CN108214955B - 一种用于氮化镓晶体的定向切割装置与加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于氮化镓晶体的定向切割装置与加工方法，该定向切割装置包括：夹持晶锭的夹具；控制首片厚度的影像监测系统，以及对所述晶锭进行切割的多线切割机，夹持晶锭的所述夹具包括支架和支撑所述支架的基座，所述影像监测系统将所述多线切割机的线间距与待切的所述晶锭的首片厚度的图谱比对以调整切割位置。本发明可有效控制氮化镓晶锭首片的切割厚度。

Description

一种用于氮化镓晶体的定向切割装置与加工方法

技术领域

本发明涉及一种用于氮化镓晶体的定向切割装置与加工方法，更具体地说，本发明涉及一种利用影像监测装置控制首片厚度及利用夹具控制定向偏差的用于氮化镓晶体的定向切割装置与加工方法。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体的代表，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，且熔点高达1700℃，硬度较大。由以上基本性质就可知用氮化镓做成的材料具有耐高温，耐酸碱腐蚀和抗外力变形等优越的性能。目前，氮化镓和氮化镓基半导体材料已经成为了世界各国研究的热点。

将氮化镓晶体应用于器件需加工成一定尺寸的晶片，基本工艺包括晶体生长、晶锭裁切与检测、外径研磨、切片、倒边、表层研磨、蚀刻、抛光等步骤。由于氮化镓晶体硬度很高，这为晶体加工带来很大的困难，特别是目前HVPE(氢化物气相外延，Hydride VaporPhase Epitaxy)法生长的氮化镓晶体应力较大，在机械加工过程中极易开裂。而晶片的切割加工过程无疑是晶体遭受外来机械加工应力最大的一个过程，如何控制切割过程的开裂率严重影响到氮化镓晶体的最终出片率。

由于生长工艺的限制，目前生长的氮化镓晶体普遍偏薄，且近籽晶区域生长出来的晶体质量最好。因此，如何保证氮化镓晶体近籽晶区域的最大出片率是一个急需解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本申请的发明人意识到，对于小批量氮化镓晶片加工时如果采用在线定向加工技术，加工成本过高。而通过将氮化镓晶体用常规的定向磨削技术进行基准面加工，同时结合切割夹具，可能可以保证氮化镓晶体切割后晶片较小的晶向偏差。

鉴于上述认识，一方面，本发明提供一种用于氮化镓晶体的定向切割装置，包括：

夹持晶锭的夹具；

控制首片厚度的影像监测系统，以及

对所述晶锭进行切割的多线切割机，

夹持晶锭的所述夹具包括支架和支撑所述支架的基座，

所述影像监测系统将所述多线切割机的线间距与待切的所述晶锭的首片厚度的图谱比对以调整切割位置。

本发明公开了一种利用影像监测原理设计的适用于氮化镓晶体定向切割的装置。由此通过多线切割机的线间距与待切晶锭首片厚度的图谱比对调整切割位置，可有效控制氮化镓晶锭首片的切割厚度。

优选地，所述支架的基准面与所述晶锭粘接，所述晶锭与所述支架底部接触并粘合。

借助于此，既可方便切割后晶片的拆卸，又可减少诸如Q胶等胶体固化过程产生的热应力对晶体的冲击，降低晶锭的开裂几率。

较佳地，所述定向切割装置还具备用于调节粘接误差的定向仪；所述多线切割机具有十字微调平台；所述支架上开有定向孔；通过所述定向孔确定晶向偏差，切割时调节所述多线切割机的所述十字微调平台补偿偏差。由此，在产生粘接误差的时候，可通过该定向孔确定粘接后的晶向偏差，切割时调节多线切割机的微调平台补偿粘接误差。应理解，所述支架上的定向孔可根据实际需要开不同形状的孔。

