CN109591211B - 晶体切割装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶体切割装置及方法，涉及材料切割技术领域，晶体切割装置将工作台、切割机构、调晶机构和晶向检测机构集成一体化；调晶机构包括旋转机构和俯仰机构，晶向检测机构包括移动台、旋转装置、检测装置和电流表。晶体切割方法包括：将待切割晶体固定在料盘上；通过调晶机构在其自身旋转方向上调整待切割晶体的空间姿态，使得电流表达到峰值；再将晶向检测机构的检测装置旋转90°，通过调晶机构在其俯仰方向上调整待切割晶体的空间姿态，使得电流表达到峰值；锁定调晶机构，对待切割晶体进行切割。采用本申请的晶体切割装置及方法，切割出来的晶片晶向精度高，表面质量好，切割效率高。

Description

晶体切割装置及方法

技术领域

本发明涉及材料切割技术领域，尤其是涉及一种晶体切割装置及方法。

背景技术

在人工晶体，尤其是第三代半导体材料的加工工序中，晶体的切割技术是晶体在加工过程中的一个重要工序，在晶体的切割过程中，都会有晶向要求。由于晶体的各项特性，人们对各种晶体的使用有不同的晶向精度要求，且在切割过程中不同的晶面具有不同的硬度、弹性模量以及断裂强度，切割出来材料的厚度差和翘曲率也有很大差别。

现有的切割设备不具备晶向检测装置，在加工过程中，首先需要切割出一个晶片，进行线下晶向角度测试后，再根据测试出的晶向角度，重新调整切割设备上的晶向调整机构，重新把晶体定向安装，再切一片经过线下晶向检测验证，如果晶向精度满足要求，才能进行后续连续批量切割。

整个切割过程繁琐，加之人为操作水平不同等因素，不同晶棒所切的晶片晶向精度一致性差，材料浪费严重，切割效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种晶体切割装置及方法，以提高所切晶片的晶向精度及质量。

第一方面，本发明提供了一种晶体切割装置，包括切割机构，所述切割机构用于对待切割晶体进行切割，还包括工作台、调晶机构和晶向检测机构；

所述调晶机构与所述晶向检测机构配合使用，用于找到所述待切割晶体的晶向；

所述调晶机构设置在所述工作台上，所述工作台带动所述调晶机构进行升降运动；其中，所述调晶机构包括旋转机构和俯仰机构，所述旋转机构用于带动所述调晶机构绕其自身轴线做旋转运动；所述俯仰机构用于带动所述调晶机构相对于水平面做俯仰运动；

所述晶向检测机构包括移动台、旋转装置、检测装置和电流表；所述移动台能够在空间内运动，从而调节自身与所述工作台之间的位置关系；所述旋转装置设置在所述移动台上，所述旋转装置与所述检测装置连接，用于带动所述检测装置旋转；所述检测装置与所述电流表电连接。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述检测装置包括安装板，以及安装在所述安装板上的检测信号发射装置和检测信号接收装置；

所述旋转装置能够带动所述安装板在0°～180°范围内旋转。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述切割机构为多线切割机构、单线切割机构、内圆切割机构和外圆切割机构中的任意一种。

结合第一方面的第一种可能的实施方式或第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述晶向检测机构还包括距离传感器和控制器；所述距离传感器设置在所述移动台上，用于检测其与所述工作台之间的距离，所述控制器分别与所述距离传感器和所述移动台的驱动机构连接，所述控制器接收所述距离传感器的信号，并控制所述移动台运动，使所述距离传感器与所述工作台的距离保持在预设值。

第二方面，本发明提供了一种晶体切割方法，包括以下步骤：

S200，将所述待切割晶体固定在所述调晶机构的料盘上；

S400，通过所述调晶机构在其自身旋转方向上调整所述待切割晶体的空间姿态，使得所述晶向检测机构的电流表达到峰值；

S600，将所述晶向检测机构的检测装置旋转90°，通过所述调晶机构在其俯仰方向上调整所述待切割晶体的空间姿态，使得所述晶向检测机构的电流表达到峰值；

S800，锁定所述调晶机构，对所述待切割晶体进行切割。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，在所述步骤S200前，还包括步骤S100，用标准样片对所述晶向检测机构进行校准；所述晶向检测机构的校准为校正所述晶向检测机构的检测装置与所述标准样片的切割面的相对位置。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中在所述步骤S100中，包括步骤：

