CN109531844B - 多线切割装置、多线切割方法及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多线切割装置、多线切割方法及其用途，涉及多线切割领域，该多线切割装置包括：至少一对平行线轴，以及，缠绕于所述线轴上的多根平行线锯组成的线网；其中，所述线锯与所述平行线轴的垂线倾斜设置。利用该多线切割装置能够缓解现有衬底晶片切割精度低，角度偏差超标的技术问题，达到提高切割精度的技术效果。

Description

多线切割装置、多线切割方法及其用途

技术领域

本发明涉及多线切割领域，尤其是涉及一种多线切割装置、多线切割方法及其用途。

背景技术

第三代半导体技术应用近年来迅速渗透到照明，电力器件，微波射频等领域的各个角落，市场规模快速提升，应用领域不断延伸，在液晶显示器背光源、汽车用灯、装饰灯、通用照明、电动车、5G应用等领域有着广泛的应用市场，成为未来新能源发展的方向之一。其中，碳化硅，氮化镓更成为行业发展的重点。

以单晶碳化硅为例，单晶碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，具有一些优越的性能，如高电子饱和迁移率和优良的热学特性，在制造耐高温和抗辐射的高频大功率器件方面具有广阔的应用前景，已成为国际关注的焦点。在下一代功率器件的制造和外延生长中，对单晶碳化硅材料最终的表面质量有严格的要求。通常，在生长阶段得到的SiC晶棒，其实际晶面与理论晶面常存在一定的偏差，因此，需要在切片过程中对晶片的角度进行修整，以使SiC衬底晶片的实际表面晶面更接近于理论晶面，从而提高后续的外延晶片质量。

目前常用多线切割方法对单晶碳化硅晶棒进行切割，在切割前先用X射线衍射仪定向碳化硅晶棒切割时的偏置角度，根据测量结果定向碳化硅晶棒的放置位置，然后进行切割。目前的多线切割装置中，线锯与两平行的线轴之间为垂直缠绕结构，在裁切时，就需要将碳化硅晶棒倾斜放置，利用该设置结构的多线裁切机进行切割后，常存在切割精度不够，切割后衬底晶片的角度偏差常常超标(角度偏差标准为±0.05°)的问题。

发明内容

本发明的核心在于发明人发现，当待切割的晶棒或晶锭(例如碳化硅晶棒)倾斜放置时，此时线轴与碳化硅晶棒处于相对倾斜放置的状态，而碳化硅晶棒也未完全处于线锯的中间位置，碳化硅晶棒的两端分别靠近两平行线轴中的一个，此时晶棒、线轴和线锯受力均不平衡，从而导致切割精度下降，切割后衬底晶片的角度偏差常常超标，且切割过程中线锯容易跳线等问题。

本发明的第一目的在于提供一种多线切割装置，以缓解上述所提及技术问题中的至少一个。

本发明的第二目的在于提供一种多线切割方法，以提高切割精度。

本发明的第三目的在于提供一种本发明的多线切割装置或多线切割方法的用途。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种多线切割装置，包括：

