CN105818284A - 一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6 英寸及以上尺寸SiC 单晶的方法 - Google Patents
一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6 英寸及以上尺寸SiC 单晶的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上尺寸SiC单晶的方法，包括：采用浸有金刚石砂浆的金刚石线对所述SiC单晶进行切割。本发明所述方法中，金刚石线上的金刚石颗粒被电镀在切割线上，不会随金刚石线的高速运动被甩出，实现了与SiC晶体的始终接触，保证了SiC切割片的面形质量；同时，金刚石砂浆中的金刚石磨粒被夹嵌在所述金刚石线表面固结金刚石颗粒之间的空隙处，并随金刚石线被高速带入所述SiC晶体中，SiC晶体受到金刚石线、金刚石砂浆两方面的切削，从而提高了切割效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，属于晶体材料加工的技术领域。
背景技术
SiC半导体材料是继元素半导体Si,Ge和化合物半导体GaAs,InP等之后发展起来的第三代半导体材料。SiC作为宽禁带半导体材料的一员，具有临界击穿场强高、热稳定性好、载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，是制备高温、高频、大功率电子器件的关键材料。目前，SiC在光电子器件、微电子器件以及电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能发挥着重要的作用。
为了降低器件的制备成本，通过技术的发展和工艺的改进，目前国内已成功突破了6英寸SiC单晶的研制，国外也率先实现了8英寸SiC单晶的研发。如何将大尺寸的SiC单晶加工成高质量的SiC衬底是实现大尺寸SiC单晶衬底应用的重要前提。其中，SiC单晶的切割是SiC衬底加工的第一步，也是最为关键的一步。切割后得到的SiC切割片质量的好坏直接影响到后续研磨、抛光等工艺。SiC的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，且SiC的化学性质稳定，常温下几乎不与其它物质反应，同时，SiC衬底还具有薄片(300～800μm)、大面积 等特点，使得SiC单晶的加工难度大大增加。目前一般采用多线切割机，利用钢丝线和金刚石砂浆或者金刚石线两种方式来切割SiC单晶。
采用钢丝线和金刚石砂浆的方式切割时，原材料价格较低，而且砂浆可循环利用，因此采用该种方法切割SiC晶体的经济成本较低。但是，由于晶片尺寸大，晶体的上切口晶片容易贴合到一块，使得磨料不能进入晶体中，严重影响晶体切割质量，造成切割片的翘曲度、粗糙度等参数偏大，对后续研磨、抛光工艺造成很大的困难。另外，采用该种方式切割6英寸SiC单晶时，切割时间长达150～200h，效率低，而且需要考虑机器长时间运转带来的安全、散热等问题，发生事故的概率增大，以上因素均不利于大规模量产。
采用金刚石线切割大尺寸SiC晶体时，切割速度快，切割时间短，能够有效提高SiC的切割效率。同时，采用此种方法利用的是镀有金刚石颗粒的钢丝线切割晶体，不存在晶片上切口贴合到一块而影响切割片质量的问题。因此，利用此方法切割晶体获得的SiC切割片的面形质量好，翘曲度、表面粗糙度等参数小，有利于后续衬底的磨抛加工。但是，金刚石线价格昂贵，单独采用金刚石线切割SiC晶体时，新线上的金刚石颗粒磨损严重，只能使用1次，不能重复利用，导致采用此种方法切割大尺寸SiC晶体的经济成本急剧增加。
中国专利CN1739927A公开了一种金刚石线切割SiC单晶棒的方法。该方法采用直径为150μm至450μm、外层镀有金刚石颗粒的金刚石线，利用金刚石线的高速运动实现对直径不小于2英寸的SiC连续切割。该发明可以切割出晶片翘曲度小、厚度均匀性好的SiC晶片，然而，该方法采用的是单线切割机，每次只能切割一片，切割效率低。中国专利CN103722625A公开了一种使用多线切割机，采用120μm至400μm、外镀有金刚石颗粒的金刚石线，实现大直径SiC晶棒多片切割的方法。采用该方法切割出的SiC晶片表面粗糙度、弯曲度和总厚度变化小，每次可以同时切割多块晶体，切割晶体时速率快、耗时少，能够实现SiC晶片的高效切割。然而，此方法中当SiC单晶的尺寸达到6英寸或更大尺寸后，金刚石线与SiC单晶的接触面积变大，金刚石颗粒磨损严重，为了保证切割质量，每次需要更换新的金刚石线，而金刚石线的价格昂贵，导致采用此方法切割SiC单晶的成本显著增加。因此，此方法不利于大规模切割6英寸及以上尺寸的SiC晶体。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上尺寸SiC单晶的方法。
本发明的技术方案如下：
一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，包括：