S101，将任意所述待切割晶体粘接到所述调晶机构上；

S102，调整所述工作台的位置，用所述切割机构将所述待切割晶体切割出一个光滑平面；

S103，将所述标准样片无缝粘接到所述光滑平面上；

S104，打开所述晶向检测机构对所述标准样片进行晶向检测，调节校准按钮，使得所述晶向检测机构的电流表达到峰值；

S105，将所述晶向检测机构的检测头旋转90°，调节所述校准按钮，使得所述晶向检测机构的电流表达到峰值；

S106，锁定所述晶向检测机构，所述调晶机构校准完成。

结合第二方面的第一种可能的实施方式或第二种可能的实施方式，本发明提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，在所述步骤S200中，所述待切割晶体与所述料盘上之间的连接方式为无缝粘接。

结合第二方面的第一种可能的实施方式或第二种可能的实施方式或第三种可能的实施方式，本发明提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，在所述步骤S400和所述步骤S600中，所述检测装置的检测信号的传输距离不超过10mm。

结合第二方面的第一种可能的实施方式或第二种可能的实施方式或第三种可能的实施方式或第四种可能的实施方式，本发明提供了第二方面的第五种可能的实施方式，其中，重复所述步骤S200至所述步骤S800，实现对多个所述待切割晶体的切割。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的晶体切割装置及方法，具体地说是将晶向检测机构与调晶机构集成到切割设备上，将待切割晶体进行晶向检测与调节之后再进行切割的一种晶体切割方法。本方法首先是用标准样片对晶向检测机构进行校准，然后将待切割晶体固定在料盘上，通过调晶机构在其自身旋转方向上调整待切割晶体的空间姿态，使得晶向检测机构的电流表达到峰值；再将晶向检测机构的检测装置旋转90°，通过调晶机构在其俯仰方向上调整待切割晶体的空间姿态，使得晶向检测机构的电流表达到峰值；调整完成后，锁定调晶机构，对待切割晶体进行切割。与传统的晶体切割方法相比，本发明提供的晶体切割装置及方法将晶体晶向的检测、调节和晶体的切割融为一体，晶体切割装置结构简单新颖，易于操作，切割效率高；晶体切割方法稳定，从而使得切割出来的晶片晶向精度高，表面质量好。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置校准的示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置切割的示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的晶体切割方法切割的流程图；

图4示出了本申请实施例所提供的晶体切割装置的调晶机构的校准流程图；

图5示出了本申请实施例所提供的切割碲锌镉晶体的流程图。

图标：1-工作台；2-切割机构；3-调晶机构；31-旋转机构；32-俯仰机构；4-晶向检测机构；41-检测装置；411-安装板；412-检测信号发射装置； 413-检测信号接收装置；42-移动台；43-旋转装置；5-标准样片；6-待切割晶体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有的切割设备不具备晶向检测装置，在加工过程中，首先需要切割出一个晶片，进行线下晶向角度测试后，再根据测试出的晶向角度，重新调整切割设备上的晶向调整机构，重新把晶体定向安装，再切一片经过线下晶向检测验证，如果晶向精度满足要求，才能进行后续连续批量切割。整个切割过程繁琐，加之人为操作水平不同等因素，不同晶棒所切的晶片晶向精度一致性差，材料浪费严重，切割效率低下。

基于此，本发明提供了一种晶体切割装置，下面通过实施例进行描述。

如图1、图2所示，图1示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置校准的示意图；图2示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置切割的示意图。

一种晶体切割装置，包括切割机构2，切割机构2用于对待切割晶体6 进行切割，还包括工作台1、调晶机构3和晶向检测机构4；

调晶机构3与晶向检测机构4配合使用，用于找到待切割晶体6的晶向；

调晶机构3设置在工作台1上，工作台1带动调晶机构3进行升降运动；其中，调晶机构3包括旋转机构31和俯仰机构32，旋转机构31用于带动调晶机构3绕其自身轴线做旋转运动；俯仰机32构用于带动调晶机构 3相对于水平面做俯仰运动；