至少一对平行线轴，以及，缠绕于所述线轴上的多根平行线锯组成的线网；其中，所述线锯与所述平行线轴的垂线倾斜设置。

进一步的，所述线锯与所述平行线轴的垂线之间的夹角为切割晶棒或晶锭的水平偏置角。

进一步的，所述线轴表面设有线槽，所述线槽的开槽角度为55-65°。

进一步的，所述线槽的槽距0.5-0.8mm。

进一步的，所述线槽的槽深0.5-0.8mm。

进一步的，所述多线切割装置包括用于固定晶棒或晶锭的工件承载台，以及与所述工件承载台连接的摆动机构。

进一步的，晶棒或晶锭的轴线与所述平行线轴所组平面的夹角为切割晶棒或晶锭的竖向偏置角。

进一步的，所述摆动机构的摆动角度为0.5-5°。

另一方面，本发明提供一种多线切割方法，利用本发明的多线切割装置对待切割的晶棒或晶锭进行切割；其中，

所述晶棒或晶锭的轴线在所述平行线轴组成平面的投影与所述线轴平行。

第三方面，本发明提供一种上述多线切割装置或上述多线切割方法在切割半导体材料中的用途。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的多线切割装置，包括至少一对平行线轴以及缠绕于线轴上的多根平行线锯组成的线网；其中，线网与线轴的垂线倾斜设置，即线网中的线锯与线轴的垂线存在一定的夹角。该结构设计中，切割时待切割的晶棒或晶锭的放置位置是不变的，放置后，待切割的晶棒或晶锭的中心线与线轴平行，且位于线网的中心线上，因此，在切割时，线锯、线轴和待切割的晶棒或晶锭，三者的受力相对更均衡。在更均衡的受力情况下，更便于切割，且切割得到的衬底晶片的精度会更好，进而提高衬底晶片的切割质量，使得到的衬底晶片的角度偏差<0.02°，满足目标值±0.05°的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施方式的多线切割装置的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的多线切割装置中线轴、线锯以及晶棒(或晶锭)的位置关系俯视结构示意图；

图3为本发明一种实施方式的线轴的结构示意图；

图4为本发明一种实施方式中线轴与晶棒(或晶锭)的竖向位置关系结构示意图；

图5为对比例1中的多线切割装置中线轴、线锯以及晶棒(或晶锭)的位置关系结构示意图。

图标：10-线轴；11-线槽；20-线锯；21-晶棒或晶锭；30-工件承载台；40-摆动机构；

-水平偏置角；

-竖向偏置角；α-开槽角度；w-槽距；h-槽深。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一方面，本发明提供了一种多线切割装置，包括：

至少一对平行线轴，以及，缠绕于所述线轴上的多根平行线锯组成的线网；其中，

沿所述平行线轴的垂线方向，所述线锯与所述平行线轴的垂线倾斜设置。

为了便于说明，如图1和图2所示，本发明的一种实施方式的多线切割装置，包括至少一对平行线轴10以及缠绕于线轴10上的多根平行线锯20组成的线网；其中，线锯20与线轴10的垂线倾斜设置，即线网中的线锯20与线轴10的垂线存在一定的夹角。

该结构设计中，当线锯与平行线轴的垂线之间倾斜设置时，待切割的晶棒或晶锭放置后，相当于减少了待切割料的放置斜度，待切割的晶棒或晶锭的中心线更趋向与线轴平行，且更趋向位于线网的中心线上，因此，在切割时，线锯、线轴和待切割的晶棒或晶锭，三者的受力相对更均衡。在更均衡的受力情况下，更便于切割，且切割得到的衬底晶片的精度会更好，进而提高衬底晶片的切割质量，使得到的衬底晶片的角度偏差<0.02°，满足目标值±0.05°的要求。

切割前，先利用X射线衍射仪精确测量待切割晶棒或晶锭实际晶面与理论晶面的偏置角度，然后依照该偏置角度加工线轴上的沟槽，使线锯与平行线轴的垂线之间的夹角满足该偏置角度的要求。

以碳化硅为例，碳化硅晶棒的实际生长晶面与理论晶面之间通常会存在角度偏差。以线轴的轴线方向为X轴，以平行线轴间的垂线方向为Y轴，以垂直平行线轴所在平面的方向为Z轴，那么，碳化硅晶棒的实际生长晶面与理论晶面之间的角度偏差会分解在XY面(即X轴与Y轴做组成的平面)内和XZ面(即X轴与Z轴做组成的平面)内。在XY面内，碳化硅晶棒的实际生长晶面与理论晶面之间的夹角为水平偏置角

在XZ面内，碳化硅晶棒的实际生长晶面与理论晶面之间的夹角为竖向偏置角

为了使碳化硅晶棒更趋于与线轴平行，在本发明的一些优选实施方式中，线锯与平行线轴的垂线之间的夹角设置为切割晶棒或晶锭的水平偏置角。该设置结构中，待切割的晶棒和晶锭基本与线轴平行，且基本位于线网的中心线上，这样在切割时，线锯、线轴和待切割的晶棒或晶锭之间的受力更均衡，更有利于提高切割精度。

以碳化硅为例，切割碳化硅晶棒时，线锯与平行线轴的垂线之间的夹角即为碳化硅晶棒的C-A面之间的偏置角。当实际生长的晶棒的晶面与理论晶面存在差异时，通过调整该夹角的角度可以达到调整C-A面偏置角的目的。

在本发明的一些实施方式中，所述线轴表面设有线槽11，如图3所示，所述线槽11的开槽角度α为55-65°。通过优化线槽的开槽角度α，可以促进砂浆的流动，减少断线的发生。

