CN105058604A - 一种实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉及其使用方法，该罗拉设置有两种或两种以上槽区间，每个槽区间设置有等间距的槽，不同槽区间内的槽间距不同，槽区间之间设置有过渡槽。本发明还涉及上述罗拉的使用方法。本发明通过将罗拉设计为不同的槽间距，可以同时切割不同直径且厚度要求不同的材料，从而提高切割效率，实现了节省能源、材料、时间的目的；通过将罗拉设计为不同的槽间距，减少了安装、拆卸罗拉的次数，减少了操作工序，提高了工作效率。

Description

一种实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉及其使用方法，属于半导体单晶材料加工领域。

背景技术

多线切割方法是金属切割线通过一组导轮的指引，形成一张线网，通过在高速往复运转的金属切割丝上的切割液与半导体硅片等材料产生摩擦，依靠工作台的上升或下降，将半导体硅、SiC、蓝宝石等硬脆材料一次同时切割为数百薄片的新型切割加工方法。目前数控多线切割机凭借其极高的生产效率和出片率已经成为半导体材料的主要切割方式。

SiC单晶是宽禁带半导体材料的典型代表，是制备高温、高频、大功率电子器件的关键材料，同时又是制备绿、蓝、紫外LED的理想衬底材料。然而SiC的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，导致SiC晶体的切割难度相当大，切割速率非常慢，需要的切割时间随直径增大而急速增加。一般而言，晶体直径越大，晶体内部应力越大，晶体切割时工作台移动速度越慢，切割时间越长。优化后的切割工艺表明，2inchSiC单晶的切割时间为10～20h，3inchSiC单晶的切割时间为20～30h，4inchSiC单晶的切割时间为80～100h,6inchSiC单晶的切割时间为150～200h，如此长的切割时间导致成本急剧增加。

在切割SiC单晶晶体时，不同单晶直径的薄片有不同的厚度要求，2inch～4inchSiC衬底厚度为350～450μm，6inchSiC衬底厚度为500～800μm。在多线切割机对材料进行切割加工时，罗拉的开槽间距决定着切割材料的厚度。罗拉的设计决定着切割材料最终薄片的厚度。一般情况下，切割材料的薄片厚度近似等于罗拉槽间距减去金属切割线的直径和切割液中磨料颗粒的大小。单一罗拉槽的罗拉设计方案不能同时切割不同直径且薄片厚度要求不同的SiC单晶。因此需要频繁拆卸、安装不同规格的罗拉，极大地增加了工作量；同时由于单次切割相同直径、薄片厚度要求相同的晶体，使得时间利用率低，严重地降低了切割效率。

中国专利文件CN103009490A(申请号：201210569696.0)公开了一种提高多线切割机切割厚度范围的多线切割机钢丝线的调线装置，它包括安装在前固定板、后主板上尺寸、线槽数、槽间距相同的左切割罗拉、右切割罗拉，其特征是后主板上设有导轮安装板，导轮安装板上分别设有进线导轮组、出线导轮组；使钢丝线由左切割罗拉的第一个线槽竖直引出，切入进线导轮组上的第一个导轮，再切入出线导轮组上与之共面的第一个导轮，然后竖直向下进入右切割罗拉的第二个线槽，完成钢丝线的换槽，该发明避免因切割罗拉上V形环槽的间距过大而引起切割罗拉的槽间跨角过大，出现跳线和切割罗拉偏磨等不良现象，虽然可以实现调节晶体的切割厚度，但是仍然需要利用调线装置对多线切割机进行调节之后才能实现，操作步骤仍然繁琐，而且影响工作效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种实现超硬SiC单晶不同直径同时切割的多线切割机罗拉及其使用方法。该罗拉在晶体不同厚度的多线切割过程中，可减少罗拉的安装、拆卸次数，进而降低了轴承底座拆卸过程中轴承意外进砂的机率，节省人力、增加罗拉使用次数和轴承底座中导轮寿命。由于罗拉槽间距不同，可以同时切割不同直径的组合晶体，从而达到节时节能节材的效果。

本发明的技术方案如下：

一种实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，该罗拉设置有两种或两种以上槽区间，每个槽区间设置有等间距的槽，不同槽区间内的槽间距不同，槽区间之间设置有过渡槽。