晶向检测机构4包括移动台42、旋转装置43、检测装置41和电流表(图中未示出)；移动台42能够在空间内运动，从而调节自身与工作台1之间的位置关系；旋转装置43设置在移动台42上，旋转装置43与检测装置41 连接，用于带动检测装置41旋转；检测装置41与电流表电连接。

需要说明的是，调晶机构3用于待切割晶体6俯仰方向调节和旋转方向调节；晶向检测机构4用于待切割晶体6的端面晶向的检测；待切割晶体6为用于此种晶体切割工艺切割的材料，且此种材料必须具有晶向。

进而，将调晶机构3和晶向检测机构4同时集成到晶体切割装置中，与传统的晶体晶向检测和调节需要在另一台装置上进行的切割方法相比，本申请提供的晶体切割装置集晶体晶向的检测、调节和晶体的切割为一体，结构简单新颖，易于操作，切割效率高。进过实际验证可以得出该晶体切割装置切割出来的晶片晶向精度高，表面质量好。

优选地，检测装置41包括安装板411，以及安装在安装板411上的检测信号发射装置412和检测信号接收装置413；

旋转装置43能够带动安装板411在0°～180°范围内旋转。

具体地，检测信号发射装置412和检测信号接收装置413在晶体的晶向调节过程中起到了重要的作用，同时，旋转装置43能够带动安装板411 在0°～180°范围内旋转，进而，旋转装置43能够带动检测信号发射装置 412和检测信号接收装置413在0°～180°范围内旋转，从而实现在晶体的晶向调节过程可以从两个不同的方向来确定晶向。

其中，切割机构2为多线切割机构、单线切割机构、内圆切割机构和外圆切割机构中的任意一种。

优选地，本申请实施例的切割机构2选择多线切割机构。因为多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术，它的原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对半导体等硬脆材料进行摩擦，从而达到切割效果，可将半导体等硬脆材料一次同时切割为数百片，多线切割技术具有效率高，产能高，精度高等优点，是目前采用最广泛的半导体等硬脆材料切割技术。

进而，晶向检测机构4还包括距离传感器(图中未示出)和控制器(图中未示出)；距离传感器设置在移动台42上，用于检测其与工作台1之间的距离，控制器分别与距离传感器和移动台42的驱动机构连接，控制器接收距离传感器的信号，并控制移动台42运动，使距离传感器与工作台1的距离保持在预设值。

需要说明的是，移动台42能够通过距离传感器自动调节其与工作台1 之间的距离，从而实现检测信号发射装置412的发射端和检测信号接收装置413的接收端与工作台1上的待切割晶体6之间的距离在一定范围内，考虑到信号发送和接收的效果，它们之间的距离设置在0mm～5mm之间。

基于相同的技术构思，本发明提供一种晶体切割方法，如图1、图2、图3所示，图1示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置校准的示意图；图2示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置切割的示意图；图3示出了本申请实施例所提供的晶体切割方法切割的流程图。

一种晶体切割方法，包括以下步骤：

S200，将待切割晶体6固定在调晶机构3的料盘(图中未示出)上；

S400，通过调晶机构3在其自身旋转方向上调整待切割晶体6的空间姿态，使得晶向检测机构4的电流表达到峰值；

S600，将晶向检测机构4的检测装置41旋转90°，通过调晶机构3 在其俯仰方向上调整待切割晶体6的空间姿态，使得晶向检测机构4的电流表达到峰值；

S800，锁定调晶机构3，对待切割晶体6进行切割。

如上所述，这是晶体切割前的准备工作，通过不断调节调晶机构3，找到待切割晶体6的晶向，进而进行正式切割。传统的晶体切割方法采用在线下进行检测和调试，即检测调试与切割分开进行，本申请提供的晶体切割方法集检测、调试和切割于一体，晶体切割方法稳定，使得切割出来的晶片晶向精度高，表面质量好。

需要说明的是，晶体需要经过两个方向的测量才能确定晶向，这与两条直线相交确定一个平面的道理是相同的。因而调晶机构3需要调节2次，分别是晶向检测机构4不旋转的时候，通过调晶机构3的旋转来调节晶向；晶向检测机构4旋转90°后，通过调晶机构3俯仰来调节晶向，两者相互配合，缺一不可。

