CN101130265A - 内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺 - Google Patents
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Abstract
一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺包括以下步骤：(1)将长度为50－500mm的水平砷化镓单晶锭作割边处理；(2)单晶锭与石墨条表面、石墨托表面粘接；(3)将粘接好的单晶锭固定在内圆切片机的推锭器上；(4)安装切刀，开启开关，机器运行；(5)启动工作台上升，切割一片晶片进行晶向确定工作，定准后设定单片切割校准厚度，所述的切割晶向为(100)偏向最近的[110]一族和[011]一族，它与砷化镓单晶生长方向(111)相差角度为54°44′；(6)设定切割速度，进行自动多片连续切割晶片；(7)完成整根单晶锭切割后，冲洗刀片，关机。本工艺可切割直径为Φ50.8mm－Φ76mm，厚度为280um－470um的水平砷化镓单晶片，平均成品率达95％以上，生产稳定性和重复性好，能实现大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺
背景技术
六十年代初期，针对直拉半导体单晶材料的切割方法从使用外圆式刀片加工转向内圆式刀片加工是一大技术进步。日、美等发达国家在八十年代已经开始批量生产砷化镓单晶材料，但对其使用的晶片加工技术严格保密，发表文章甚少。目前，国际上水平砷化镓晶片已得到广泛使用，其切割方法有内圆切片法和(多)线切片法。国内(多)线切割法技术目前只停留在切割直径为Φ50.8mm单晶片。而国际市场上对直径Φ63.5mm-Φ76mm；厚度为280um-300um的水平砷化镓晶片十分需求，这就需要我们的切片技术不断改进。
众所周知，化合物砷化镓单晶材料同硅锗等单质单晶材料相比，其机械性能较差(GaAs和Si的临界可辨别切应力-CRSS分别为0.4MPa和1.85MPa)，硬度低(莫氏硬度为4.5)，脆性大，极易解理[解理面为(110)]、破碎。而且水平GaAs单晶都是斜切的，即切割时内圆刀片平面与单晶锭纵向成一定夹角[(111)与(100)夹角为54°44′]，切割单晶片技术难度较大。早期国内采用内圆切片机切割水平砷化镓晶片，直径都小于Φ50mm，厚度最薄也只能达到470um，而且晶向偏离公差只能控制在±30′。
在切片过程中，水平GaAs晶片因机械作用力导致产生包括机械应力和热应力在内的剩余应力问题难以控制。对于晶片翘曲度，弯曲度，总厚度变化和晶片表面光洁度等的质量控制，也一直在研究探索中。
另外，对内圆切片机进行设备改造，改进修刀技术，优化切割条件，降低切片加工成本，提高切片产出率(成品率+出片率)，提高切片加工经济效益是我们一直所追求的。
发明内容
本发明的目的是提供一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺，该工艺可切割直径为Φ50.8mm-Φ76mm，厚度为280um-470um的水平砷化镓单晶片，平均成品率达95％以上，并且生产稳定性和重复性好，能够实现大批量生产。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺，它包括以下步骤：
(1)、将长度为50-500mm的水平砷化镓单晶锭作割边处理；
(2)、单晶锭与石墨条表面、石墨托表面粘接；
(3)、将粘接好的单晶锭固定在内圆切片机的推锭器上；
(4)、安装切刀，开启水、电、气开关，机器运行；
(5)、启动工作台上升，切割一片晶片进行晶向确定工作，定准后设定单片切割校准厚度，所述的切割晶向为(100)偏向最近的[110]一族和[011]一族，它与砷化镓单晶生长方向(111)相差角度为54°44′；
(6)、设定切割速度，进行自动多片连续切割晶片工作；
(7)、完成整根单晶锭切割后，冲洗刀片，按停机键关机。
所述的刀片类型：Φ422mm，刃厚：300um材质：不锈钢刀基，镍合镀金刚砂；
刀片内径张量：0.85mm-1.05mm，同心度≤0.002mm；
刀环端面圆跳动偏差：≤0.005mm；
