半导体切割用绿碳化硅

1. 绿碳化硅的基本特性

绿碳化硅（化学式 SiC）是碳化硅的一种纯度高（通常≥99%）的变体。与黑碳化硅相比，它更硬、更脆、纯度更高。

• •

  ​​极高的硬度​​：莫氏硬度约为 9.5，仅次于金刚石和立方氮化硼（CBN）。这使其能够有效地切削和磨削硬脆材料。

• •

  ​​高脆性​​：在微观下，它的颗粒具有锋利的棱角，在受力时容易碎裂，从而在切割过程中不断产生新的锋利切削刃（称为“自锐性”），保持高效的切割效率。

• •

  ​​高导热性​​：有助于在切割过程中散发热量，减少热应力对硅片的影响。

• •

  ​​化学稳定性​​：在常温下不与酸、碱反应，保证了切割过程的纯净，避免污染硅材料。

2. 为什么选择绿碳化硅进行半导体切割？

半导体切割，特别是​​硅锭的切片​​，对材料有极其苛刻的要求：

1. 1.

   ​​切割对象极硬​​：单晶硅锭虽然脆，但硬度很高（莫氏硬度约 6.5）。需要更硬的磨料才能进行有效切割。

2. 2.

   ​​要求极高的精度和表面质量​​：切割后的硅片需要极薄的厚度（如100-200μm）、极小的翘曲度（Warp）和弯曲度（Bow），以及可控的表面损伤层（Subsurface Damage Layer）。绿碳化硅锋利的刃口可以实现相对精细的切削。

3. 3.

   ​​成本效益​​：虽然金刚石是更硬的材料，但其成本远高于绿碳化硅。对于硅材料的切割，绿碳化硅在硬度、效率和成本之间取得了最佳平衡。

因此，绿碳化硅成为了​​传统砂浆切割技术​​中不可替代的磨料。

3. 具体应用形式：游离磨料砂浆切割

绿碳化硅在半导体切割中最经典和曾经主流的应用是作为​​游离磨料​​，参与​​线切割​​过程。这种技术被称为 ​​“砂浆切割”​​ （Slurry Wire Sawing）。

​​工作原理：​​

1. 1.

   一根极细的、高速运动的金属线（通常为钢琴线）被缠绕在导轮上，形成一张密集的线网。

2. 2.

   将绿碳化硅微粉（粒度通常在5-20μm之间）与聚乙二醇（PEG）等切削液混合，制成粘稠的​​砂浆​​（Slurry）。

3. 3.

   砂浆被持续泵送到这根移动的线网上。

4. 4.

   线网携带砂浆进入正在进给的硅锭中。

5. 5.

   在巨大的压力下，附着在钢丝上的绿碳化硅微粉颗粒对硅锭进行​​滚压、刮擦和切削​​，如同无数把微小的“牙齿”，一点点地将硅材料磨削掉，最终将整根硅锭同时切成数百片薄片。

4. 当前技术演变：金刚线切割的崛起与绿碳化硅的挑战

近年来，半导体和光伏行业的技术发生了重大变革：​​金刚线切割​​（Diamond Wire Sawing）正在迅速取代传统的砂浆切割。

• •

  ​​金刚线切割​​：将金刚石微粉（比绿碳化硅更硬）通过电镀或树脂结合的方式，​​牢固地固定​​在切割钢丝上。

• •

  ​​优势​​：

  • •

    ​​切割速度极快​​：是砂浆切割的3-5倍，大大提升生产效率。

  • •

    ​​更环保​​：不再使用大量的PEG切削液和SiC粉料，废弃物更少。

  • •

    ​​切片质量更高​​：线径更细，出片率更高（更薄的切片意味着每公斤硅锭能切出更多片），表面损伤层一致性更好。

  • •

    ​​综合成本更低​​：虽然金刚线本身更贵，但因其速度快、耗材少、出片率高，总体成本显著下降。