优选地，在步骤S200前，还包括步骤S100，用标准样片对晶向检测机构4进行校准；晶向检测机构4的校准为校正晶向检测机构4的检测装置 41与标准样片5的切割面的相对位置。

需要说明的是，在用标准样片5对晶向检测机构4进行校准时，校正的是晶向检测机构4的检测装置41与标准样片5的切割面的相对位置，即确定晶向检测机构4的检测装置41与标准样片5的切口的相对位置，这个相对位置是根据标准样片5的特征来确定的，从而校准完成。

优选地，如图1、图2、图4所示，图1示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置校准的示意图；图2示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置切割的示意图；图4示出了本申请实施例所提供的晶体切割装置的调晶机构的校准流程图。

在步骤S100中，包括步骤：

S101，将任意待切割晶体6粘接到调晶机构3上；

S102，调整工作台1的位置，用切割机构2将待切割晶体6切割出一个光滑平面；

S103，将标准样片5无缝粘接到光滑平面上；

S104，打开晶向检测机构4对标准样片5进行晶向检测，调节校准按钮，使得晶向检测机构4的电流表达到峰值；

S105，将晶向检测机构4的检测头旋转90°，调节校准按钮，使得晶向检测机构4的电流表达到峰值；

S106，锁定晶向检测机构4，调晶机构3校准完成。

具体地，由于一些待切割晶体6的表面不平整，这样在确定晶向时会有不同程度的影响，所以需要在检测前对待切割晶体6进行首次切割以形成光滑平面，在此光滑平面上放置标准样片5，从而进行下一步的校准。

如上所述，调晶机构3按照步骤S101～步骤S106进行校准，这是进行首次晶体切割前必须进行的环节，在校准完成后，晶向检测机构4就固定不动，不论后期切割多少待切割晶体6，都不再调节晶向检测机构4。

进而，在步骤S200中，待切割晶体6与料盘之间的连接方式为无缝粘接。

需要说明的是，待切割晶体6与料盘之间为无缝粘接，这样在晶向检测时，调晶机构3所确定的晶向便是唯一的，不会因为待切割晶体6与料盘之间的位置变化而存在误差。

进而，在步骤S400和步骤S600中，检测装置41的检测信号的传输距离不超过10mm。

具体地，考虑到信号发送和接收的效果，检测装置41的检测信号的传输距离不超过10mm，在装置上的体现就是检测信号发射装置412的发射端和检测信号接收装置413的接收端分别与工作台1上的待切割晶体6之间的距离不超过5mm。在这个范围内，接收和发送的检测信号最强，对晶向检测的误差影响最小。

优选地，重复步骤S200至步骤S800，实现对多个待切割晶体6的切割。

如上所述，当将晶体切割装置调试好以后，晶向检测装置4就固定不动了，即切割其他晶体时，都不需要采用标准样片5进行校准，但需要说明的是，每进行一次晶棒的切割，都需要调节调晶机构3，找到晶向的位置，从而找到切割机构2的切口位置，即需要重复步骤S200至步骤S800。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法、装置的实施例仅仅是示意性的。

在本申请实施例中，采用Φ80×100mm的碲锌镉晶体材料进行多线切割实验，以此来详细介绍晶体晶向检测、调节和切割为一体的晶体切割方法，如图1、图2、图5所示，图1示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置校准的示意图；图2示出了本申请实施例所提供的部分晶体切割装置切割的示意图；图5为本申请实施例所提供的切割碲锌镉晶体的流程图。

