CN103722625A - 一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于新材料加工技术领域，具体提供了一种操作方便、金刚石线高效切割大直径单晶的方法和设备，所述的设备利用多线切割机，采用直径为120μm至400μm、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往复式高速切割运动，实现大直径SiC晶棒的多片切割，切出的SiC晶片表面粗糙度、弯曲度和总厚度变化小，每次可以切割多块目标晶体，而且切割晶体时速率快、耗时少，从而实现了碳化硅晶片的高效切割。

Description

一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法和设备

技术领域

本发明属于晶体材料加工领域，具体涉及利用金刚石线高效切割大直径碳化硅单晶的方法和设备。

背景技术

碳化硅（SiC）半导体材料是自第一代半导体材料Si和第二代化合物半导体材料GaAs、GaP、InP等之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。SiC材料的主要特点包括宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力，许多国家相继投入了大量的资金对SiC进行了广泛深入的研究，并已在SiC晶体生长技术、关键器件工艺、光电器件开发、SiC集成电路制造等方面取得了突破，满足了现代电子器件对抗辐射、抗腐蚀等恶劣环境提出的新要求。

SiC的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，且化学稳定性好，常温下几乎不与其他物质反应，因此其加工难度很大。实现切割损耗小、并且切割出厚度均匀、翘曲度小的高质量SiC晶片是目前面临的重要技术难点。SiC单晶常见的切割方法有外圆切割、内圆切割及金刚石单线切割。对于外圆切割，其存在的主要问题是锯片刚性差，刀片薄且径向承受晶体压力，容易产生变形和侧向摆动，使晶体材料损耗大，晶面不平整；此外，外圆切割深度又受到锯片直径限制，一般不超过直径的三分之一。因此，外圆切割主要用于对晶向偏转大的长晶体进行定向切割和大尺寸材料整形切割。对于内圆切割，其切割出的晶片表面损伤层较大，刀口宽、材料损失大，并且每次只能切割一片，生产效率较低。金刚石单线切割机虽然克服了以上切割的绝大多数缺点，但像内圆切割机一样每次只切割一片，因此现有的切割工艺和设备均不能满足高效率生产的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足和空白，本发明的发明人提供了一种操作方便、金刚石线高效切割大直径单晶的方法，本方法利用多线切割机，采用直径为120μm至400μm、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多线往复式高速切割运动，实现大直径SiC单晶的多片切割，切出的SiC晶片表面粗糙度、弯曲度（Bow）和总厚度变化（TTV）小，每次可以切割多块目标晶体，而且切割晶体时速率快、耗时少，从而实现了碳化硅晶片的高效切割。

本发明的具体技术方案如下：

（1）绕线：将金刚石切割线绕到槽轮上，形成张力均匀的环形线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割大直径SiC单晶棒固定在碳化硅晶棒固定装置上；

（3）设定工艺参数：设定切割线运行速度、切割张力、进刀速度；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片。

其中步骤（2）中所述的大直径SiC单晶体直径为2英寸至6英寸的晶棒，晶型为4H或6H；其中为了满足大多数半导体材料器件制备的需要，一般选择的晶棒截面为圆形，也可选用其他截面形状的晶棒；

步骤（3）中所述的切割线运行速度为300～1500m/min，优选的，切割线运行速度为500～1200m/min；也就是收线轮每分钟收线的长度，速度过高或过低都会对最终的切割效果有不利的影响，也不利于金刚石切割线的使用，具体原因如下：

主要是考虑到由于SiC硬度大，过低的线运行速度无法实现SiC晶棒切割；当切割线运行速度过快（大于1500m/min）时，则会造成切割断线和晶片破碎的几率提高，综合上述两方面原因，选取300～1500m/min的切割线运行速度。但是，尽管切割线运行速度为300m/min时能够实现SiC晶棒切割，但效率较低；切割线运行速度为1500m/min时切割效率高，但在这样的速度下断线、晶片破碎的几率仍然较高。在保证切割效率和切割合格率的情况下，优选速度为500～1200m/min。

