CN100348391C - 大直径SiC单晶的切割方法 - Google Patents

Abstract

大直径SiC单晶的切割方法，属于晶体材料加工技术领域。使用线切割机，采用直径为150μm至450μm、外层镀有金刚石颗粒的金刚石切割线，利用金刚石切割线的高速往复运动，实现对大直径SiC单晶棒的切割。本发明具有以下优点：1、可实现直径不小于2英寸的SiC单晶的连续切割；2、由于金刚石线线径小，因此刀缝损失小，刀痕浅，对晶片造成的损伤小，而且可以切出最小厚度达200μm的晶片，极大地节省了成本；3、切割出的晶片翘曲度小，厚度均匀性好，给后续的工艺提供了方便；4、工艺简单，操作方便，自动化程度高，切割精度高。

Description

大直径SiC单晶的切割方法

一、技术领域

本发明涉及一种大尺寸碳化硅(SiC)单晶的切割方法，属于晶体材料加工技术领域。

二、背景技术

SiC是继硅(Si)、砷化镓(GaAs)之后发展起来的重要的第三代半导体材料，具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和迁移速度等特点，在高温、高频、大功率、微电子器件等方面具有巨大的应用潜力。

生长出高质量的大直径SiC单晶后，要将晶棒切割成晶片，经过磨抛加工，制备成表面无缺陷、无损伤、超光滑的厚度在0.2～0.3mm的衬底，然后在其上经过外延生长或其他半导体器件工艺，制备成高性能的半导体器件。衬底表面质量和精度的优劣，将直接影响到其器件的性能。因此在加工过程中必须达到以后工序要求的平整度、平行度等要求，最大限度减少晶片损伤层。

切片是SiC单晶由晶棒变成晶片的一个重要步骤，这一工序决定了晶片在以后工序中翘曲度大小，同时此晶片的厚度对以后工序的效率如晶面研磨、抛光等都有决定性的影响。而且SiC晶片是一种非常昂贵的材料，目前国际市场上的价格一般在1000美金以上，因此加工过程中提高切割效率，减少损失，提高材料利用率是非常重要的。总之，对SiC单晶切割的要求是：切片翘曲度小、厚度均匀、刀缝损失小。但是，由于SiC的莫氏硬度为9.2，硬度仅次于金刚石，而且化学稳定性好，常温下几乎不与其它物质反应，故SiC的加工难度很大，已经成为SiC单晶广泛应用所必须解决的重要问题之一。

晶体切片的常规方法包括内、外圆切割法和线切割法。内、外圆切割法是利用边缘镶有金刚石的金属锯片来切割晶棒的。由于锯片相当薄，在此切割过程中任何锯片上的变形都会导致所切晶片外形尺寸上的缺陷，该方法只能用来切割小尺寸比如1英寸的SiC单晶，单晶直径增大后，切割过程中必须更换锯片，很容易造成晶片破裂，同时该方法要求晶片厚度应在2mm以上，小于2mm晶片易开裂，造成很大材料浪费。但是作为氮化镓衬底基片的碳化硅，要求其切割厚度在0.7mm以下。如果用内、外圆切割法，多余的1.3mm左右的碳化硅只能靠研磨减薄，而减薄碳化硅需要大量的工时和使用昂贵的金刚石磨料，这不但降低了工作效率，还极大地浪费了材料，增加了成本。如果切割大直径(直径不小于2英寸)的SiC晶体，随着切割深度的增加，锯片上的金刚石磨损严重，锯片容易变形，切削能力不断下降，往往在切一片2英寸的SiC单晶时要多次换刀片。因此内、外圆切割方法，工艺繁琐，成本高，不适用于大直径SiC单晶的切割。常规的线切割一般是用来切割导电金属的，其原理是电极丝和工件之间进行脉冲放电，产生高温，使金属熔化，从而达到切割的目的。但SiC是硬度很高的半导体材料，常规的切割线也不适于切割SiC单晶。

三、发明内容

本发明针对现有切割大直径SiC单晶方法的不足，采用一种具有切割操作简便、切割翘曲度小、刀缝损失小、厚度均匀性好的大直径SiC单晶的切割方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种大直径SiC单晶的切割方法，使用线切割机，采用直径为150μm至450μm、外层镀有金刚石颗粒的金刚石切割线，利用金刚石切割线的高速往复运动，实现对大直径SiC单晶棒的切割。

