CN105034180B - SiC单晶片的微弧放电微细切割装置及切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了SiC单晶片的微弧放电微细切割装置，包括床身、导管和脉冲电源箱，床身上安装有线锯系统和机床工作台，机床工作台上安装有SiC单晶棒，导管的一端通过液压泵与电解液箱连接，导管的另一端位于SiC单晶棒与线锯系统切割处的上方；脉冲电源箱的正极与SiC单晶棒的一端相连，脉冲电源箱的负极与线锯系统中的线锯相连。本发明还公开了SiC单晶片的微弧放电微细切割方法。本发明通过微弧放电体的放电加工方法缩短了SiC单晶片的切割时间，提高了材料去除率，降低晶片表面粗糙度和TTV，降低了线锯的磨损，节省珍贵硬脆材料。

Description

SiC单晶片的微弧放电微细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单晶片的微弧放电微细切割装置，本发明还涉及SiC单晶片的微弧放电微细切割方法。

背景技术

随着技术的发展，SiC作为第三代半导体材料在功率器件和IC行业的应用越来越广泛。在其大直径生长过程突破后，其晶片的制造过程成为人们关注的焦点。由于高硬度和脆性，使得SiC单晶片的切割、研磨和抛光成为器件制造过程的瓶颈，尤其是切割过程，占据了整个晶片制造工作量的50％左右。切割后的晶片表面质量对后续的研磨和抛光工作以及晶片作为功率器件衬底的使用寿命具有重要影响。目前SiC单晶的切片主要采用固结金刚石磨粒的线锯进行切割，线锯表面的磨粒和SiC单晶表面通过挤压、摩擦使得材料发生脆性断裂去除，该方法存在以下问题：

1.线锯和SiC单晶属于接触式切割，在切割力的作用下，晶片发生变形和翘曲，TTV(total thickness variation)较大，当SiC单晶旋转时，切割后的晶片表面呈鼓形；

2.由于金刚石磨粒是通过电镀方法附着在不锈钢线锯表面，在接触性切割时，磨粒的伸出高度不等，造成切割后的晶片表面出现大量线锯划痕，使得晶片表面的粗糙度值提高；

3.切割过程中，在线锯和SiC作用下，磨粒与SiC单晶棒的接触、摩擦和挤压导致磨粒磨损和脱落，使得线锯切割能力下降，也会进一步导致晶片变形成鼓形；

4.固结磨粒金刚石线锯表面镀上金刚石颗粒，作为刀具有一定的强度，承受一定的张力，其直径不可能太小，一般从0.2-0.5mm，切割过程中由于机床本身的因素，因此SiC单晶的切缝在0.25-0.3mm，这就造成了珍贵材料的浪费。

由于接触式加工存在的诸多问题，有学者尝试采用特种加工方法——通过电火花放电加工SiC，其切割效率比金刚石线锯切割高10倍左右，但对晶片表面和亚表面造成了烧伤，使得后续的研磨和抛光工作量加大，同时还造成了珍贵材料的更多浪费。

也有学者采用等离子体方法进行SiC单晶的抛光，由于材料是通过等离子体中的氧化性离子与电场作用下的SiC单晶棒表面活性原子发生化学反应被去除，因此去除尺度处在原子级，无表面热烧伤和化学损伤，可以获得较低的表面粗糙度，但该方法材料去除率非常低，因而不适用于切片过程。

因此寻找具有较高的材料去除率，同时SiC单晶棒表面粗糙度和TTV等较小的SiC单晶切片方法成为该材料加工的趋势。图2为气体放电伏安特性曲线，传统的等离子体加工，将等离子体强度控制在正常辉光放电区与异常辉光区的交界处(图2中的F区)，气体分子的离化率很低(10％左右)，MRR(Material Removal Rate，材料去除率)十分有限。如果将异常辉光放电调整到最接近于dV/dI→0的状态(图2中G区左侧)，气体电离后的离化率可达70％左右，即形成微弧等离子体，利用微弧产生的等离子体实现SiC单晶的切割过程，保持材料的去除过程在微纳米级(属于微细切割)，同时获得非接触式加工无表面翘曲和表面损伤、TTV低的优点，还可保持比等离子加工高的MRR。而G区右侧尽管气体的离化率理论上可达100％，但由于伏安特性已处于弧光放电区，易对阳极SiC单晶表面产生烧损，应避免用于精密半导体材料的加工。

