CN104827397A - 一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具及其应用，该夹具包括底板、第一定位板、第二定位板和螺栓固定板；第一定位板、第二定位板垂直设置在底板的两个相邻边上，第一定位板、第二定位板垂直设置；螺栓固定板设置在第一定位板和第二定位板上，螺栓固定板与底板平行设置；螺栓固定板上贯通设置有螺栓顶丝，螺栓固定板上设置有与螺栓顶丝相应的螺纹；第一定位板、底板的边长分别小于晶体的直径。该晶体在对晶体加工过程中无需对每个晶体分别定向，可以直接研磨出符合要求的晶向及偏角，大大提高晶体整形阶段的加工效率，节约了加工时间，提高了整条工艺线设备的投入、产出比。

Description

一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具及其应用

技术领域：

本发明涉及一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具及其应用，属于碳化硅单晶加工的技术领域。

背景技术：

碳化硅(SiC)作为第三代宽带隙半导体材料的核心，具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场、高电子饱和迁移速率、高化学稳定性等特点，在高温、高频、大功率、高密度集成电子器件等方面具有巨大的应用潜力。

碳化硅单晶属于极性晶体，有两个极性面，碳化硅衬底分为硅面和碳面。制作碳化硅基器件前，需要在碳化硅衬底表面外延一层一定厚度的氮化镓或者碳化硅外延层。一般地，外延层生长在硅面。半导体行业中，为了区分硅面和碳面，采用相互垂直的不同长度的两条定位边来区分硅面和碳面。因此在滚圆后的圆形晶锭上需要用磨床磨出两条定位边。主次定位边晶向一般采用X射线衍射法定向，其中主定位边平行于面，次定位边平行于面，方向偏差控制在±0.5°以内。定位边长度根据晶体直径不同则有不同规格，具体如表1所示。

表1各尺寸碳化硅晶片定位边的规格

不同表面偏角的衬底，对外延工艺影响很大，因此表面偏角及其精度需要严格控制，相应地，主次定位边的长度、偏角及其精度必须严格控制。

对硅单晶、砷化镓以及蓝宝石等长度较长(一般大于100mm)单晶的定向加工工艺，目前多采用价格昂贵的自动化设备，但该类设备不适用于晶体较短的碳化硅单晶，碳化硅单晶的厚度一般小于20mm。目前有适用于分体式碳化硅单晶晶体加工工艺的辅助夹具配件，可帮助对晶体定位边进行定向；但是现有夹具在晶体加工时，依然需要逐个晶体定向，以控制主次定位边的夹角精度；操作复杂，不利于加工效率的提高。另外，由于碳化硅莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，脆性大，而且化学稳定性好，常温下几乎不与其他物质反应，故碳化硅单晶的高精度定位边打磨已成为碳化硅广泛应用所必须解决的重要问题。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，该夹具在使用时无需对每个晶体进行定向，可直接研磨出符合要求的晶向及偏角。

本发明还提供一种利用上述夹具进行碳化硅单晶加工的方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，包括底板、第一定位板、第二定位板和螺栓固定板；所述第一定位板、第二定位板垂直设置在底板的两个相邻边上，且第一定位板与第二定位板垂直连接；所述螺栓固定板设置在第一定位板和第二定位板上端，且螺栓固定板与底板相平行；在所述螺栓固定板上贯通设置螺栓顶丝，所述螺栓顶丝与螺栓固定板螺纹连接；第一定位板、底板的边长均小于晶体的直径。

根据本发明优选的，所述螺栓顶丝设置在螺栓固定板的几何中心上。此处设计的好处是，实现螺栓顶丝施力平衡，从而保证待加工的碳化硅单晶受力平衡。

根据本发明优选的，所述底板、第一定位板、第二定位板的形状均为正方形。

根据本发明进一步优选的，所述第一定位板、底板的边长为晶体直径的3/4～9/10。

根据本发明优选的，所述第一定位板与第二定位板之间的夹角为89.5°～90.5°。由于两者本身垂直精度误差小于晶体主次定位边偏角误差，从而磨削出符合精度要求的定位边。

根据本发明优选的，所述用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具包括圆形固定板，所述圆形固定板转动设置在螺栓顶丝的底端。圆形固定板可实现待加工的碳化硅单晶受力平衡。

根据本发明进一步优选的，所述圆形固定板的直径为晶体直径的1/2～3/5。

根据本发明进一步优选的，所述圆形固定板与底板之间设置有一对缓冲垫片。将待加工的碳化硅单晶夹在缓冲垫片之间，缓冲垫片与晶体形成“三明治结构”，放在圆形固定板与底板之间，紧固螺栓顶丝对待加工的晶体实现固定；针对碳化硅单晶质地较脆易碎的特点，缓冲垫片起到缓冲保护的作用。