对于现有的单线切割而言，其切割方式是采用一根切割线在固定的切割位置往复运动，相对控制简单，而本发明所采用的多线切割实际上是采用一根金刚石切割线在多个槽轮上绕成的线网在同一晶体棒的多个待切割晶片之间运动，相对于单线切割而言，对于线运行的稳定性要求更高，难度更大，需要更加精确的参数设置。此外，多线切割在500～1200m/min的优选速度内，切出晶片厚度的均匀性、晶片参数的一致性均高于单线切割，且生产效率明显高于单线切割，因此适合大规模生产。

所述的更加精确的参数设置，主要还指的是：

所述的切割张力为20～70N，优选的，切割张力为30～50N；

其中所述的切割张力是指金刚石切割线受到拉力作用时，其内部任意截面两侧存在的相互牵引力。由于碳化硅硬度较高，过小的切割张力（小于20N）无法实现SiC晶棒切割；切割张力大于70N时，切割断线和晶片破碎几率高，因此选取20～70N的切割张力。但是，切割张力为20N时切割能力不足，效率低；切割张力为70N时尽管切割效率高，但是在此张力下断线、晶片破碎的几率较高，切出的晶片表面质量差。

相比于单线切割，多线切割张力的控制需要更为精确，主要原因在于多线切割机与晶体棒有多个接触位置，金刚线所承受的来自晶体的压力比单线切割大，需要比单线更大的张力来保持线的平稳水平运行，同时还需要避免张力过大而带来的切片过程中断线和晶片破碎等弊端，因此发明人最终综合上述情况后优选采用多线切割在30～50N的优选切割张力内，切出晶片厚度的均匀性、晶片参数的一致性均高于单线切割，适合大规模生产。

所述的金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为8～100μm，均匀的分布在高碳钢丝上，以保证金刚石切割线线径一致：

所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为100～300μm；

所述的金刚石切割线直径为120μm至400μm；这里所述的直径并非单纯高碳钢丝的直径，而是在均匀的电镀了金刚石之后整个线体的直径；

本发明所采用的金刚石切割线以及其上电镀的金刚石均为市场上直接购得，只需其工艺参数满足上述三点即可应用于本发明中，这样可以进一步的降低成本，便于维修和更换；

所述的大直径SiC单晶切割过程中切片的速率为5～20mm/h；上述速度为金刚石线每小时切入SiC晶棒的径向尺寸为5～20mm，过大的速度会使切出晶片的粗糙度、Bow和TTV等增大，严重影响晶片表面质量，速率再大会导致晶片破裂；

除此之外，还可以限定步骤（4）在切割过程中槽轮的摇摆角度为0～±30°；

摇摆角度：切割过程中水平面上的两槽轮围绕二者之间的中心线上下摆动，缠绕在槽轮上的切割线与水平面所成的最大角度即为摇摆角度；其中所述的0°，就表示切割过程中槽轮不发生摇摆，而±30°则为摇摆的最大幅度，采用摇摆切割的方式可以保证晶体在切割过程中金刚石线与晶体始终保持点接触状态，减小了二者之间的阻力，实现晶体高效切割，其具体过程如图7所示。

所述的大直径SiC单晶切割的晶体是任意角度的，但是典型的晶体角度为0°、4°和8°，该角度的具体定义为碳化硅晶体结构中（0001）面偏向<11-20>方向的角度.也就是说在被切割之前最好根据晶体片的用途，将晶体的角度加工为上述角度；

所述的金刚石线高效切割大直径SiC单晶，可以切割出的SiC单晶片厚度为200～2000μm；该厚度是由槽轮上的槽间距决定的，该槽间距等于相邻两根金刚石切割线中心线之间的距离。槽间距减去金刚石线直径的值就是切割成的晶片厚度，在选择相同直径的金刚石线时，槽距越大，切出的晶片厚度越大，因此可以通过调整切割线之间的距离来实现对晶片厚度的控制。但是一般控制槽间距不能过小，这样容易造成晶片厚度太薄，脆性高的材料更加容易在切割过程中碎裂。