由于受制于瞬间超大功率脉冲电控技术的发展极限，长期以来70％微弧放电体G区附近的异常辉光放电区域一直没有利用起来，从目前的文献检索情况来看，微弧放电体还没有用于SiC等非良导电超硬脆材料切割的先例。近年来，随着快速开断器件工业的发展，窄脉冲宽度(微秒)、大脉冲电流强度(瞬时电流强度大于102A)电控技术的不断突破，使得气固界面的等离子体强度既可无限逼近异常辉光放电区的微弧放电产生区dV/dI→0状态，又可避免进入G-H区的电弧等离子区域，为非弧状微弧放电体的应用奠定了设备基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiC单晶片的微弧放电微细切割方法，解决现有技术切割出的SiC单晶片会发生翘曲变形且表面粗糙度较高的问题。

本发明所采用的技术方案是：

SiC单晶片的微弧放电微细切割方法，所采用的切割装置结构如下：包括床身、导管和脉冲电源箱，床身上安装有线锯系统和机床工作台，机床工作台上安装有SiC单晶棒，导管的一端通过液压泵与电解液箱连接，导管的另一端位于SiC单晶棒与线锯系统切割处的上方；脉冲电源箱的正极与SiC单晶棒的一端相连，脉冲电源箱的负极与线锯系统中的线锯相连；导管的另一端安装有喷头，导管上安装有流量计；床身上表面设置有导流槽，导流槽与排水管的一端相连，排水管的另一端通向所述电解液箱；电解液箱内部设置有过滤网。

具体按照以下步骤实施：

步骤1、使机床工作台运动至SiC单晶棒与线锯之间的距离为100微米-150微米的位置处；

步骤2、在电解液箱中装入碱性电解液，使碱性电解液经过导管由喷嘴喷到线锯和SiC单晶棒所处切割处的上方；使旋转轴带动SiC单晶棒进行旋转，并打开脉冲电源箱，在脉冲电流电场的作用下，SiC单晶棒和线锯之间的碱性电解液发生电解生成氧气并形成氧气膜；

步骤3、调节脉冲电源箱使步骤2中形成的氧气膜两端的电场强度至峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs，SiC单晶棒表层在脉冲电场的作用下完成切割。

本发明的特点还在于：

步骤2中所述的碱性电解液的pH值为7-9。

步骤2中所述的脉冲电源箱的电压为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。

本发明的有益效果是：本发明通过微弧放电体的放电加工方法缩短了SiC单晶片的切割时间，提高了材料去除率，降低晶片表面粗糙度和TTV，降低了线锯的磨损，节省珍贵硬脆材料。

附图说明

图1为本发明SiC单晶片的微弧放电微细切割装置的结构示意图；

图2为气体放电伏安特性曲线和技术分类电场图；

图3为本发明SiC单晶片的微弧放电微细切割方法的切割过程示意图；

图4是图3的A-A剖视图。

图中，1.床身，2.底座，3.齿轮传动系统，4.运丝托板，5.运丝筒，6.导轮，7.立柱，8.上臂，9.下臂，10.线锯，11.导管，12.流量计，13.支架，14.脉冲电源箱，15.上托板，16.排水管，17.电解液箱，18.过滤网，19.下托板，20.液压泵，21.等离子体，22.SiO₂，23.导电胶，24.SiC单晶棒，25.电解液。

