CN105033373A - SiC单晶片的超声电复合切割装置及切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiC单晶片的超声电复合切割装置，包括玻璃槽，玻璃槽安装在机床夹具上，玻璃槽内的底部固接有树脂基座，树脂基座上安装有SiC晶棒，玻璃槽的上方设置有线锯，线锯的上方设置有超声波发生器；线锯与直流脉冲电源的负极相连作为阴极电极，SiC晶棒与直流脉冲电源的正极相连作为阳极电极，玻璃槽中装有电解液并且电解液浸没SiC晶棒，电解液中分散设置有金刚石微粒。本发明还公开了SiC单晶片的超声电复合切割方法。本发明通过超声振动加工和电化学加工复合方法缩短了SiC单晶片的成品加工时间，提高了材料去除率和晶片表面质量，降低了金刚石线锯的磨损和珍贵硬脆材料由于线锯直接切割造成的浪费，提高了其使用寿命。

Description

SiC单晶片的超声电复合切割装置及切割方法

技术领域

本发明属于非良导体加工方法技术领域，具体涉及一种SiC单晶片的超声电复合切割装置，本发明还涉及SiC单晶片的超声电复合切割方法。

背景技术

随着技术的发展，SiC作为第三代的半导体材料在功率器件和IC行业的应用越来越广泛，但由于其硬度和脆性很高，使得切割及后续的加工过程成为器件制造过程的瓶颈。现有技术对SiC的加工工序为：切割成片→研磨晶片→抛光晶片，其中切割部分就占据了整个工作量的50％左右。普通切割采用金刚石线锯进行切割，该方法存在以下问题：1.物理性切割，晶片变形严重，TTV(totalthicknessvariation)较大，晶片表面呈鼓形；2.接触性切割，磨粒磨损严重是导致晶片变形的主要因素，表面出现大量的线锯划痕；3.材料浪费严重，线锯有一定的直径，为了切割完整一片，金刚石线锯直径不能太小，一般不低于0.2mm，因此单晶切缝不低于0.2mm，这就造成了珍贵材料的浪费；4.机械接触式切割过程中，机械装备的安装误差引起线锯的振动，也会造成单晶切缝变大，造成珍贵材料的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiC单晶片的超声电复合切割装置，解决现有技术中的接触式切割法切割效率低、晶片变形大、表面质量差、贵重材料浪费严重的问题。

本发明的另一目的是提供SiC单晶片的超声电复合切割方法。

本发明所采用的技术方案是：

SiC单晶片的超声电复合切割装置，其特征在于，包括玻璃槽，玻璃槽安装在机床夹具上，玻璃槽内的底部固接有树脂基座，树脂基座上安装有SiC晶棒，玻璃槽的上方设置有线锯，线锯的上方设置有超声波发生器；线锯与直流脉冲电源的负极相连作为阴极电极，SiC晶棒与直流脉冲电源的正极相连作为阳极电极，玻璃槽中装有电解液并且电解液浸没SiC晶棒，电解液中分散设置有金刚石微粒。

本发明的特点还在于：

线锯采用外表面镀铜的不锈钢基体，直径为0.12mm。

本发明所采用的另一个技术方案是：

SiC单晶片的超声电复合切割方法，所采用的切割装置结构如下：SiC单晶片的超声电复合切割装置，其特征在于，包括玻璃槽，玻璃槽安装在机床夹具上，玻璃槽内的底部固接有树脂基座，树脂基座上安装有SiC晶棒，玻璃槽的上方设置有线锯，线锯的上方设置有超声波发生器；线锯与直流脉冲电源的负极相连作为阴极电极，SiC晶棒与直流脉冲电源的正极相连作为阳极电极，玻璃槽中装有电解液并且电解液浸没SiC晶棒，电解液中分散设置有金刚石微粒。线锯采用外表面镀铜的不锈钢基体，直径为0.12mm；