其中，线槽的开槽角度α典型但非限制性的例如可以为55°、56°、57°、58°、59°、60°、61°、62°、63°、64°或65°。

继续参照图3，在本发明的一些实施方式中，所述线槽11的槽距w为0.5-0.8mm。线槽的槽距典型但非限制性的例如可以为0.5mm、0.6mm、0.7mm或0.8mm。

通过限定槽距w，可以限定衬底晶片的切割控度。

继续参照图3，在本发明的另一些实施方式中，所述线槽11的槽深h为0.5-0.8mm。线槽的槽深h典型但非限制性的例如可以为、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm或0.8mm。

通过限定槽深，可以防止线锯跳线，还可以保证砂浆在切割过程中流动通畅。

继续参照图1，在本发明的一些实施方式中，所述多线切割装置包括用于固定晶棒或晶锭21的工件承载台30，以及与所述工件承载台30连接的摆动机构40。

工件承载台30用于粘结晶棒或晶锭21，摆动机构40在切割过程中用于带动工件承载台30摆动。

工件承载台和摆动机构不仅可以固定晶棒或晶锭，使其在切割过程中不断摆动以使砂浆或磨料以及磨削废屑顺利排出，还可以调整控制待切割晶棒或晶锭的竖向偏置角。

如图4所示，在本发明的一些实施方式中，晶棒或晶锭21的轴线与所述平行线轴10所组平面的夹角为切割晶棒或晶锭的竖向偏置角

其中，晶锭的轴线是指与待切面相垂直的一条轴线。

该设置结构中，可以通过设置待切割晶棒或晶锭相对于平行线轴所在平面的倾斜角度，调整待切晶棒或晶锭的竖向偏置角，以进一步提高切割的准确度。

以碳化硅为例，在切割碳化硅晶棒时，晶棒或晶锭的轴线与平行线轴所组平面之间的夹角即为碳化硅晶棒的C-M面之间的偏置角。当实际生长的晶棒的晶面与理论晶面存在差异时，通过调整该夹角的角度可以达到调整C-M面偏置角的目的。

在本发明的一些实施方式中，所述摆动机构的摆动角度为0.5-5°。其中，摆动机构的摆动角度典型但非限制性的例如可以为0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°、3.5°、4°、4.5°或5°。

利用本发明提供的多线切割装置可对多种半导体材料进行切割，例如碳化硅、硅、蓝宝石、氮化镓或砷化镓等等。

第二方面，本发明提供了一种多线切割方法，包括以下步骤：

利用本发明提供的多线切割装置对待切割的晶棒或晶锭进行切割；其中，

所述晶棒或晶锭的轴线在所述平行线轴组成平面的投影与所述线轴平行。

多线切割方法利用本发明的多线切割装置对待切割的晶棒或晶锭进行切割，因此，具备上述多线切割装置的全部优点，在此不再赘述。

利用该多线切割方法得到的衬底晶片的翘曲度Warp为40um以内，厚度变化量TTV为10um以内，Bow为±15um以内，角度偏差在为0.02°以内，角度偏差的不良率可控制在1％以内。

利用该方法制备得到的衬底晶片，在其表面制备的外延层缺陷少，质量好。

第三方面，本发明提供了一种上述多线切割装置或上述多线切割方法在切割半导体材料中的用途。

半导体材料非限制性的例如可以为碳化硅、硅、蓝宝石、氮化镓或砷化镓等等。

下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本实施例是一种多线切割装置，其结构如图1-4所示，包括：

一对平行线轴10，以及，缠绕于线轴10上的多根平行线锯20组成的线网，沿平行线轴10的垂线方向，线锯20与平行线轴10的垂线倾斜设置；该多线切割装置还包括用于固定晶棒或晶锭21的工件承载台30，以及与所述工件承载台30连接的摆动机构40。