较佳地，所述支架的基准面下方底部可开有凹槽。这样可以方便晶锭切割完成后首片晶片的拆卸。

较佳地，所述基座采用模具钢或经过锻打、调质后的铸铁进行制作。这样的基座不易变形，可保证重复使用时的精度。

较佳地，所述支架被所述基座支撑的部分加工成梯形，所述基座上开梯形槽，且所述基座的梯形槽口比所述支架的梯形略小，所述基座与所述支架粘接。这样可以保证两者的粘接精度。

尤其是较佳地，所述基座的梯形槽口应比支架的梯形条略小。这样既可以保证粘接的精确，又方便加工后夹具间的拆卸。

优选地，所述影像监测系统应包括位于待切的所述晶锭的上方的监测探头、显示所述监测探头获取的监测图像的显示屏和用于固定所述监测探头的固定支架。

较佳地，所述影像监测系统应与电脑连接，将监测图像输入电脑后进行数据比对，控制首片厚度。这样可以更精确的控制首片厚度，避免材料的浪费。

另一方面，本发明还提供一种采用上述装置进行氮化镓晶锭定向切割的加工方法，包括如下步骤：

(1)在待切的氮化镓晶体的基准面进行定向、研磨，修正至所需晶向；

(2)将晶锭基准面与支架基准面贴合，晶锭与支架底部接触并粘合；

(3)将粘好晶锭的支架，通过定向孔进行定向，确定粘接后是否存在晶向偏差；

(4)将粘好晶锭的支架与基座进行粘接；

(5)将粘好晶锭的基座置于切割机加工平台上；

(6)调节切割机的微调平台，补偿晶锭的粘接误差；

(7)打开影像监测系统，进行数据比对，调整首片的切割位置后锁死

(8)进行晶锭切割。

根据本发明的加工方法，可保证氮化镓晶体首片厚度的相对一致性，切割后的晶向偏差较小，同时有效控制了首片晶片的切割厚度，且有效降低了切割开裂率。本发明操作简单、精度较高、开裂率低。

附图说明

图1示意性地示出本发明一实施形态的定向切割装置中的夹持晶锭的标准夹具；

图2示意性地示出氮化镓晶锭与标准支架粘接；

图3示意性地示出氮化镓切割用标准基座的结构；

图4示出本发明一实施形态的定向切割装置的结构示意图；

图5示出本发明一实施形态的定向切割装置中的首片厚度控制模块。

具体实施方式

以下，参照附图，并结合下述实施方式进一步说明本发明。应理解附图及下述实施方式仅是示例性地说明本发明，并不是限定本发明，在本发明的宗旨和范围内，下述实施方式可有多种变更。

<定向切割装置>

本发明一实施形态的定向切割装置可包括夹持晶体的标准夹具、控制首片厚度的模块。图1示意性地示出该实施形态的定向切割装置中的夹持晶锭6的标准夹具1。应理解，这里所指的标准是根据切割精度需求对夹具加工精度的要求，即要求支架与基座的各基准面之间的平面度、平行度、垂直度都小于0.01。夹持晶体的标准夹具1包括与晶锭6粘接的标准支架2和粘接支架2的标准基座3。

另外，标准支架2与基座3粘接部分2a需加工成梯形，且所述标准基座3上也需开与支架2的梯形相配合的梯形槽3a。这样可以保证两者的粘接精度。

在标准支架2的基准面2b上开一个定向孔4(如图1所示)，在产生粘接误差的时候，可使用定向仪，通过该定向孔4对晶锭6的基准面进行定向，确定粘接后X、Y方向的晶向偏差，切割时调节多线切割机的十字微调平台补偿X、Y方向上的粘接误差，即同时调节十字微调平台的X、Y调节旋钮，直至定向仪显示X、Y方向晶向偏差均为0时，锁死X、Y旋钮。