具体按照以下步骤实施：

步骤1、打开直流脉冲电源及超声波发生器；

步骤2、使SiC晶棒向线锯进给，当作为阴极的线锯靠近作为阳极的SiC晶棒时，在直流脉冲电源的作用下，线锯与SiC晶棒之间的介质形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使得作为阳极的SiC晶棒在放电处熔化、气化，从而发生SiC晶棒材料的去除；同时，线锯在超声波发生器的作用下，通过电解液使金刚石微粒产生紊流研磨，进一步切割SiC晶棒。

本发明另一个技术方案的特点还在于：

步骤1中的直流脉冲电源的电压为0-700V、电压脉冲宽度为6μs-18μs、峰值电流为0-500A、电流脉冲宽为1000μs-3000μs。

步骤1中的超声波发生器的振幅为0.1-0.5μm，频率为20kHz。

步骤2中的电解液的pH值为7-9。

步骤2中的电解液和金刚石微粒的体积比为10:5到10:1。

步骤2中使得线锯与SiC晶棒之间的介质形成放电通道的直流脉冲电源的参数值为：电压300-700V、电压脉冲宽度6μs-18μs、峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs。

步骤2中使金刚石微粒产生紊流研磨的超声波发生器的参数为：振幅0.1-0.5μm，频率20kHz。

本发明的有益效果是：本发明通过超声振动加工和电化学加工复合方法缩短了SiC单晶片的成品加工时间，提高了材料去除率和晶片表面质量，降低了金刚石线锯的磨损和珍贵硬脆材料由于线锯直接切割造成的浪费，提高了其使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种SiC单晶片的超声电复合切割装置的结构示意图；

图中，1.超声波发生器，2.线锯，3.SiC晶棒，4.导电粘结剂，5.电解液，6.树脂基座，7.玻璃槽，8.电源，9.金刚石微粒。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

SiC单晶片的超声电复合切割装置，其结构如图1所示，包括玻璃槽7，玻璃槽7安装在机床夹具上，玻璃槽7内的底部固接有树脂基座6，树脂基座6上安装有SiC晶棒3，玻璃槽7的上方设置有线锯2，线锯2的上方设置有超声波发生器1；线锯2与直流脉冲电源8的负极相连作为阴极电极，SiC晶棒3与直流脉冲电源8的正极相连作为阳极电极，玻璃槽7中装有电解液5并且电解液5浸没SiC晶棒3，电解液5中分散设置有金刚石微粒9；线锯2采用外表面镀铜的不锈钢基体，直径为0.12mm。

SiC单晶片的超声电复合切割方法，所采用的切割装置结构如下：包括玻璃槽7，玻璃槽7安装在机床夹具上，玻璃槽7内的底部固接有树脂基座6，树脂基座6上安装有SiC晶棒3，玻璃槽7的上方设置有线锯2，线锯2的上方设置有超声波发生器1；线锯2与直流脉冲电源8的负极相连作为阴极电极，SiC晶棒3与直流脉冲电源8的正极相连作为阳极电极，玻璃槽7中装有电解液5并且电解液5浸没SiC晶棒3，电解液5中分散设置有金刚石微粒9；线锯2采用外表面镀铜的不锈钢基体，直径为0.12mm。

上述装置中SiC晶棒3使用导电胶(导电粘合剂)4固定在树脂基座6上，线锯2采用不锈钢基体外面镀铜，直径为0.12mm；超声波发生器1对线锯2施加垂直方向的脉冲。

具体按照以下步骤实施：

步骤1、打开直流脉冲电源8及超声波发生器1并作用在线锯2上；

步骤2、SiC晶棒被机床工作台载动并向线锯2进给，当作为阴极的线锯2靠近作为阳极的SiC晶棒时，在直流脉冲电源8的作用下，线锯2与SiC晶棒之间的介质形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使得作为阳极的SiC晶棒在放电处熔化、气化，从而发生SiC晶棒材料的去除；同时，线锯2在超声波发生器1的作用下，通过电解液5使金刚石微粒9产生紊流研磨，由于SiC晶棒在电解液5的作用下发生电化学腐蚀，其表面形成SiO₂氧化层，金刚石微粒9的紊流研磨对该SiO₂氧化层产生机械磨削作用，进一步达到切割SiC晶棒的目的。