根据本发明，设置过渡槽的目的在于防止罗拉开槽时造成崩边。

根据本发明，优选的，槽区间的个数为2-5个；槽区间的个数由待切割组合晶体中不同直径的数量决定。

根据本发明，优选的，槽区间内的槽间距为0.6～1mm，不同槽区间内的槽间距不同；槽间距的大小由不同直径的SiC晶片的厚度决定。

根据本发明，优选的，过渡槽的宽度为1～1.5mm。

根据本发明，优选的，每个槽区间内槽的个数为30-120个；每个槽区间内槽的个数由用该槽切割的SiC晶体厚度决定。

根据本发明，优选的，所述罗拉的材质为聚乙烯材料或者聚氨酯材料。

根据本发明，优选的，所述的槽为V形槽；进一步优选的，当罗拉材质为聚乙烯材料时，V形槽角度为50°，当罗拉的材质为聚氨酯材料时，V形槽角度为70°。

根据本发明，上述实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉可安装到现有的多线切割机中使用。

根据本发明，上述实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机中使用的金属切割线为钢丝线或者金刚石线。

根据本发明，上述实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉的使用方法，包括步骤如下：

(1)罗拉安装：

将罗拉安装在多线切割机上，安装之后，所述的多线切割机包括供线轮、供线导轮组、罗拉、收线导轮组、收线轮和工作台；

(2)绕线：

将金属切割线从所述供线轮处引出，依次经过所述供线导轮组，然后绕至所述罗拉上；在所述罗拉的一个槽区间一端绕线，然后所述金属切割线绕至过渡槽，然后继续将金属切割线绕至下一个槽区间，以此类推，绕完所有槽区间为止；最后将所述金属切割线依次从所述罗拉上绕至所述收线导轮组和收线轮上，完成绕线；

(3)切割晶体放置：

将待切割的不同直径的组合晶体放置在工作台上，并且按照最终薄片厚度要求对应放置在相匹配的槽区间下方；

(4)晶体切割：

启动多线切割机，供线轮供线，金属切割线运行，工作台上升，待切割晶体被切割成薄片。

根据本发明，优选的，步骤(4)中供线速度为10-20m/min，金属切割线运行速度为400-1000m/min，工作台上升速度为0.009mm/min-0.050mm/min。

根据本发明，优选的，所述的晶体为硬脆半导体材料，进一步优选为不同直径的碳化硅单晶，但不局限于此，对蓝宝石、单晶硅、砷化镓等半导体材料同样适用。

根据本发明，切割完成后，取下晶片，可用螺旋测微器测量处于不同槽区间下方的薄片厚度。根据不同材料制作的罗拉有效使用寿命，罗拉上不同槽间距的槽区间的个数以及槽数量取决于使用该槽的切割次数及单次使用时间，即由切割该槽使用的总时间决定。一般而言，使用的总时间越长，该槽在罗拉上的数量应越多。

本发明适用于所有多线切割机机型。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过将罗拉设计为不同的槽间距，可以同时切割不同直径且厚度要求不同的材料，从而提高切割效率，实现了节省能源、材料、时间的目的。

2、本发明通过将罗拉设计为不同的槽间距，减少了安装、拆卸罗拉的次数，减少了操作工序，提高了工作效率。

3、本发明的罗拉，易于实现，便于推广实用。

4、本发明尤其适用于切割厚度变化、直径大、硬度大的材料，更能体现节能节时，提高效率的目的。

附图说明

图1是本发明实施例1多线切割机切割晶体的结构示意图。

图2是本发明实施例1中罗拉的立体结构图。

图3是本发明实施例1中罗拉的局部放大图。

附图标记说明：

1——供线轮；2——供线导轮组；

3——罗拉；4——收线导轮组；

5——收线轮；6——金属切割线；

7——待切割晶体；8——工作台；

3-1——第一槽区间；3-2——过渡槽；

3-3——第二槽区间。

具体实施方式

下面结合实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

如图1所示：实施例中使用的多线切割机包括供线轮1、供线导轮组2、罗拉3、收线导轮组4、收线轮5、金属切割线6、待切割晶体7、工作台8。多线切割机切割待切割晶体7时，工作台8按照设定的参数上升，直至待切割晶体7被切割成薄片。所述罗拉3的槽间距决定着待切割晶体7的厚度。