在标准支架2基准面2b底部可以开一凹槽5(如图2所示)。这样可以方便晶锭6切割完成后首片晶片的拆卸。

标准基座3的梯形槽3a的开口应比标准支架2的梯形条略小，如图1所示。这样既可以保证粘接的精确，又方便加工后夹具间的拆卸。

标准基座3可采用模具钢或经过锻打、调质后的铸铁进行制作。这样的标准基座3不易变形，可保证重复使用时的精度。

如图4-5所示，引入了影像监测系统，通过多线切割机的线间距与待切晶锭首片厚度的图谱比对调整切割位置，可有效控制氮化镓晶锭首片的切割厚度。具体地说，将粘接好晶锭6的标准夹具1水平放置到切割机的加工平台7上面，并移动到大致的切割位置，将监测探头10通过固定支架等(图示省略)垂直固定到切割线11上方，调整焦距至显示屏12中图像清晰可见。由于每一根切割线11间的间距是固定的，即所需的切片厚度，只要前后微调标准夹具1的位置至第一根切割线11与标准支架2的基准面2b之间的间距略大于第一、第二根切割线11之间的间距相即可，然后用锁定旋钮8将待切割的标准夹具1锁定在相应位置。常规的间距测量方法是使用游标卡尺等测量工具测量显示屏12图像中的间距进行比对、调整。

较佳地，影像监测系统与电脑连接，将监测图像输入电脑。将图像放大后，利用软件测量所需间距数值，再进行数据比对、间距调整。这样可以更精确的控制首片厚度，避免材料的浪费。

<加工方法>

本发明所用的氮化镓晶锭可为单晶，其可采用常用的HVPE法、氨热法生长所得或市场购买。采用的晶锭的规格可以各异，下面采用圆形氮化镓晶锭为例。但应理解，其他规格的氮化镓晶锭也是适用的。

将氮化镓晶锭籽晶面进行定向、研磨。在本发明中，籽晶面的晶向偏差一般修正至小于5′。应理解，籽晶面即为切割基准面。

接着，定向修正后的晶锭6置于标准支架2上，晶锭6的基准面与标准支架2的基准面2b贴合，晶锭6与支架2底部接触位置用少量Q胶等胶体粘合，如图2所示。这样既可方便切割后晶片的拆卸，又可减少Q胶固化过程产生的热应力对晶体的冲击，降低晶锭的开裂几率。

将粘接好晶锭6的标准支架2与标准基座3(如图1所示)进行粘接。

通过定向孔4对粘接好的晶锭6进行定向，确定粘接后的晶锭6是否存在晶向偏差。

将粘接好晶锭6的标准夹具1侧面紧贴多线切割机的加工平台7的侧沿，水平放置于加工平台7上，稍微固定锁定旋钮8将标准夹具1固定，调节加工平台上的X、Y方向的十字微调旋钮9，补偿粘接过程产生的晶向偏差，矫正至定向仪显示X、Y方向晶向偏差均为0时，锁死十字微调旋钮9。应理解，若粘接过程无晶向偏差、偏差极小或偏差已互补，则不需要补偿。

接着，打开影像监测系统，将监测探头10固定在切割线11上方，聚焦对准待切晶锭与标准支架2的基准面2b的结合处，在电脑中对线宽与首片厚度进行数据比对，松开锁定旋钮8，通过微调标准基座3的前后位置确定首片的切割位置后，锁紧锁定旋钮8，将基座3锁定在待切割位置，如图4-5所示。应注意，由于氮化镓晶体籽晶部位应力相对于其他地方略大，因此首片厚度要比正常切割厚度略厚一点，这样可有效降低首片的开裂率。

根据晶锭形状及晶锭直径，设定线性渐变切割速率对晶体进行切割。合理的切割速率可保证切割过程的稳定、降低切割过程的开裂几率；同时还可以保证晶片切面的平整度，便于后续加工。