其中，步骤1中所述的直流脉冲电源8的电压为0-700V、电压脉冲宽度为6μs-18μs、峰值电流为0-500A、电流脉冲宽为1000μs-3000μs；超声波发生器1的振幅为0.1-0.5μm，频率为20kHz。步骤2中所述的使得线锯2与SiC晶棒3之间的介质形成放电通道的直流脉冲电源8的参数值为电压300-700V、电压脉冲宽度6μs-18μs、峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs。使金刚石微粒9产生紊流研磨的超声波发生器1的参数为振幅0.1-0.5μm，频率20kHz。步骤2中所述的电解液5的pH值为7-9，电解液5和金刚石微粒9的体积百分比为10:5到10:1。

该装置切割SiC单晶片的原理是同时利用了机械磨削、电解、火花放电及电化学腐蚀的一种混合加工方法。主要包括以下四个部分：

a.电解过程：装置中的阳极电极，阴极电极及直流电源可以使电解液中的水发生电解反应，从而在阴极电极析出氢气气泡，随着反应的持续进行生成的气泡增多并将阴极电极包围起来与阳极电极之间形成带有绝缘性能的气体介质。

b.火花放电过程：由于线锯的进给运动使阴极电极逐渐靠近阳极电极，电解过程中产生的大量氢气气泡包围着阴极电极使其与阳极电极之间形成带有绝缘性能的气体介质，当阴阳两电极靠近到一定距离时，在直流脉冲电的作用下气体介质被击穿，阳极电极与阴极电极之间形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使得作为阳极的工件材料在放电处熔化、气化，从而发生了材料的去除。

c.电化学腐蚀过程：在通电条件下阳极的SiC与电解液中的OH-离子发生氧化反应生成SiO₂附着在SiC表面，使得在SiC表面形成一层薄的SiO₂氧化层。研究表明若SiC表面有划痕或损伤有助于提高氧化物的生成速率，因此火花放电过程中形成的粗糙表面有利于电化学腐蚀过程的进行。

d.机械磨削过程：运动的线锯在超声作用下，通过电解液对磨粒具有“紊流”作用，使得金刚石磨粒产生“紊流研磨”，对切割形成的晶片在电化学腐蚀过程中SiC表面形成的SiO₂氧化层产生机械磨削作用，使得表面平坦化，同时运动的线锯通过电解液的流动，将超声作用下磨粒去除掉的表面氧化物迅速排出。研究表明SiC表面形成的SiO₂氧化层的硬度比SiC要低得多，因此很容易被磨削去除。当SiO₂氧化层被除去后又会出现新的SiC表面，且得到的表面十分光滑，粗糙度大大降低。又对线锯施加超声振动，更大大提高了晶片的表面质量。

本发明通过超声振动加工和电化学加工复合方法缩短了SiC单晶片的成品加工时间，提高了材料去除率和晶片表面质量，降低了金刚石线锯的磨损和珍贵硬脆材料由于线锯直接切割造成的浪费，提高了其使用寿命。

实施例1：

步骤1、打开直流脉冲电源8及超声波发生器1并作用在线锯2上；该直流脉冲电源8的电压为0-700V、电压脉冲宽度为6μs-18μs、峰值电流为0-500A、电流脉冲宽为1000μs-3000μs；超声波发生器1的振幅为0.1-0.5μm，频率为20kHz。