刀环径向圆跳动偏差：≤0.02mm；
刀片定位销径向圆跳动：≤0.015mm；
工件进给精度(步距误差)±0.005mm；
刀片转速：1100-1600r/min；切割速度：10-30mm/min。
冷却剂温度范围：10-25℃；冷却剂流量：600-850ml/min。
刀片发生形变时可以根据设备上的跟踪仪判断刀偏，及时进行修刀以控制切割过程中刀片的形变达到减少晶片的弯曲或将晶片弯曲度控制在一定的数值范围内。
当刀片形变数值大于4um或小于-4um时，停止切割晶片，下降工作台，在刀刃正常旋转情况下进行手工修刀，直到刀片形变数值在-0.5um-0.5um范围内再进行切割。
所用的设备为TS型卧式空气轴承旋转式工作台(可切角度达61度)内圆切片机，所切割晶向为(100)偏向最近的[110]一族和[011]一族，它与砷化镓单晶生长方向(111)相差角度为54°44′。
修刀方法一般有两种：
一、切Al2O3或SiC磨石粗磨刀(速度由快到慢，连续切3到15次)再切单晶硅锭细磨。这样可以使切割速度和晶片表面质量有所提高，但不一定能减少晶片的弯曲度。
二、根据刀片跟踪仪及晶片的弯曲状态采用手工修刀方法(沿45°≤a≤60°方向，a为磨刀石与水平的夹角)[如图(2)所示]能控制刀片在切割过程的形变。值得提醒的是：最佳的切割结果和刀片寿命除了依赖于刀片本身的质量外，还直接取决于操作者是否在适当时候选择合适的磨刀石并用正确的方法对刀刃进行修磨。
本发明的效果：
1、优化切割条件，用空气轴承式内圆切片机可以切割水平GaAs单晶片直径范围φ51mm-φ76mm；厚度范围280um-470um，平均成品率达95％以上，并且生产稳定性和重复性非常良好，能够实现大批量生产。
2、切割各种厚度的晶片其对应的TTV(最大厚度与最小厚度之差)变化，全部TTV低于20um，切割470um以上的晶片TTV低于10um，切割320±10um和280±10um的薄片，TTV并没有显著增加，但是厚度分散度有轻微变化。
3、优化切割条件，用空气轴承式内圆切片机可以切割表面光洁度良好、损伤层较低的水平GaAs单晶片，至于半导体晶片的关键质量指标：总厚度变化，翘曲度，弯曲度，晶向偏差为±3′以及剩余应力底等等都可以很好的满足后续工序的加工要求。
附图说明
图1：晶体生长方向与切割方向示意图
图2：修刀角度示意图
图1、图2中，1为固液界面，晶片2沿(100)面切割，3为晶片截面法线，4为单晶头部，5为(100)晶片截面法线反方向，6为单晶尾部，法线方向与晶体的生长方向(111)面夹角为54°44′。图2中，8(Fn)为单晶体对刀刃的径向作用力，7为水平面，a为磨刀石与水平面的夹角，9为刀刃，10为刀基。
实施例1.
采用本发明工艺切割水平砷化镓晶片规格为：晶向(100)±0.5°，直径Φ50.8mm，厚度470±50um，圆形晶片。
1、设备及设备的技术指标：
TS型卧式空气轴承旋转式工作台(可切角度达61度)内圆切片机(该设备系瑞士梅耶伯格公司生产、销售)。
刀片类型：Φ422mm，刃厚：300um材质：不锈钢刀基，镍合镀金刚砂
刀片内径张量：0.85mm-1.05mm，同心度≤0.002mm
刀环端面圆跳动偏差：≤0.006mm
刀环径向圆跳动偏差：≤0.03mm
刀片定位销径向圆跳动：≤0.015mm
工件进给精度(步距误差)±0.005mm
2、工艺条件
刀片转速：1100-1600r/min
切割速度：20-30mm/min
冷却剂：软化水(工业纯水)
冷却剂温度：10-25℃
冷却剂流量：600-850ml/min
切割工件：合格的长度为50-500mm水平GaAs单晶锭
3.操作步骤：
1.对合格水平砷化镓单晶锭作割边处理，以便其与石墨条进行完全粘接。
2.单晶粘接，将合格单晶底部及端面、石墨条表面、石墨托表面用无水乙醇进行清洁处理。防止污染物影响胶的粘接质量。所用的粘接剂为天津市延安化工厂出产的海燕牌胶粘剂A(白色)和胶粘剂B(红色)，两种胶粘剂按比例按体积约为白∶红＝5∶1的混合胶。
3.将粘好的单晶固定在内园切片机的推锭器上
4.打开“水、电、气”及排风设备的开关，压缩空气的气压值在0.6Mpa-0.8Mpa。
5.打开切片机总电源开关，启动刀转，打开冷却剂(coolant)，察看冷却剂流量及温度，察看刀片转速。