大直径SiC单晶的具体切割步骤如下：

(1)调整水平：操作前首先调整切割机处于水平状态；

(2)绕线：将金刚石切割线装到绕线轮上，然后绕过张紧轮和导线轮，使通过绕线轮、张紧轮、导线轮的金刚石线在同一个平面上，并使线上张力均匀分布；

(3)安装待切割SiC晶体：将待切割的SiC单晶棒粘接在专用底座上，调整好切割方向和范围后将底座固定在工件台上；

(4)确定参数：确定晶片厚度和切片速度；

(5)切割：当SiC单晶棒切完一片后，线锯自动提起，回到初始位置，然后工作台移动到切割第二片的位置，开始切割第二片；如此反复直至按照预先设计的切割片数切完为止；

(6)程序结束，取片。

在切片过程中，切片速度随着SiC晶体上切口长度的变化而改变，平均速度为0.001～0.005mm/s。

利用该技术切割出的SiC晶片的最小厚度可以达到200μm，翘曲度小于30μm，厚度不均匀度TTV(Total Thickness Variation)小于20μm。

本发明具有以下优点：

1、可实现直径不小于2英寸的SiC单晶的连续切割；

2、由于金刚石线线径小，因此刀缝损失小，刀痕浅，对晶片造成的损伤小，而且可以切出最小厚度达200μm的晶片，极大地节省了成本；

3、切割出的晶片翘曲度小，厚度均匀性好，给后续的工艺提供了方便；

4、工艺简单，操作方便，自动化程度高，切割精度高。

四具体实施方式：

实施例1：

一种大直径SiC单晶的切割方法，使用美国生产的RTS440线切割机，采用直径为250μm的金刚石切割线，其刀缝宽度为275μm，利用金刚石切割线的高速往复运动，实现对直径为2英寸，厚度为15mm的SiC单晶棒的切割。

具体切割步骤如下：

(1)调整水平：操作前首先调整切割机处于水平状态；

(2)绕线：将金刚石切割线装到绕线轮上，然后绕过张紧轮和导线轮，使通过绕线轮、张紧轮、导线轮的金刚石线在同一个平面上，并使线上张力均匀分布；

(3)安装待切割SiC晶体：将待切割的SiC单晶棒粘接在专用底座上，调整好切割方向和范围后将底座固定在工件台上；

(4)确定参数：确定晶片厚度和切片速度；

(5)切割：当SiC单晶棒切完一片后，线锯自动提起，回到初始位置，然后工作台移动到切割第二片的位置，开始切割第二片；如此反复直至按照预先设计的切割片数切完为止；

(6)程序结束，取片。

单晶的平均切片速度为0.001～0.005mm/s，共可以切割15片厚度为0.7mm的SiC晶片，每片的翘曲度小于30μm，厚度不均匀度TTV小于25μm。

实施例2：

切割方法、具体切割步骤与平均切片速度同实施例1，使用线径为450μm的金刚石线切割厚度为15mm的SiC单晶棒，其刀缝宽度为475μm，可以切割12片0.7mm厚的SiC晶片，每片的翘曲度小于30μm，厚度不均匀度TTV小于25μm。

实施例3：

切割方法、具体切割步骤与平均切片速度同实施例1，使用线径为150μm的金刚石线切割厚度为15mm的SiC单晶棒，其刀缝宽度为175μm，可以切割17片0.7mm厚的SiC晶片，每片的翘曲度小于30μm，厚度不均匀度TTV小于25μm。

Claims (1)

1、一种大直径SiC单晶的切割方法，其特征在于，使用美国生产的RTS440线切割机，采用直径为150μm至450μm、外层镀有金刚石颗粒的金刚石切割线，利用金刚石切割线的高速往复运动，实现对直径不小于2英寸的SiC单晶棒的切割，具体切割步骤如下：

(1)调整水平：操作前首先调整切割机处于水平状态；

(2)绕线：将金刚石切割线装到绕线轮上，然后绕过张紧轮和导线轮，使通过绕线轮、张紧轮、导线轮的金刚石切割线在同一个平面上，并使金刚石切割线上张力均匀分布；

(3)安装待切割SiC单晶棒：将待切割的SiC单晶棒粘接在专用底座上，调整好切割方向和范围后将底座固定在工件台上；

(4)确定参数：确定晶片厚度和切片速度；在切片过程中，切片速度随着SiC单晶棒上切口长度的变化而改变，平均速度为0.001～0.005mm/s；

(5)切割：当SiC单晶棒切完一片后，线锯自动提起，回到初始位置，然后工作台移动到切割第二片的位置，开始切割第二片；如此反复直至按照预先设计的切割片数切完为止；

(6)程序结束，取片。