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单晶片的微弧放电微细切割装置，如图1所示，包括床身1、导管11和脉冲电源箱14，床身1上设置有底座2和立柱7。床身1上还安装有线锯系统和机床工作台。机床工作台包括安装在床身1上的导轨a，导轨a上设置有下托板19，下托板19上连接有由电机驱动的丝杠；下托板19上还安装有导轨b，导轨b与导轨a相垂直，导轨b上设置有上托板15，上托板15上连接有由电机驱动的丝杠；上托板15上还安装有支架13，支架13上设置有旋转轴。线锯系统包括设置在底座2上的运丝托板4，运丝托板4上安装有运丝筒5，运丝筒5的输入轴通过齿轮传动系统3与电机相连；立柱7上从上到下依次安装有上臂8和下臂9，上臂8上固接有配重块，上臂8通过配重块与立柱7相连。上臂8的两端及下臂9的两端均分别安装有导轮6，线锯10的一端从运丝筒5出来后，依次经过上臂8上的两个导轮6和下臂9上的两个导轮6后又回到运丝筒5中。导管11的一端通过液压泵20与电解液箱17相连，导管11的另一端安装有喷头且位于工件的上方，导管上安装有流量计12；床身1上表面设置有导流槽，导流槽与排水管16的一端相连，排水管16的另一端通向电解液箱17，电解液箱17内部设置有过滤网18。SiC单晶棒24的一端使用工业胶与旋转轴相连，旋转轴由电机带动实现旋转，SiC单晶棒24的另一端通过导电胶(导电粘合剂)13与脉冲电源箱14的正极连接使其成为阳极电极；线锯10采用不锈钢基体外面镀铜，其与脉冲电源箱14的负极相连作为阴极电极。

SiC单晶片的微弧放电微细切割方法，所采用的切割装置结构如下：包括床身1、导管11和脉冲电源箱14，床身1上设置有底座2和立柱7。床身1上还安装有线锯系统和机床工作台。机床工作台包括安装在床身1上的导轨a，导轨a上设置有下托板19，下托板19上连接有由电机驱动的丝杠；下托板19上还安装有导轨b，导轨b与导轨a相垂直，导轨b上设置有上托板15，上托板15上连接有由电机驱动的丝杠；上托板15上还安装有支架13，支架13上设置有旋转轴。线锯系统包括设置在底座2上的运丝托板4，运丝托板4上安装有运丝筒5，运丝筒5的输入轴通过齿轮传动系统3与电机相连；立柱7上从上到下依次安装有上臂8和下臂9，上臂8上固接有配重块，上臂8通过配重块与立柱7相连。上臂8的两端及下臂9的两端均分别安装有导轮6，线锯10的一端从运丝筒5出来后，依次经过上臂8上的两个导轮6和下臂9上的两个导轮6后又回到运丝筒5中。导管11的一端通过液压泵20与电解液箱17相连，导管11的另一端安装有喷头且位于工件的上方，导管上安装有流量计12；床身1上表面设置有导流槽，导流槽与排水管16的一端相连，排水管16的另一端通向电解液箱17，电解液箱17内部设置有过滤网18。SiC单晶棒24的一端使用工业胶与旋转轴相连，旋转轴由电机带动实现旋转，SiC单晶棒24的另一端通过导电胶(导电粘合剂)13与脉冲电源箱14的正极连接使其成为阳极电极；线锯10采用不锈钢基体外面镀铜，其与脉冲电源箱14的负极相连作为阴极电极。

具体按照以下步骤实施：

步骤1、使机床工作台运动至SiC单晶棒24与线锯10之间的距离为100微米-150微米的位置处；

步骤2、在电解液箱17中装入碱性电解液，碱性电解液的pH值为7-9。使碱性电解液经过导管11由喷嘴喷到线锯10和SiC单晶棒所处切割处的上方；使旋转轴带动SiC单晶棒24进行旋转，并打开脉冲电源箱14，在脉冲电流电场的作用下，SiC单晶棒24和线锯10之间的碱性电解液发生电解生成氧气并形成氧气膜；脉冲电源箱14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3、调节脉冲电源箱14使步骤2中形成的氧气膜两端的电场强度至峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs，SiC单晶棒24表层在脉冲电场的作用下产生氧等离子体，氧等离子体与SiC单晶棒24表层发生化学反应，一方面生成CO逸出，另一方面生成SiO₂，SiO₂沉积在SiC单晶棒24的表层后被喷嘴喷出的碱性电解液去除掉，即达到切割SiC单晶棒24成为SiC单晶片的目的。

本发明切割方法的工作原理如下(参见图3及图4)：SiC单晶微弧放电体加工方法中，线锯作为阴极，SiC单晶棒作为阳极，当运动的SiC单晶棒靠近线锯至一定间距(100微米到150微米之间，便于电极之间电解液通过)时，在外加的微秒级脉冲电流电场作用下，极间的碱性电解液25发生电解生成氧气，其方程式为

H₂O→OH^-+H⁺ (1)

和

2H⁺→H₂ (2)

4OH^-→2O₂+2H₂ (3)

按照

E＝V/s² (4)

其中，E为电场强度，V为电源电压，s为极间间距，调制氧气膜两端的电场强度至气体放电双峰曲线辉弧过渡区的左侧(峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs)，使氧气离化的伏安特性向dV/dI→0逼近，调控阴阳极间距s和外电场电流输入模式(电流峰值I_p,电流脉冲宽度t_on,脉冲间隔t_off)，SiC单晶棒表层微区在外加脉冲电场作用下，产生热积累

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{I}_p^2{R}_i{t}_{on}---\left(5\right)$

其中，Q为热量，R_i为第i个微区电阻值，根据电热转换途径，当热累积接近SiC单晶的升华温度时，发生热电子发射，使微区的SiC处于高活性状态。同时构建出等离子体强度远大于正常辉光放电而不进入弧光放电区的等离子体微区，该微区所产生的最大电场强度使得所产生的氧气发生最大电离，形成不稳定的激发状态，产生氧等离子体的强度达到最优值。氧等离子21容易与微区SiC单晶表面层处于高活性状态的Si产生化学反应生成SiO₂22，与C反应生成CO逸出，而SiO₂22沉积在SiC单晶的表面层。

由于SiO₂的电阻率(10¹⁴Ω·cm)大于SiC单晶的电阻率(10⁶Ω·cm)，微区放电过程会自发寻找新的易导电的微区，重复微区热积累，形成热电子发射，进而将氧气离化为氧等离子体，使该过程持续进行。

实验中SiC单晶棒24的一端使用工业胶与旋转轴固定，另一端通过导电胶(导电粘合剂)23与脉冲电源的正极连接使其成为阳极；线锯10采用不锈钢基体外面镀铜，直径为0.12mm，与脉冲电源的负极相连作为阴极电极；电解液箱17的碱性电解液25经过液压泵20、流量计12经喷嘴喷入加工区。

实施例1：

步骤1、使机床工作台运动至SiC单晶棒24与线锯10之间的距离为100微米的位置处；

步骤2、在电解液箱17中装入碱性电解液，碱性电解液的pH值为7。使碱性电解液经过导管11由喷嘴喷到线锯10和SiC单晶棒24所处切割处的上方；使旋转轴带动SiC单晶棒24进行旋转，并打开脉冲电源箱14，在脉冲电流电场的作用下，SiC单晶棒24和线锯10之间的碱性电解液发生电解生成氧气并形成氧气膜；脉冲电源箱14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3、调节脉冲电源箱14使步骤2中形成的氧气膜两端的电场强度至峰值电流300A、电流脉冲宽1000μs，SiC单晶棒24表层在脉冲电场的作用下产生氧等离子体，氧等离子体与SiC单晶棒24表层发生化学反应，一方面生成CO逸出，另一方面生成SiO₂，SiO₂沉积在SiC单晶棒24的表层后被喷嘴喷出的碱性电解液去除掉，即达到切割SiC单晶棒24成为SiC单晶片的目的。