步骤2、SiC晶棒被机床工作台载动并向线锯2进给，当作为阴极的线锯2靠近作为阳极的SiC晶棒时，在直流脉冲电源8的作用下，线锯2与SiC晶棒之间的介质形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使得作为阳极的SiC晶棒在放电处熔化、气化，从而发生SiC晶棒材料的去除；同时，线锯2在超声波发生器1的作用下，通过电解液5使金刚石微粒9产生紊流研磨，由于SiC晶棒在电解液5的作用下发生电化学腐蚀，其表面形成SiO₂氧化层，金刚石微粒9的紊流研磨对该SiO₂氧化层产生机械磨削作用，进一步达到切割SiC晶棒的目的。

其中，步骤2中所述的使得线锯2与SiC晶棒3之间的介质形成放电通道的直流脉冲电源8的参数值为电压300V、电压脉冲宽度6μs、峰值电流300A、电流脉冲宽1000μs。使金刚石微粒9产生紊流研磨的超声波发生器1的参数为振幅0.1μm，频率20kHz。步骤2中所述的电解液5的pH值为7，电解液5和金刚石微粒9的体积百分比为10:5。

实施例2：

步骤1、打开直流脉冲电源8及超声波发生器1并作用在线锯2上；该直流脉冲电源8的电压为0-700V、电压脉冲宽度为6μs-18μs、峰值电流为0-500A、电流脉冲宽为1000μs-3000μs；超声波发生器1的振幅为0.1-0.5μm，频率为20kHz。

步骤2、SiC晶棒被机床工作台载动并向线锯2进给，当作为阴极的线锯2靠近作为阳极的SiC晶棒时，在直流脉冲电源8的作用下，线锯2与SiC晶棒之间的介质形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使得作为阳极的SiC晶棒在放电处熔化、气化，从而发生SiC晶棒材料的去除；同时，线锯2在超声波发生器1的作用下，通过电解液5使金刚石微粒9产生紊流研磨，由于SiC晶棒在电解液5的作用下发生电化学腐蚀，其表面形成SiO₂氧化层，金刚石微粒9的紊流研磨对该SiO₂氧化层产生机械磨削作用，进一步达到切割SiC晶棒的目的。

其中，步骤2中所述的使得线锯2与SiC晶棒3之间的介质形成放电通道的直流脉冲电源8的参数值为电压500V、电压脉冲宽度11μs、峰值电流400A、电流脉冲宽2000μs。使金刚石微粒9产生紊流研磨的超声波发生器1的参数为振幅0.3μm，频率20kHz。步骤2中所述的电解液5的pH值为8，电解液5和金刚石微粒9的体积百分比为10:3。

实施例3：

步骤1、打开直流脉冲电源8及超声波发生器1并作用在线锯2上；该直流脉冲电源8的电压为0-700V、电压脉冲宽度为6μs-18μs、峰值电流为0-500A、电流脉冲宽为1000μs-3000μs；超声波发生器1的振幅为0.1-0.5μm，频率为20kHz。

步骤2、SiC晶棒被机床工作台载动并向线锯2进给，当作为阴极的线锯2靠近作为阳极的SiC晶棒时，在直流脉冲电源8的作用下，线锯2与SiC晶棒之间的介质形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使得作为阳极的SiC晶棒在放电处熔化、气化，从而发生SiC晶棒材料的去除；同时，线锯2在超声波发生器1的作用下，通过电解液5使金刚石微粒9产生紊流研磨，由于SiC晶棒在电解液5的作用下发生电化学腐蚀，其表面形成SiO₂氧化层，金刚石微粒9的紊流研磨对该SiO₂氧化层产生机械磨削作用，进一步达到切割SiC晶棒的目的。

其中，步骤2中所述的使得线锯2与SiC晶棒3之间的介质形成放电通道的直流脉冲电源8的参数值为电压700V、电压脉冲宽度18μs、峰值电流500A、电流脉冲宽3000μs。使金刚石微粒9产生紊流研磨的超声波发生器1的参数为振幅0.5μm，频率20kHz。步骤2中所述的电解液5的pH值为9，电解液5和金刚石微粒9的体积百分比为10:1。