实施例1

一种实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉3，该罗拉3设置有第一槽区间3-1和第二槽区间3-3，每个槽区间设置有等间距的V形槽，罗拉3的材质为聚乙烯材料，V形槽的开槽角度为50°，第一槽区间3-1的槽间距为0.73mm，第二槽区间3-3的槽间距为0.85mm，槽区间之间设置有过渡槽3-2，过渡槽3-2的宽度为1.5mm。过渡槽3-2目的是防止罗拉3开槽时造成崩边。

本实施例中罗拉3有效长度为260mm，罗拉两端各预留5mm。金属切割线6的直径为0.16mm。

本实施例按如下步骤进行操作：

(1)罗拉安装：

将多线切割机罗拉3安装在多线切割机上，安装之后，所述的多线切割机包括供线轮1、供线导轮组2、罗拉3、收线导轮组4、收线轮5、金属切割线6、待切割晶体7、工作台8；

(2)绕线：

将上、下张力摆锤的张力值设置为5N，将所述金属切割线6从所述供线轮1处引出，依次经过所述收线导轮组2，然后将线绕至所述罗拉3上；手动在第一槽区间3-1内绕线5～6根，确保所述金属切割线6进入0.73mm处的槽中；然后在调整模式下，所述金属切割线6以5m/min的速度绕至过渡槽3-2处，此时手动将所述金属切割线6绕至过渡槽3-2内，然后继续手动将金属切割线6绕至第二槽区间3-3内，在确保金属切割线6绕至第二槽区间3-3内的槽中后，在调整模式下，将所述金属切割线6以5m/min的速度继续往第二槽区间3-3内绕线；第一槽区间3-1(0.73mm)和第二槽区间3-3(0.85mm)内的槽对应的待切割晶体7厚度分别为10mm和20mm，将第一槽区间3-1(0.73mm)和第二槽区间3-3(0.85mm)内的槽上分别绕线12mm和22mm；最后将所述金属切割线6依次从所述罗拉3上绕至所述收线导轮组4和收线轮5上，完成绕线；

(3)切割晶体放置：

将待切割组合晶体7，即4inchSiC单晶和6inchSiC单晶放置在工作台8上，并且将4inchSiC单晶放置在第一槽区间(0.73mm)正下方，将6inchSiC单晶放置在第二槽区间(0.85mm)正下方；在4inchSiC单晶和6inchSiC单晶中间放置厚度为1.5mm的石英薄片，石英薄片所处位置正好处于过渡槽3-2处；

(4)晶体切割：

设置工作台8的零点位置，输入相应的工作方案，工作模式设置为多线切割模式，将上下摆锤的张力值设置为30N，供线速度设置为10m/min，金属切割线6高速运转速度为400m/min，多线切割机进入正常切割状态，工作台8按照设置的工作方案进行上升，上升速度为0.015-0.028mm/min，待切割晶体7被切割成不同厚度的薄片。

晶体薄片厚度测试：

切割完成后，取下晶体，用螺旋测微器测量处于不同槽区间下方的晶体薄片厚度。结果表明位于第一槽区间3-1(0.73mm)下方的4inchSiC单晶的薄片厚度大约为0.53mm，位于第二槽区间3-3(0.85mm)下方的6inchSiC单晶的薄片厚度大约为0.65mm，处于过渡槽3-2下方的石英薄片厚度为1.3mm。

实施例2

如实施例1所述，所不同之处在于：

罗拉3的材质为为聚氨酯材料，开槽角度为70°，罗拉3设置有槽间距分别为0.6mm、0.8mm、0.9mm三个槽区间，待切割晶体为3inchSiC单晶、4inchSiC单晶和6inchSiC单晶，对应的晶体厚度分别为20mm、15mm、10mm；过渡槽3-2的宽度为1.0mm。

按照实施例1中的步骤在槽间距为0.6mm、0.8mm和0.9mm的槽区间内分别绕线，绕线宽度分别为22mm、16mm和12mm。按照最终薄片厚度要求，将3inchSiC单晶、4inchSiC单晶和6inchSiC单晶分别放置在0.6mm、0.8mm和0.9mm罗拉槽区间的正下方，并固定在工作台上，不同直径的SiC单晶之间放置石墨薄块，石墨薄块的位置位于过渡槽3-2的正下方，石墨片的厚度为1.2mm。设置工作方案，将供线速度设置为15m/min，金属切割线6高速运转速度为500m/min，上下张力摆锤的张力设置为30N，工作台8按照设定的参数上升直至晶体被切割成薄片，工作台8上升速度为0.009-0.030mm/min。