一般而言，当切出的SiC晶片厚度为1000μm，晶片粗糙度小于10μm，Bow小于10μm，TTV小于10μm等参数均优于现有切割技术所获得的晶片标准；肉眼来看实际上是很光滑的平面。

为了配合上述的多线切割工艺，本发明的发明人还提供了适配这种工艺的多线切割机，其中的一种结构如下：

一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的装置，包括供线轮、收线轮，供线轮和收线轮之间水平设置有一对槽轮，槽轮与供线轮和收线轮之间均设置有导向轮，所述的槽轮之间对应设置有可垂直于槽轮水平面运动的碳化硅晶体棒固定装置，槽轮之间缠绕有至少一圈的金刚石切割线。

采用这种结构设置的装置，金刚石切割线由供线轮引出，在两个槽轮上来回缠绕完毕后连接到收线轮上。其中当槽轮之间缠绕有多于一圈的金刚石切割线时，金刚石切割线在槽轮上平行等间距设置，从而使金刚石切割线在槽轮间形成平行的线网，方便对碳化硅晶体棒进行切割。

除此之外，发明人还提供了另一种与之结构类似的多线切割机，具体结构如下所述：

一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的设备，包括供线轮、收线轮，供线轮和收线轮之间设置有槽轮组，所述的槽轮组由三个槽轮组成，其中两个槽轮水平设置，所述三个槽轮的圆心位于同一等边三角形的三个顶点上，槽轮组与供线轮和收线轮之间设置有至少一个导向轮，所述的两个水平设置的槽轮之间对应设置有可垂直于该槽轮水平面运动的碳化硅晶体棒固定装置，槽轮之间缠绕张力均匀的环形线网有至少一圈的金刚石切割线。

采用这种结构设置的设备，金刚石切割线由供线轮引出，围着三个槽轮上来回缠绕完毕后连接到收线轮上。其中当槽轮之间缠绕有多于一圈的金刚石切割线时，金刚石切割线在槽轮上平行等间距设置，从而使金刚石切割线在槽轮间形成平行的线网，方便对碳化硅晶体棒进行切割，上述两种方案中槽轮的数目是由设备空间、槽轮大小、切割用途来决定的。

具体切割时两种结构的多线切割机具体切割过程相同，收线轮首先运动，使得缠绕在槽轮上的金刚石切割线在切割晶体过程中先向前运行一段距离，然后放线轮运动，使得金刚石切割线再向后运行一段距离，需控制向后距离小于向前运行的距离，然后再向前运行，如此往复。之所以这样设置，主要是为了保证均匀的切割晶体，且避免某一段切割线被过分使用导致切割线强度变弱，同时可以适于长时间高效的切割晶体棒；如果供线轮出线100m，后又收线100m，或者金刚线全部出完后又全部收回，这样虽然也是往复运动，但是难以达到上面所述的效果，且不能保证切割过程中晶体的均匀切割，不利于长时间高效、高质量切割晶片。

可以根据工艺的要求利用上述的两种多线切割机实现槽轮的摇摆角度为0～±30°，如可将槽轮设置在同一个圆盘上，通过圆盘的转动来带动槽轮的转动，也可以采用其他现有的工艺或设备来完成这一目标。

同时上述两种结构的多线切割机中供线轮与收线轮的定义是相对的，线轮既可以作供线轮，也可以作收线轮，也就是说线轮出线时为供线轮，收线时为收线轮，这样可以方便的对线轮进行更换，不需要重新调整顺序。

在槽轮与供线轮和收线轮之间均设置有至少一个导向轮，这样可以对金刚石切割线起到很好的导向作用，且可以方便的调整切割线的张力；；为了达到最佳的效果，槽轮两侧的导向轮对称设置。

所述的碳化硅晶体棒固定装置设置在第一种结构的两个槽轮之间或者第二种结构的两个水平设置的槽轮之间且垂直于槽轮水平面，一般来讲采用现有的碳化硅晶体棒的夹具即可，为了达到更好的效果可以将夹具设置在导轨上，这样就可以通过外加的动力，如驱动电机等使整个夹具在导轨上运动，方便碳化硅棒在进入槽轮间的线网时被切割，同时驱动电机可以保证夹具和其上的碳化硅晶体棒在切割过程中不发生位移，保证切割的质量；上述的碳化硅晶体棒固定装置在实际操作时可以选用常用的切割用工作台，工作台其中就包含了上述的各种装置。

综上所述，本发明提供了一种操作方便、金刚石线高效切割大直径单晶的方法和设备，其中采用的设备为多线切割机，采用直径为120μm至400μm、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多线往复式高速切割运动，实现大直径SiC单晶的多片切割，切出的SiC晶片弯曲度和表面粗糙度小，且每次可以切割多块目标晶体，而且切割晶体时速率快、耗时少，从而实现了碳化硅晶片的高效切割。

附图说明

图1为实施例4切出单晶片的表面形貌的二维图；

图2为实施例4切出单晶片的表面形貌的三维图；

图2中的起伏表明晶片表面是凹凸不平的，颜色越深，晶片表面越凹；颜色越浅，晶片表面越凸。

图3为设备实施例1所述多线切割机的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为设备实施例2所述多线切割机的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为槽轮摇摆切割晶体时的示意图；

图中1为供线轮，2为金刚石切割线，3为导向轮，4为槽轮，5为碳化硅晶棒固定装置，6为碳化硅晶棒，7为收线轮。

具体实施方式

下面通过具体的制备实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

实施例1：

多线切割机采用直径为400μm的电镀金刚石切割线，利用电镀金刚石线往复式高速切割运动，对2英寸SiC晶棒高效切割；

所述金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为40-50μm；

所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为300μm；

所述的摇摆角度为0°；

所述的大直径SiC晶体角度为0°

具体切割步骤如下：

（1）绕线：将金刚石切割线等距绕到槽轮上，在槽轮的上下两面均形成张力均匀分布的平行线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割的2英寸SiC晶棒固定在工作台上；

（3）设定工艺参数：根据晶棒的直径设定切割线运行速度为1100m/min、切割张力为45N；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片。

切片的速率为10mm/h，切割出的SiC晶片厚度为1000μm，每片的粗糙度小于12μm，Bow小于12μm，TTV小于12μm。

实施例2

多线切割机采用直径为150μm的电镀金刚石切割线，利用电镀金刚石线往复式高速切割运动，对2英寸SiC晶棒高效切割。

所述金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为20-25μm；

所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为100μm；

所述的摇摆角度为5°；

所述的大直径SiC晶体角度为0°

具体切割步骤如下：

（1）绕线：将金刚石切割线等距绕到槽轮上，在槽轮的上下两面均形成张力均匀分布的平行线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割的2英寸SiC晶棒固定在工作台上；

（3）设定工艺参数：根据晶棒的直径设定切割线运行速度为800m/min、切割张力为35N；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片。

切片的速率为12.5mm/h，切出的SiC晶片厚度为1000μm，晶片粗糙度小于10μm，Bow小于10μm，TTV小于10μm。

实施例3：

多线切割机采用直径为200μm的电镀金刚石切割线，利用电镀金刚石线往复式高速切割运动，对3英寸SiC晶棒高效切割；

所述金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为25-30μm；

所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为150μm；

所述的摇摆角度为10°；

所述的大直径SiC晶体角度为0°

具体切割步骤如下：

（1）绕线：将金刚石切割线等距绕到槽轮上，在槽轮的上下两面均形成张力均匀分布的平行线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割的3英寸SiC晶棒固定在工作台上；

（3）设定工艺参数：根据晶棒的直径设定切割线运行速度为900m/min、切割张力为40N；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片。

切片的速率为11.5mm/h，切割出的SiC晶片厚度为1000μm，每片的粗糙度小于10μm，Bow小于15μm，TTV小于15μm。

实施例4：

多线切割机采用直径为250μm的电镀金刚石切割线，利用电镀金刚石线往复式高速切割运动，对4英寸SiC晶棒高效切割；

所述金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为25-30μm；

所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为200μm；

所述的摇摆角度为15°；

所述的大直径SiC晶体角度为4°

具体切割步骤如下：

（1）绕线：将金刚石切割线等距绕到槽轮上，在槽轮的水平面上形成张力均匀分布的平行线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割的4英寸SiC晶棒固定在工作台上；

（3）设定工艺参数：根据晶棒的直径设定切割线运行速度为1000m/min、切割张力为40N；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片。

切片的速率为11mm/h，切割出的SiC晶片厚度为1000μm，每片的粗糙度小于10μm，Bow小于20μm，TTV小于20μm。

实施例5：

多线切割机采用直径为400μm的电镀金刚石切割线，利用电镀金刚石线往复式高速切割运动，对6英寸SiC晶棒高效切割；

所述金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为40-50μm；

所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为300μm；

所述的摇摆角度为20°；

所述的大直径SiC晶体角度为8°

具体切割步骤如下：

（1）绕线：将金刚石切割线等距绕到槽轮上，在槽轮的水平面上形成张力均匀分布的平行线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割的6英寸SiC晶棒固定在工作台上；

（3）设定工艺参数：根据晶棒的直径设定切割线运行速度为1100m/min、切割张力为45N；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片。

切片的速率为10mm/h，切割出的SiC晶片厚度为1000μm，如图1所示，每片的粗糙度小于12μm，Bow小于50μm，TTV小于30μm。

设备实施例1

实现实施例1和2所述工艺的多线切割机，其包括供线轮1、收线轮7，供线轮1和收线轮7之间水平设置有一对槽轮4，槽轮4与供线轮1和收线轮7之间均设置有导向轮3，所述的槽轮4之间对应设置有可垂直于槽轮水平面运动的碳化硅晶体棒固定装置5，槽轮4之间缠绕有多圈的金刚石切割线2；金刚石切割线在槽轮上平行等间距设置。

设备实施例2

实现实施例3-5所述工艺的多线切割机，其包括供线轮1、收线轮7，供线轮1和收线轮7之间设置有槽轮组4，所述的槽轮组4由三个槽轮组成，其中两个槽轮水平设置，所述三个槽轮的圆心位于同一等边三角形的三个顶点上，槽轮组4与供线轮1和收线轮7之间设置有导向轮3，所述的两个水平设置的槽轮之间对应设置有可垂直于该槽轮水平面运动的碳化硅晶体棒固定装置5，槽轮之间缠绕有多圈的金刚石切割线2，金刚石切割线在槽轮上平行等间距设置。

Claims (7)

1.一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）绕线：将金刚石切割线绕到槽轮上，形成张力均匀的环形线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割大直径SiC晶棒固定在工作台上；

（3）设定工艺参数：设定切割线运行速度、切割张力；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片；

其中所述的金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为8～100μm；

所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为100-300μm；

所述的金刚石切割线直径为120μm至400μm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的大直径SiC晶棒直径为2英寸至6英寸的晶棒，晶型为4H或6H。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的切割线运行速度为300～1500m/min，所述的切割张力为20～70N。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的切割线运行速度为500～1200m/min；切割张力为30～50N。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的大直径SiC晶棒切割过程中切片的进给速度为5～20mm/h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：大直径SiC单晶切割的晶体是任意角度的，典型的晶体角度为0°或4°或8°。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在切割过程中槽轮的摇摆角度为0～±30°。

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