其中，线锯20与平行线轴10的垂线之间的夹角设置为切割晶棒或晶锭的水平偏置角

线轴表面设有线槽11，线槽的开槽角度α为60°，线槽的槽距w为0.5mm，线槽的槽深h为0.5mm。

晶棒或晶锭21的轴线与所述平行线轴10所组平面的夹角为切割晶棒或晶锭的竖向偏置角

所述摆动机构的摆动角度为1.5°。

实施例2

本实施例是一种多线切割方法，利用实施例1中的多线切割装置对碳化硅晶棒进行切割，具体的，该方法包括以下步骤：

S1)提供碳化硅晶棒，利用X射线衍射仪确认碳化硅的最终偏置角度

和

通过公式

其中，d为平行线轴之间的垂线距离，t为平行线轴之间线锯的长度，计算确定线锯的长度后确定平行线轴之间的放置位置，进而使线锯按按照计算得到的t值进行安装；

S2)根据水平偏置角

和竖向偏置角

将碳化硅晶棒按照图1和图3中所示的位置关系安装碳化硅晶棒，安装后，碳化硅晶棒的轴线在平行线轴所在平面上的投影与线轴平行；

S3)将碳化硅晶棒固定于工件承载台后启动多线切割装置对碳化硅晶棒进行切割。

对比例1

本对比例是一种多线切割装置，该多线切割装置与实施例1中的多线切割装置相比，不同之处在于，线锯20垂直于平行线轴10，如图5所示，其他结构与实施例1相同。

对比例2

本对比例是一种多线切割方法，利用对比例1中的多线切割装置对碳化硅晶棒进行切割，具体的，该方法包括以下步骤：

S1)提供碳化硅晶棒，利用X射线衍射仪确认碳化硅的最终偏置角度

和

然后根据该角度安装碳化硅晶棒，安装后，碳化硅晶棒的轴线在平行线轴所在平面上的投影与线轴倾斜设置；

S2)将碳化硅晶棒固定于工件承载台后启动多线切割装置对碳化硅晶棒进行切割。

切割完成后，分别测试利用实施例2和对比例2切割得到的碳化硅衬底晶片的Warp、TTV、弯曲Bow和角度偏差，以及各项性能参数下的合格率。测试结果列于表1。

表1测试结果

从表1中的数据可以看出，利用本发明提供的多线切割装置切割碳化硅晶棒后，可以明显提高得到的碳化硅衬底晶片的Warp和TTV，降低弯曲和角度偏差，使碳化硅衬底晶片的翘曲度Warp在以40um内，厚度变化量TTV在10um以内，Bow在±15um以内，角度偏差的控制在0.02°以内。

从Warp角度来看，产品的良率提高了48％；从TTV角度来看，产品的良率提高了9％；从Bow角度来看，产品的良率提高了15％；从角度偏差角度来看，产品的良率提高了20％。

从以上分析可以看出，利用本发明提供的多线切割方法具有以下优点：

1)使衬底晶片在同一晶体切割后的晶片角度偏差控制在0.02°范围内，最终晶片角度偏差稳定在目标值±0.05°的要求范围内；

2)线轴利用特定的沟槽角度设计，使线锯在切割过程中不易因为杂质而造成跳线，进而提高稳定性；

3)可以根据待切割晶棒或晶锭的偏置角度调整摆动机构的倾斜角度；可根据衬底晶片的材料、尺寸等不同而调整摆动机构的摇摆角度与进给速度；

4)可以对碳化硅、蓝宝石、氮化镓与单晶硅等材料进行切割。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种多线切割装置，其特征在于，包括：

至少一对平行线轴，以及，缠绕于所述线轴上的多根平行线锯组成的线网；其中，所述线锯与所述平行线轴的垂线倾斜设置；

所述线锯与所述平行线轴的垂线之间的夹角为切割晶棒或晶锭的水平偏置角；

晶棒或晶锭的轴线与所述平行线轴所组平面的夹角为切割晶棒或晶锭的竖向偏置角；

所述线轴表面设有线槽，所述线槽的开槽角度为55-65°；

所述线槽的槽距0.5-0.8mm；

所述线槽的槽深0.5-0.8mm。

2.根据权利要求1所述的多线切割装置，其特征在于，所述多线切割装置包括用于固定晶棒或晶锭的工件承载台，以及与所述工件承载台连接的摆动机构。

3.根据权利要求2所述的多线切割装置，其特征在于，所述摆动机构的摆动角度为0.5-5°。

4.一种多线切割方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用权利要求1-3任一项所述的多线切割装置对待切割的晶棒或晶锭进行切割；其中，

所述晶棒或晶锭的轴线在所述平行线轴组成平面的投影与所述线轴平行。

5.权利要求1-3任一项所述的多线切割装置或权利要求4所述的多线切割方法在切割半导体材料中的用途。

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