在一个示例中，待切晶锭基准面x方向偏差4ˊ，y方向偏差0ˊ。粘接后通过标准支架2的定向孔4对晶锭定向，x方向的晶向偏差为2ˊ，y方向的晶向偏差为1ˊ，则该晶锭不需要切割补偿，可直接切割。本例中，待切晶锭为2英寸氮化镓晶体，晶片的切割厚度为410um，打开影像监测系统，将监测探头10聚焦对准待切晶锭与标准支架2的结合处，在电脑中对线宽与首片厚度进行数据比对，通过微调标准基座3的前后位置确定首片的切割位置(首片厚度在470～500um范围)后，将基座3锁定。设定相应线性渐变切割速率(0.8～1.5mm/h)进行切割。

上述切割过程可采用多线切割机加工，上述经过切割的晶片首片厚度偏差小于30um，开裂率低于10％。

表1列出了氮化镓晶体常规切割与采用本发明切割之间的一些效果对比。可知，经本发明方法进行氮化镓晶体切割，使用简便、加工精度高、开裂率低。

表1：常规氮化镓切割与本发明的效果对比

产业应用性：

本发明的影像监测装置配合普通电脑、普通多线切割机即可进行氮化镓晶体的精准切割，使用成本较低。本发明的加工方法操作简便、加工精度高，切片开裂率低，适合广泛用于小批量或实验性氮化镓晶片的精确切割，具有很大的产业应用性。另外，本发明的影像监测装置配合普通电脑、普通多线切割机即可进行氮化镓晶体的精准切割，使用成本较低。

Claims (7)

1.一种用于氮化镓晶体的定向切割装置，其特征在于，包括：

夹持晶锭的夹具；

控制首片厚度的影像监测系统，

用于调节粘接误差的定向仪，以及

对所述晶锭进行切割的多线切割机，

夹持晶锭的所述夹具包括支架和支撑所述支架的基座，所述支架上开有定向孔，通过所述定向孔确定晶向偏差，

所述多线切割机具有十字微调平台；切割时调节所述多线切割机的所述十字微调平台补偿粘接过程产生的所述晶向偏差，

所述影像监测系统包括位于待切的所述晶锭的上方的监测探头、显示所述监测探头获取的监测图像的显示屏和用于固定所述监测探头的固定支架，所述影像监测系统将所述多线切割机的线间距与待切的所述晶锭的首片厚度的图谱比对以调整切割位置。

2.根据权利要求1所述的用于氮化镓晶体的定向切割装置，其特征在于，

所述支架的基准面与所述晶锭粘接，

所述晶锭与所述支架底部接触并粘合。

3.根据权利要求1或2所述的用于氮化镓晶体的定向切割装置，其特征在于，

所述支架的基准面下方开有凹槽。

4.根据权利要求1或2所述的用于氮化镓晶体的定向切割装置，其特征在于，

所述基座采用模具钢或经过锻打、调质后的铸铁进行制作。

5.根据权利要求1或2所述的用于氮化镓晶体的定向切割装置，其特征在于，

所述支架被所述基座支撑的部分加工成梯形，所述基座上开梯形槽，且所述基座的梯形槽口比所述支架的梯形略小，所述基座与所述支架粘接。

6.根据权利要求1或2所述的用于氮化镓晶体的定向切割装置，其特征在于，

所述影像监测系统与电脑连接，将监测图像输入电脑后进行数据比对控制首片厚度。

7.一种采用权利要求1至6中任意一项所述的用于氮化镓晶体的定向切割装置的加工方法，包括如下步骤：

在待切的氮化镓晶体的基准面进行定向、研磨，修正至所需晶向；

将晶锭的基准面与支架基准面贴合，晶锭与支架底部接触并粘合；

将粘好晶锭的支架，通过定向孔进行定向，确定粘接后是否存在晶向偏差；

将粘好晶锭的支架与基座进行粘接；

将粘好晶锭的基座置于切割机加工平台上；

调节切割机的微调平台，补偿晶锭的粘接误差；

打开影像监测系统，进行数据比对，调整首片的切割位置后锁死；

进行晶锭切割。