切割完成后取下晶体，用螺旋测微器测量薄片的厚度。结果表明位于0.6mm槽区间下方的3inchSiC晶体的薄片厚度大约为0.4mm，位于0.8mm槽区间下方的4inchSiC单晶的薄片厚度大约为0.6mm，位于0.9mm槽区间下方的6inchSiC单晶的薄片厚度大约为0.7mm，处于过渡槽3-2下方的石英薄片厚度为0.8mm。

实施例3

如实施例1所述，所不同之处在于：

罗拉3设置有槽间距分别为0.65mm、0.78mm、0.86和0.98mm四个槽区间，对应待切割晶体为2inchSiC单晶、3inchSiC单晶、4inchSiC单晶和6inchSiC单晶，对应的厚度分别为18mm、16mm、14mm和13mm。过渡槽3-2的宽度为1.3mm。按照实施例1中的步骤在罗拉的0.65mm、0.78mm、0.86mm和0.98mm的槽区间上分别绕线，绕线宽度分别为20mm、18mm、16mm和15mm。按照最终薄片厚度要求，将2inchSiC单晶、3inchSiC单晶、4inchSiC单晶和6inchSiC单晶分别放置在0.65mm、0.78mm、0.86和0.98mm四个罗拉槽区间正下方并固定在工作台8上，待切割晶体7之间放置石墨薄块，石墨薄块的位置位于过渡槽3-2的正下方，石墨片的厚度为1.5mm。设置工作方案，将供线速度设置为18m/min，金属切割线高速运转速度为600m/min，上下张力摆锤的张力设置为30N，工作台按照设定的参数上升直至晶体被切割成薄片，工作台8上升速度为0.010-0.026mm/min。

切割完成后取下晶体，用螺旋测微器测量薄片的厚度。结果表明位于0.65mm槽区间下方的2inchSiC单晶晶体的薄片厚度大约为0.45mm，位于0.78mm槽区间下方的3inchSiC单晶的薄片厚度大约为0.58mm，位于0.86mm槽区间下方的4inchSiC单晶的薄片厚度大约为0.66mm，位于0.98mm槽区间下方的6inchSiC单晶薄片的厚度大约为0.88mm，处于过渡槽3-2下方的石英薄片厚度为1.1mm。

Claims (10)

1.一种实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，该罗拉设置有两种或两种以上槽区间，每个槽区间设置有等间距的槽，不同槽区间内的槽间距不同，槽区间之间设置有过渡槽。

2.根据权利要求1所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，所述的槽区间的个数为2-5个。

3.根据权利要求1所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，所述的槽区间内的槽间距为0.6～1mm。

4.根据权利要求1所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，所述的过渡槽的宽度为1～1.5mm。

5.根据权利要求1所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，每个槽区间内槽的个数为30-120个。

6.根据权利要求1所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，所述罗拉的材质为聚乙烯材料或者聚氨酯材料。

7.根据权利要求1所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，所述的槽为V形槽。

8.根据权利要求7所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉，其特征在于，当罗拉材质为聚乙烯材料时，V形槽角度为50°，当罗拉的材质为聚氨酯材料时，V形槽角度为70°。

9.一种权利要求1-8任一项所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉的使用方法，包括步骤如下：

(1)罗拉安装：

将罗拉安装在多线切割机上，安装之后，所述的多线切割机包括供线轮、供线导轮组、罗拉、收线导轮组、收线轮和工作台；

(2)绕线：

将金属切割线从所述供线轮处引出，依次经过所述供线导轮组，然后绕至所述罗拉上；在所述罗拉的一个槽区间一端绕线，然后所述金属切割线绕至过渡槽，然后继续将金属切割线绕至下一个槽区间，以此类推，绕完所有槽区间为止；最后将所述金属切割线依次从所述罗拉上绕至所述收线导轮组和收线轮上，完成绕线；

(3)切割晶体放置：

将待切割的不同直径的组合晶体放置在工作台上，并且按照最终薄片厚度要求对应放置在相匹配的槽区间下方；

(4)晶体切割：

启动多线切割机，供线轮供线，金属切割线运行，工作台上升，待切割晶体被切割成薄片。

10.根据权利要求9所述的实现SiC单晶不同直径切割的多线切割机罗拉的使用方法，其特征在于，步骤(4)中供线速度为10-20m/min，金属切割线运行速度为400-1000m/min，工作台上升速度为0.009mm/min-0.050mm/min。