6.启动工作台上升，切割一晶片进行“定向”(晶向确定)工作，定准后设定单片切割校准厚度。
7.设定适当的切割速度，进行自动多片连续切割晶片工作。
8.完成整根单晶锭切割后，冲洗刀片，按停机键关机。
实施例2
采用本发明工艺技术切割水平砷化镓晶片规格为：晶向(100)偏(110)±0.5°，直径Φ63.5mm，厚度350±50um，圆形晶片。
1、设备及设备技术指标：
TS型卧式空气轴承旋转式工作台(可且角度达61度)内圆切片机。
刀片类型：Φ422mm，刃厚：300um材质：不锈钢刀基，镍合镀金刚砂
刀片内径张量：0.9mm-0.95mm，同心度≤0.002mm
刀环端面圆跳动偏差：≤0.0055mm
刀环径向圆跳动偏差：≤0.025mm
刀片定位销径向圆跳动：≤0.015mm
工件进给精度(步距误差)±0.005mm
2、工艺条件
刀片转速：1100-1400r/min
切割速度：15-30mm/min
冷却剂：软化水(工业纯水)
冷却剂温度：15-20℃
冷却剂流量：600-700ml/min
切割工件：合格的长度为50-500mm水平GaAs单晶锭
操作步骤同实施例1.
实施例3
采用本发明工艺技术切割水平砷化镓晶片规格为：晶向(100)偏(011)±0.1°，直径Φ63.5mm-76mm，厚度280±20um，圆形晶片。
1、设备及设备技术指标：
TS型卧式空气轴承旋转式工作台(可且角度达61度)内圆切片机。
刀片内径张量：0.95mm-1.05mm，同心度≤0.002mm
刀环端面圆跳动偏差：≤0.005mm
刀环径向圆跳动偏差：≤0.02mm
刀片定位销径向圆跳动：≤0.015mm
工件进给精度(步距误差)±0.005mm
2、工艺条件
刀片转速：1100-1250r/min
切割速度：10-25mm/min
冷却剂：软化水(工业纯水)
冷却剂温度：10-20℃
冷却剂流量：600-650ml/min
切割工件：合格的长度为50-500mm水平GaAs单晶锭操作步骤同实施例1.
Claims (5)
1.一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)、将长度为50-500mm的水平砷化镓单晶锭作割边处理；
(2)、单晶锭与石墨条表面、石墨托表面粘接；
(3)、将粘接好的单晶锭固定在内圆切片机的推锭器上；
(4)、安装切刀，开启水、电、气开关，机器运行；
(5)、启动工作台上升，切割一片晶片进行晶向确定工作，定准后设定单片切割校准厚度，所述的切割晶向为(100)偏向最近的[110]一族和[011]一族，它与砷化镓单晶生长方向(111)相差角度为54°44＇；
(6)、设定切割速度，进行自动多片连续切割晶片工作；
(7)、完成整根单晶锭切割后，冲洗刀片，按停机键关机。
2.根据权利要求1所述的一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺，其特征在于：
所述的刀片类型：Φ422mm，刃厚：300um材质：不锈钢刀基，镍合镀金刚砂；
刀片内径张量：0.85mm-1.05mm，同心度≤0.002mm；
刀环端面圆跳动偏差：≤0.005mm；
刀环径向圆跳动偏差：≤0.02mm；
刀片定位销径向圆跳动：≤0.015mm；
工件进给精度(步距误差)±0.005mm；
3.根据权利要求1或2所述的一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺，其特征在于：刀片转速：1100-1600r/min；切割速度：10-30mm/min。
4.根据权利要求1或2所述的一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺，其特征在于：冷却剂温度范围：10-25℃；冷却剂流量：600-850ml/min。
5.根据权利要求1或2所述的一种内圆切片机切割水平砷化镓单晶片的工艺，其特征在于：当刀片形变数值大于4um或小于-4um时，停止切割晶片，下降工作台，在刀刃正常旋转情况下进行手工修刀，直到刀片形变数值在-0.5um-0.5um范围内再进行切割。
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