实施例2：

步骤1、使机床工作台运动至SiC单晶棒24与线锯10之间的距离为125微米的位置处；

步骤2、在电解液箱17中装入碱性电解液，碱性电解液的pH值为8。使碱性电解液经过导管11由喷嘴喷到线锯10和SiC单晶棒24所处切割处的上方；使旋转轴带动SiC单晶棒24进行旋转，并打开脉冲电源箱14，在脉冲电流电场的作用下，SiC单晶棒24和线锯10之间的碱性电解液发生电解生成氧气并形成氧气膜；脉冲电源箱14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3、调节脉冲电源箱14使步骤2中形成的氧气膜两端的电场强度至峰值电流400A、电流脉冲宽2000μs，SiC单晶棒24表层在脉冲电场的作用下产生氧等离子体，氧等离子体与SiC单晶棒24表层发生化学反应，一方面生成CO逸出，另一方面生成SiO₂，SiO₂沉积在SiC单晶棒24的表层后被喷嘴喷出的碱性电解液去除掉，即达到切割SiC单晶棒24成为SiC单晶片的目的。

实施例3：

步骤1、使机床工作台运动至SiC单晶棒24与线锯10之间的距离为150微米的位置处；

步骤2、在电解液箱17中装入碱性电解液，碱性电解液的pH值为9。使碱性电解液经过导管11由喷嘴喷到线锯10和SiC单晶棒24所处切割处的上方；使旋转轴带动SiC单晶棒24进行旋转，并打开脉冲电源箱14，在脉冲电流电场的作用下，SiC单晶棒24和线锯10之间的碱性电解液发生电解生成氧气并形成氧气膜；脉冲电源箱14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3、调节脉冲电源箱14使步骤2中形成的氧气膜两端的电场强度至峰值电流500A、电流脉冲宽3000μs，SiC单晶棒24表层在脉冲电场的作用下产生氧等离子体，氧等离子体与SiC单晶棒24表层发生化学反应，一方面生成CO逸出，另一方面生成SiO₂，SiO₂沉积在SiC单晶棒24的表层后被喷嘴喷出的碱性电解液去除掉，即达到切割SiC单晶棒24成为SiC单晶片的目的。

Claims (3)

1.SiC单晶片的微弧放电微细切割方法，其特征在于，所采用的切割装置结构如下：包括床身(1)、导管(11)和脉冲电源箱(14)，床身(1)上安装有线锯系统和机床工作台，机床工作台上安装有SiC单晶棒，所述导管(11)的一端通过液压泵(20)与电解液箱(17)连接，导管(11)的另一端位于SiC单晶棒(24)与线锯系统切割处的上方；所述脉冲电源箱(14)的正极与SiC单晶棒(24)的一端相连，脉冲电源箱(14)的负极与线锯系统中的线锯(10)相连；所述导管(11)的另一端安装有喷头，导管上安装有流量计(12)；所述床身(1)上表面设置有导流槽，导流槽与排水管(16)的一端相连，排水管(16)的另一端通向所述电解液箱(17)；电解液箱(17)内部设置有过滤网(18)；

具体按照以下步骤实施：

步骤1、使机床工作台运动至SiC单晶棒(24)与线锯(10)之间的距离为100微米-150微米的位置处；

步骤2、在电解液箱(17)中装入碱性电解液，使碱性电解液经过导管(11)由喷嘴喷到线锯(10)和SiC单晶棒(24)所处切割处的上方；使旋转轴带动SiC单晶棒(24)进行旋转，并打开脉冲电源箱(14)，在脉冲电流电场的作用下，SiC单晶棒(24)和线锯(10)之间的碱性电解液发生电解生成氧气并形成氧气膜；

步骤3、调节脉冲电源箱(14)使步骤2中形成的氧气膜两端的电场强度至峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs，SiC单 晶棒表层在脉冲电场的作用下完成切割。

2.根据权利要求1所述的SiC单晶片的微弧放电微细切割方法，其特征在于，步骤2中所述的碱性电解液的pH值为7-9。

3.根据权利要求1所述的SiC单晶片的微弧放电微细切割方法，其特征在于，步骤2中所述的脉冲电源箱(14)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。