S001，将碲锌镉晶体粘接在料盘上；

S002，通过调晶机构3在其自身旋转方向上调整碲锌镉晶体的空间姿态，使得晶向检测机构4的电流表达到峰值；

S003，将晶向检测机构4的检测装置旋转90°，通过调晶机构3在其俯仰方向上调整碲锌镉晶体的空间姿态，使得晶向检测机构4的电流表达到峰值；

S004，关闭晶向检测机构4，锁定调晶机构3，然后对碲锌镉晶体进行切割。

经过实际实验对比，采用传统的晶体切割方法和本申请提供的晶体切割方法分别得出的切片质量如表一所示。

表一：不同晶体切割方法的实验对比结果

从表一实验的对比结果很明显可以看出，本发明最大的亮点在于提高了切片的晶向精度和切片质量，同时减少了切割时间。

本申请的有益效果是：采用本申请提供的晶体切割装置及方法进行晶体切割，操作简单，晶向精度准确，切出来的晶片厚度差、翘曲度和粗糙度等指标与传统晶体切割方法切割出来的晶片相比大幅度提高，保证了晶片的质量，提高了晶片的质量，同时还减少了切割时间，提高了切割效率。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种晶体切割装置的晶体切割方法，其特征在于，包括以下步骤：

S200，将待切割晶体固定在调晶机构的料盘上；

S400，通过所述调晶机构在其自身旋转方向上调整所述待切割晶体的空间姿态，使得晶向检测机构的电流表达到峰值；

S600，将所述晶向检测机构的检测装置旋转90°，通过所述调晶机构在其俯仰方向上调整所述待切割晶体的空间姿态，使得所述晶向检测机构的电流表达到峰值；

S800，锁定所述调晶机构，对所述待切割晶体进行切割；

在步骤S200前，还包括步骤S100，用标准样片对所述晶向检测机构进行校准；所述晶向检测机构的校准为校正所述晶向检测机构的检测装置与所述标准样片的切割面的相对位置；

在所述步骤S100中，包括步骤：

S101，将任意所述待切割晶体粘接到所述调晶机构上；

S102，调整工作台的位置，用切割机构将所述待切割晶体切割出一个光滑平面；

S103，将所述标准样片无缝粘接到所述光滑平面上；

S104，打开所述晶向检测机构对所述标准样片进行晶向检测，调节校准按钮，使得所述晶向检测机构的电流表达到峰值；

S105，将所述晶向检测机构的检测头旋转90°，调节所述校准按钮，使得所述晶向检测机构的电流表达到峰值；

S106，锁定所述晶向检测机构，所述调晶机构校准完成；

其中，晶体切割装置，包括切割机构，所述切割机构用于对待切割晶体进行切割，还包括工作台、调晶机构和晶向检测机构；

所述调晶机构与所述晶向检测机构配合使用，用于找到所述待切割晶体的晶向；

所述调晶机构设置在所述工作台上，所述工作台带动所述调晶机构进行升降运动；其中，所述调晶机构包括旋转机构和俯仰机构，所述旋转机构用于带动所述调晶机构绕其自身轴线做旋转运动；所述俯仰机构用于带动所述调晶机构相对于水平面做俯仰运动；

所述晶向检测机构包括移动台、旋转装置、检测装置和电流表；所述移动台能够在空间内运动，从而调节自身与所述工作台之间的位置关系；所述旋转装置设置在所述移动台上，所述旋转装置与所述检测装置连接，用于带动所述检测装置旋转；所述检测装置与所述电流表电连接；

所述检测装置包括安装板，以及安装在所述安装板上的检测信号发射装置和检测信号接收装置；

所述旋转装置能够带动所述安装板在0°~180°范围内旋转；

所述切割机构为多线切割机构、单线切割机构、内圆切割机构和外圆切割机构中的任意一种；

所述晶向检测机构还包括距离传感器和控制器；所述距离传感器设置在所述移动台上，用于检测其与所述工作台之间的距离，所述控制器分别与所述距离传感器和所述移动台的驱动机构连接，所述控制器接收所述距离传感器的信号，并控制所述移动台运动，使所述距离传感器与所述工作台的距离保持在预设值。

2.根据权利要求1所述的晶体切割装置的晶体切割方法，其特征在于，在步骤S200中，所述待切割晶体与所述料盘之间的连接方式为无缝粘接。

3.根据权利要求1所述的晶体切割装置的晶体切割方法，其特征在于，在步骤S400和步骤S600中，所述检测装置的检测信号的传输距离不超过10mm。

4.根据权利要求1所述的晶体切割装置的晶体切割方法，其特征在于，重复步骤S200至步骤S800，实现对多个所述待切割晶体的切割。

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