Claims (9)

1.SiC单晶片的超声电复合切割装置，其特征在于，包括玻璃槽(7)，玻璃槽(7)安装在机床夹具上，玻璃槽(7)内的底部固接有树脂基座(6)，树脂基座(6)上安装有SiC晶棒(3)，玻璃槽(7)的上方设置有线锯(2)，线锯(2)的上方设置有超声波发生器(1)；所述线锯(2)与直流脉冲电源(8)的负极相连作为阴极电极，所述SiC晶棒(3)与直流脉冲电源(8)的正极相连作为阳极电极，所述玻璃槽(7)中装有电解液(5)并且电解液(5)浸没SiC晶棒(3)，电解液(5)中分散设置有金刚石微粒(9)。

2.根据权利要求1所述的SiC单晶片的超声电复合切割装置，其特征在于，所述的线锯(2)采用外表面镀铜的不锈钢基体，直径为0.12mm。

3.SiC单晶片的超声电复合切割方法，其特征在于，所采用的切割装置结构如下：包括玻璃槽(7)，玻璃槽(7)安装在机床夹具上，玻璃槽(7)内的底部固接有树脂基座(6)，树脂基座(6)上安装有SiC晶棒(3)，玻璃槽(7)的上方设置有线锯(2)，线锯(2)的上方设置有超声波发生器(1)；所述线锯(2)与直流脉冲电源(8)的负极相连作为阴极电极，所述SiC晶棒(3)与直流脉冲电源(8)的正极相连作为阳极电极，所述玻璃槽(7)中装有电解液(5)并且电解液(5)浸没SiC晶棒(3)，电解液(5)中分散设置有金刚石微粒(9)；所述的线锯(2)采用外表面镀铜的不锈钢基体，直径为0.12mm；

具体按照以下步骤实施：

步骤1、打开直流脉冲电源(8)及超声波发生器(1)；

步骤2、使SiC晶棒(3)向线锯(2)进给，当作为阴极的线锯(2)靠近作为阳极的SiC晶棒(3)时，在直流脉冲电源(8)的作用下，线锯(2)与SiC晶棒(3)之间的介质形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使得作为阳极的SiC晶棒(3)在放电处熔化、气化，从而发生SiC晶棒材料的去除；同时，线锯(2)在超声波发生器(1)的作用下，通过电解液(5)使金刚石微粒(9)产生紊流研磨，进一步切割SiC晶棒。

4.根据权利要求3所述的SiC单晶片的超声电复合切割方法，其特征在于，步骤1中所述的直流脉冲电源(8)的电压为0-700V、电压脉冲宽度为6μs-18μs、峰值电流为0-500A、电流脉冲宽为1000μs-3000μs。

5.根据权利要求3所述的SiC单晶片的超声电复合切割方法，其特征在于，步骤1中所述的超声波发生器(1)的振幅为0.1-0.5μm，频率为20kHz。

6.根据权利要求3所述的SiC单晶片的超声电复合切割方法，其特征在于，步骤2中所述的电解液(5)的pH值为7-9。

7.根据权利要求3所述的SiC单晶片的超声电复合切割方法，其特征在于，步骤2中所述的电解液(5)和金刚石微粒(9)的体积比为10:5到10:1。

8.根据权利要求3所述的SiC单晶片的超声电复合切割方法，其特征在于，步骤2中所述的使得线锯(2)与SiC晶棒(3)之间的介质形成放电通道的直流脉冲电源(8)的参数值为：电压300-700V、电压脉冲宽度6μs-18μs、峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs。

9.根据权利要求3所述的SiC单晶片的超声电复合切割方法，其特征在于，步骤2中所述的使金刚石微粒(9)产生紊流研磨的超声波发生器(1)的参数为：振幅0.1-0.5μm，频率20kHz。