采用浸有金刚石砂浆的金刚石线对所述SiC单晶进行切割。本发明所述方法中，金刚石线上的金刚石颗粒被电镀在切割线上，不会随金刚石线的高速运动被甩出，实现了与SiC晶体的始终接触，保证了SiC切割片的面形质量；同时，金刚石砂浆中游离的金刚石磨粒被夹嵌在所述金刚石线表面1上固结金刚石颗粒2之间的空隙3处，并随金刚石线被高速带入SiC晶体中，SiC晶体受到金刚石线、金刚石砂浆两方面的切削，从而提高了切割效率。
此外，由于金刚石砂浆的存在，减弱了金刚石线上的金刚石颗粒与SiC单晶的摩擦，使得金刚石线的磨损大大降低，从而金刚石线的寿命得以显著提高。利用此方法切割6英寸及以上尺寸的SiC单晶时，金刚石线可以多次重复使用，金刚石砂浆也可循环利用，因此显著降低了切割成本。
通过本发明方法在不显著增加经济成本的前提下，可以快速高效地实现6英寸及更大尺寸的SiC晶体的高质量切割，为后续大尺寸SiC衬底的研磨、抛光等工艺打下良好的基础。
根据本发明优选的，利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，包括具体步骤如下：
(1)金刚石砂浆配制：将金刚石粉、切割液混合成金刚石砂浆；其中，所述金刚石粉为金刚石磨粒；
(2)将金刚石线绕制在多线切割机上，形成金刚石线网；将金刚石线安装在多线切割机的供线轮上，然后将从供线轮上引出，依次经过供线轮排线器、供线导轮组、罗拉、收线导轮组、收线轮排线器、收线轮，完成绕线；此时，多线切割机罗拉处将形成一张分布均匀的金刚石线网；
(3)SiC单晶放置：将待切割SiC单晶放置在工作台上并固定，移动调整工作台，使所述SiC单晶顶部与所述金刚石线网接触；其中，所述SiC单晶的直径为6英寸或8英寸，甚至更大；
(4)晶体切割：启动多线切割机，金刚石砂浆喷向金刚石线，使浸有金刚石砂浆的金刚石线对所述SiC单晶切割成目标尺寸的晶片。本发明可根据金刚石线的使用次数设置合适的金刚石砂浆流量，所述SiC单晶在与金刚石线和金刚石砂浆的相互摩擦中，被切割成目标尺寸的晶片。
对切割后的SiC单晶片进行参数测量：切割完成后取下晶片，利用螺旋测微器、大理石平台、高度尺、三维轮廓测量仪等测量设备测试所述大尺寸SiC单晶片的总厚度变化(TTV)、弯曲度(BOW)、翘曲度(WARP)、表面粗糙度等参数，用以评价利用本发明方法切割后大尺寸SiC单晶片的质量。
根据本发明优选的，所述金刚石线的线径为150μm～400μm，金刚石线表面的金刚石颗粒度为10～50μm，排布密度为5～10个/mm。所述金刚石颗粒的排布密度是指金刚石线单位长度内金刚石颗粒的个数。
根据本发明优选的，所述多线切割机的进刀速度为0.010～0.100mm/min；进一步优选的，进刀速度为0.022～0.040mm/min。切割时间设置为50～110h。
根据本发明优选的，所述金刚石砂浆中金刚石磨粒的直径范围为1～20μm。
根据本发明优选的，金刚石线的供线速度为20～70m/min，进一步优选的，金刚石线的供线速度为40～50m/min。
根据本发明优选的，所述步骤(4)中，所述金刚石线在切割过程的张力大小设置为30～60N。
根据本发明优选的，金刚石砂浆喷向金刚石线的流量为75L/min～150L/min。随着金刚石线的使用次数增加，金刚石砂浆的流量也相应增大。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明采用金刚石线与金刚石砂浆共同切割大尺寸SiC单晶，晶体受到金刚石线、金刚石砂浆两方面的切削，从而提高了切割效率。
2、本发明采用金刚石线与金刚石砂浆共同切割大尺寸SiC单晶，由于金刚石砂浆的存在，减弱了金刚石线上的金刚石颗粒与SiC单晶的摩擦，使得金刚石线的磨损大大降低，从而金刚石线的寿命得以显著提高；金刚石砂浆也可循环利用，因此显著降低了切割成本。
3、采用本发明的方法，得到的大尺寸SiC切割片总厚度变化小、弯曲度、翘曲度、粗糙度小，为后续的研磨、抛光等工艺提供了良好的面形基础。
4、本发明的切割方法，简单实用，易于推广，利于规模化生产。
利用本发明所述切割方法得到SiC切割片的测量参数、切割时间及金刚石线使用次数如表1所示：
表1：经切割后SiC切割片的测量参数范围
附图说明
图1是本发明中所用的金刚石线的显微镜放大图片；
在图1中，1、金刚石线；2、金刚石线表面的金刚石颗粒；3、金刚石线表面所述金刚石颗粒之间的空隙。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
如图1所示。
实施例1、
一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，包括：采用浸有金刚石砂浆的金刚石线对所述SiC单晶进行切割。
实施例2、
如实施例1所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸SiC单晶的方法，包括具体步骤如下：
(1)金刚石砂浆配制：将金刚石粉、切割液混合成金刚石砂浆；其中，所述金刚石粉为金刚石磨粒；
(2)将金刚石线绕制在多线切割机上，形成金刚石线网；
(3)SiC单晶放置：将待切割SiC单晶放置在工作台上并固定，移动调整工作台，使所述SiC单晶顶部与所述金刚石线网接触；
(4)晶体切割：启动多线切割机，金刚石砂浆喷向金刚石线，使浸有金刚石砂浆的金刚石线对所述SiC单晶切割成目标尺寸的晶片。本发明可根据金刚石线的使用次数设置合适的金刚石砂浆流量，所述SiC单晶在与金刚石线和金刚石砂浆的相互摩擦中，被切割成目标尺寸的晶片，切割时间为100h左右，切割完成后，多线切割机自动停机。
