两年的努力，目前中国电科46 所研制的4 英寸SI-GaAs 衬底的翘曲度大幅改善，通过对比测试与进口产品基本一致。

1 历史翘曲度差距对比情况

对比30 片中国电科46 所和进口衬底的翘曲度(Warp)，检验统计结果如图1、2 所示。

图1 46所衬底翘曲度正态性检验图Fig.1 Substrate warpage normality test chart of The 46th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

对两者进行假设检验后发现，中国电科46 所产品水平与进口产品也有明显差距，如表1 所示。

2 原理分析及试验思路

2.1 多线切割原理

多线切割方式，是以切割线作为载体带动砂浆中的磨粒进行往复移动或滚动，实现对目标材料的切削。从磨粒角度分析，整个切削过程可分为3 个状态：①磨粒在切割线压力作用下，以某一棱角切入目标材料中，使目标材料产生塑性形变，这个切入过程称为切入状态；②磨粒切入后，在切割线的所施力的作用下做横向移动，进而破坏材料原子间的力，这种过程称其为犁铧状态；③当目标材料施加在磨粒上的阻力大于切割线所施加的横向力时，磨粒会产生滚动，新的棱角切入目标材料，排除切屑，进入下一次切削过程，称为滚动状态。

真正实现切削过程的主要为切入状态和犁铧状态。在切削过程中砂浆作为磨粒的主要来源，由切削液和碳化硅微粉按一定比例混合而成流体，砂浆通过施液管喷布在切割线上，在其表面形成砂浆薄膜，因此砂浆供给必须保证均匀，从而得到均匀的薄膜，实现均匀去除。当砂浆喷布不均匀时，无法在切割线表面形成砂浆薄膜，会产生磨粒不足的现象，导致切割过程无法进入滚动状态，使切割线空载滑行，这种状态下线与目标材料间没有磨粒做相对运动，材料的阻力直接施加在线上，会直接导致切割线张力变大，并且处于不可控状态。

2.2 实验思路

U600 多线切割机自带砂浆喷淋系统为散射喷液，砂浆薄膜只能在切割线被喷射到的位置形成，无法布满切割线，因此在切削过程中切割线会出现空载滑行的状态，导致切削张力增大，进而形成较大的翘曲度。

通过改变喷布方式，使切割线上形成均匀的砂浆薄膜，保证切削过程中对目标材料去除的均匀性，避免切割线空载滑行状态的出现，从而降低切割片的翘曲度。

3 实验材料与设备

3.1 实验材料

本文实验中所用砷化镓均为VGF 法生长的N型＜100＞晶片，直径为(100±0.1)µm，来片厚度为(700±5)µm，电阻率≥5 kΩ·cm。

3.2 实验与测试设备

3.2.1 实验设备

实验使用的切削设备为安永U600 型线切割机。

3.2.2 测试设备

实验使用的测试设备为美国康宁公司生产的Autoselect 8020 几何参数测试仪，主要进行晶片表面几何参数的高精度检测，并输出三维表面形貌。

4 实验过程

4.1 实验一

利用过滤盒改造喷淋系统，变为瀑布式喷淋。

这种改造对于切割片翘曲度起到了改善作用，但是由于瀑布分布长度短，切割线前后端喷不到，切割机只能切割短棒，造成切割机使用效率低；另外为了控制砂浆流量以降低砂浆对晶片造成的冲击，降低崩边的发生，需要对砂浆喷布系统做整体改造。

4.2 实验二

①制作2 个新的喷管，安装在原有的挡板上，将左右两边的砂浆引至下方靠近钢线处，并形成瀑布。

②将部分喷管堵死，从外侧引入砂浆，并在分流处设计并增加了一套砂浆自动控制装置。改造结果如图3 所示。

图3 浆喷布系统改造总图Fig.3 General plan for the transformation of the mortar spray system

5 结果与分析

图4、图5 为系统改造实验前后翘曲度检测3D形貌图对比。

图4 优化前翘曲度3D形貌图Fig.4 Optimized front warpage 3D topography

图5 优化后翘曲度3D形貌图Fig.5 3D topography of warpage after optimization

实验前为明显的“马鞍”形，试实验后则呈“碗”形，“马鞍”形翘曲完全消失。

如图6 所示，改造试验后的产品与进口产品进行正态性检验比对，可以看出，虽然与进口产品还有细微差异，但是差异大多表现在极小值上，中国电科46所的衬底一致性略好。

与进口衬底进行假设检验比对，同样可得看出，虽然与进口衬底略有差异，但是差异较小，大多表现在个别极小值上，中国电科46 所的衬底一致性占优，见表2。

图6 改造试验后46所衬底翘曲度正态性检验图Fig.6 Normality test diagram of warpage of domestic substrate after modification test

表2 改造试验后与进口产品Warp双样本T假设检验Tab.2 Thypothesis test after the modification test of The 46th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation and the imported product Warp double sample

6 结 论

实验通过对U600 线切割机砂浆喷布系统进行改造，翘曲度方面得到明显改善，目前翘曲度水平与进口产品基本一致，且总体一致性更为优异。