根据本发明进一步优选的，所述缓冲垫片为圆形树脂缓冲垫片。圆形树脂缓冲垫片的硬度适中，既能保证对待加工的碳化硅单晶的固定强度，又能对待加工的碳化硅单晶起到保护作用。

根据本发明进一步优选的，所述缓冲垫片的直径为晶体直径的1/2～3/5。

根据本发明优选的，所述螺栓顶丝的顶部设置有螺母。通过螺栓顶丝固定待加工的碳化硅单晶时，螺母起到省力作用。

本发明还提供一种利用上述夹具进行碳化硅单晶加工的方法，包括步骤如下：

1)将待加工的碳化硅单晶固定在夹具中，主定位边区域朝上，磨出主定位边；

将待加工的碳化硅单晶夹在一对缓冲垫片之间，待加工的碳化硅单晶与第一定位板内侧面、第二定位板的内侧面分别相切；拧紧螺栓顶丝；采用切割装置，磨出主定位边；待加工的碳化硅单晶与第一定位板内侧面、第二定位板的内侧面分别相切，起到定位作用；待加工的碳化硅单晶固定在夹具中后，由于晶体直径大于底板、第一定位板、第二定位板的边长，待加工的碳化硅单晶凸出到底板的边缘外侧。

2)将夹具旋转90度，磨出次定位边；由于夹具第一定位板和第二定位板本身垂直精度误差小于晶体主次定位边偏角误差，从而自动磨削出符合精度要求的定位边；夹具旋转90度，露出待加工的碳化硅单晶的次定位边，即可打磨次定位边。

3)完成加工，取下晶体；

根据本发明优选的，所述步骤1)中磨主定位边和所述步骤2)中磨次定位边的具体方法是，通过平面磨床平台的前后、左右移动，金刚石砂轮的上下步进以及砂轮的转动，进行磨削加工。

进一步优选的，所述金刚石砂轮向下步进的速度是每个周期20-50μm。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的方法，在对晶体加工过程中无需对每个晶体分别定向，可以直接研磨出符合要求的晶向及偏角，大大提高晶体整形阶段的加工效率，节约了加工时间，提高了整条工艺线设备的投入、产出比。

2、本发明所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的方法，在模具初次加工完成后可长期使用，可重复利用性强，而且结构简单，持久耐用；降低了生产成本；

3、本发明所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的方法，加工过程简单可行，加工精度高，不需要繁杂的工序就能很好的满足加工要求。

附图说明：

图1为本发明所述夹具示意图。

其中，1、底板；2、第一定位板；3、螺母；4、第二定位板；5、圆形固定板；6、缓冲垫片；7、晶体；8、螺栓固定板；9、螺栓顶丝。

具体实施方式：

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示。

一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，包括底板1、第一定位板2、第二定位板4和螺栓固定板8；所述底板、第一定位板、第二定位板的形状均为正方形；第一定位板2、第二定位板4垂直设置在底板1的两个相邻边上，第一定位板2、第二定位板4垂直设置；螺栓固定板8设置在第一定位板2和第二定位板4上，螺栓固定板8与底板1平行设置；螺栓固定板8上贯通设置有螺栓顶丝9，所述螺栓顶丝9与螺栓固定板8螺纹连接；第一定位板2、底板1的边长分别是晶体7直径的3/4。

实施例2、

一种如实施例1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其区别在于：所述螺栓顶丝9设置在螺栓固定板8的几何中心上。

实施例3、

一种如实施例1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其区别在于：所述第一定位2板与第二定位板4之间的夹角是89.5°。由于两者本身垂直精度误差小于晶体7主次定位边偏角误差，从而磨削出符合精度要求的定位边。

实施例4、

一种如实施例1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其区别在于：所述螺栓顶丝9的顶部可转动的设置有圆形固定板5；圆形固定板5的直径是晶体7直径的1/2。圆形固定板5可实现待加工的碳化硅单晶受力平衡。

实施例5、

一种如实施例4所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其区别在于：所述圆形固定板5与底板1之间设置有一对缓冲垫片6；所述缓冲垫片6的直径是晶体7直径的1/2。将待加工的碳化硅单晶夹在缓冲垫片6之间，缓冲垫片6与晶体7形成“三明治结构”，放在圆形固定板5与底板1之间，紧固螺栓顶丝9对待加工的晶体7实现固定；碳化硅单晶质地较脆，缓冲垫片6起到缓冲保护的作用。

实施例6、

一种如实施例5所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其区别在于：所述缓冲垫片6是圆形树脂缓冲垫片。圆形树脂缓冲垫片的硬度适中，既能保证对待加工的碳化硅单晶的固定强度，又能对待加工的晶体起到保护作用。

实施例7、

一种如实施例1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其区别在于：所述螺栓顶丝9的尾部设置有螺母3；所述螺栓顶丝9的顶部设置有螺母3。通过螺栓顶丝9固定待加工的碳化硅单晶时，螺母3起到省力作用。

实施例8、

利用实施例1-7任意一项所述夹具进行定位2英寸碳化硅单晶的方法，包括步骤如下：

(1)待加工的碳化硅单晶已经研磨好自然面和籽晶面，自然面的c轴偏角误差在0.2°之内，并侧面圆周已经滚圆，直径为50.8±0.25mm，将待加工的碳化硅单晶固定在夹具中，主定位边区域朝上，优先磨出主定位边长度16mm。

通过所述螺栓顶丝9将待加工的碳化硅单晶固定在底板1上，待加工的碳化硅单晶与第一定位板2内侧面、第二定位板4的内侧面分别相切，起到定位作用；待加工的碳化硅单晶固定在夹具中后，由于待加工的碳化硅单晶直径大于底板1、第一定位板2、第二定位板4的边长，待加工的碳化硅单晶突出到底板1的边缘外侧；通过平面磨床平台的前后、左右移动、上下步进以及金刚石砂轮的转动，实现主定位边磨削加工，金刚石砂轮向下步进的速度是每个周期50μm。

(2)将夹具旋转90度，露出待加工的碳化硅单晶次定位边区域，通过平面磨床平台的前后、左右移动、上下步进以及金刚石砂轮的转动，磨出次定位边长度8mm，金刚石砂轮向下步进的速度是每个周期50μm。由于夹具第一定位板2和第二定位板4本身垂直精度误差小于待加工的碳化硅单晶主次定位边偏角误差，从而自动磨削出符合精度要求的定位边。

(3)完成加工，取下晶体。

实施例9、

一种如实施例1所述的碳化硅单晶定位的方法，其区别在于：待加工的碳化硅单晶是6英寸，待加工的碳化硅单晶圆周已经滚圆到直径为150±0.3mm；优先磨出主定位边长度57.5mm；金刚石砂轮向下步进的速度是每个周期20μm；磨出的次定位边长度是37.5mm。

实施例10、

一种如实施例1所述的碳化硅单晶定位的方法，其区别在于：待加工的碳化硅单晶是4英寸，待加工的碳化硅单晶圆周已经滚圆到直径为100±0.5mm；优先磨出主定位边长度32.5mm；金刚石砂轮向下步进的速度是每个周期30μm；磨出的次定位边长度是18mm。

Claims (10)

1.一种用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，包括底板、第一定位板、第二定位板和螺栓固定板；所述第一定位板、第二定位板垂直设置在底板的两个相邻边上，且第一定位板与第二定位板垂直连接；所述螺栓固定板设置在第一定位板和第二定位板上端，且螺栓固定板与底板相平行；在所述螺栓固定板上贯通设置螺栓顶丝，所述螺栓顶丝与螺栓固定板螺纹连接；第一定位板、底板的边长均小于晶体的直径。

2.如权利要求1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，所述螺栓顶丝设置在螺栓固定板的几何中心上。

3.如权利要求1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，所述底板、第一定位板、第二定位板的形状均为正方形，所述第一定位板、底板的边长为晶体直径的3/4～9/10。

4.如权利要求1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，所述第一定位板与第二定位板之间的夹角为89.5°～90.5°。

5.如权利要求1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，所述用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具包括圆形固定板，所述圆形固定板转动设置在螺栓顶丝的底端；所述圆形固定板的直径为晶体直径的1/2～3/5。

6.如权利要求5所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，所述圆形固定板与底板之间设置有一对缓冲垫片。

7.如权利要求6所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，所述缓冲垫片为圆形树脂缓冲垫片；所述缓冲垫片的直径为晶体直径的1/2～3/5。

8.如权利要求1所述的用于打磨碳化硅单晶定位边的夹具，其特征在于，所述螺栓顶丝的顶部设置有螺母。

9.利用权利要求1-8任意一项所述夹具进行碳化硅单晶加工的方法，包括步骤如下：

1)将待加工的碳化硅单晶固定在夹具中，主定位边区域朝上，磨出主定位边；

将待加工的碳化硅单晶夹在一对缓冲垫片之间，待加工的碳化硅单晶与第一定位板内侧面、第二定位板的内侧面分别相切；拧紧螺栓顶丝；采用切割装置，磨出主定位边；

2)将夹具旋转90度，磨出次定位边；

3)完成加工，取下晶体。

10.如实施例9所述碳化硅单晶定位的方法，其特征在于，所述步骤1)中磨主定位边和所述步骤2)中磨次定位边的具体方法是，通过平面磨床平台的前后、左右移动，金刚石砂轮上下步进以及砂轮的转动，进行磨削加工，所述金刚石砂轮向下步进的速度为每个周期20-50μm。