所述金刚石线的线径为200μm，金刚石线表面的金刚石颗粒度为30-50μm，排布密度为5～10个/mm。
所述多线切割机的进刀速度为0.025mm/min。
步骤(1)中，所述金刚石砂浆中金刚石磨粒的质量百分数为22％，即，将10kg直径为8μm的金刚石磨粒与50L切割液混合，打开搅拌机，将金刚石砂浆搅拌均匀；
所述步骤(4)中，所述金刚石线在切割过程的张力大小设置为30N。金刚石线的供线速度为35m/min。金刚石砂浆喷向金刚石线的流量为105L/min。
将被切割成目标尺寸的晶片从工作台上取下，利用相关设备测量其质量：晶片的厚度为720μm，总厚度变化为24μm，弯曲度为30μm，翘曲度为40μm，粗糙度为0.8nm。
实施例3、
如实施例2所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸SiC单晶的方法，其区别在于：
所述金刚石线的线径为230μm。
所述多线切割机的进刀速度为0.033mm/min。切割时间为75.86h左右。
步骤(1)中，所述金刚石砂浆中金刚石磨粒的质量百分数为30％，所述金刚石磨粒的直径5μm；
所述步骤(4)中，所述金刚石线在切割过程的张力大小设置为40N。金刚石线的供线速度为45m/min。金刚石砂浆喷向金刚石线的流量为90L/min。
将被切割成目标尺寸的晶片从工作台上取下，利用相关设备测量其质量：晶片的厚度为690μm，总厚度变化为20μm，弯曲度为22μm，翘曲度为30μm，粗糙度为0.6nm。
实施例4
如实施例2所述，不同之处在于：
所述金刚石线的线径为250μm。
所述多线切割机的进刀速度为0.038mm/min。切割时间为65.88h左右。
步骤(1)中，所述金刚石砂浆中金刚石磨粒的质量百分数为18％，所述金刚石磨粒的直径10μm；
所述步骤(4)中，所述金刚石线在切割过程的张力大小设置为50N。金刚石线的供线速度为50m/min。金刚石砂浆喷向金刚石线的流量为140L/min。
将被切割成目标尺寸的晶片从工作台上取下，利用相关设备测量其质量：晶片的厚度为670μm，总厚度变化为30μm，弯曲度为35μm，翘曲度为45μm，粗糙度为0.8nm。
通过实施例2-4的描述，结合三种实施例对切割后SiC晶片的测试结果可以看出，应用本发明提供的切割方法可以获得高质量的SiC晶片，且本发明方法提高了大尺寸SiC单晶的切割效率，节省了切割成本。
Claims (10)
1.一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，该方法包括：采用浸有金刚石砂浆的金刚石线对所述SiC单晶进行切割。
2.根据权利要求1所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述方法包括具体步骤如下：
(1)金刚石砂浆配制：将金刚石粉、切割液混合成金刚石砂浆；其中，所述金刚石粉为金刚石磨粒；
(2)将金刚石线绕制在多线切割机上，形成金刚石线网；
(3)SiC单晶放置：将待切割SiC单晶放置在工作台上并固定，移动调整工作台，使所述SiC单晶顶部与所述金刚石线网接触；
(4)晶体切割：启动多线切割机，金刚石砂浆喷向金刚石线，使浸有金刚石砂浆的金刚石线对所述SiC单晶切割成目标尺寸的晶片。
3.根据权利要求1所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述金刚石线的线径为150μm～400μm，金刚石线表面的金刚石颗粒度为10～50μm，排布密度为5～10个/mm。
4.根据权利要求2所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述多线切割机的进刀速度为0.010～0.100mm/min。
5.根据权利要求4所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述多线切割机的进刀速度为0.022～0.040mm/min。
6.根据权利要求2所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述金刚石砂浆中金刚石磨粒的直径范围为1～20μm。
7.根据权利要求2所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述金刚石线的供线速度为20～70m/min。
8.根据权利要求7所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述金刚石线的供线速度为40～50m/min。
9.根据权利要求2所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述金刚石线在切割过程的张力大小设置为30～60N。
10.根据权利要求2所述的一种利用金刚石线和金刚石砂浆同时切割6英寸及以上SiC单晶的方法，其特征在于，金刚石砂浆喷向金刚石线的流量为75L/min～150L/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |