CN109664424B - 多线切割方法、多线切割装置及其用途、半导体材料和功率器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多线切割方法、多线切割装置及其用途、半导体材料和功率器件，涉及多线切割技术领域，该多线切割方法包括以下步骤：用于缠绕切割线的线轴在超声波的激励作用下发生振动，在所述线轴的传输作用下，所述切割线发生振动并对待切割物体进行切割。切割线在超声波的激励作用下振动可以增大切割线的能量，增强切割线的切割能力，降低切割线磨耗，还可以迫使磨料以较高的频率和速度撞击并磨削待切割物体，排屑速度快，进而使得切割后获得的产品表面的弯曲度、翘曲度以及总厚度偏差均较小，切割品质高。

Description

多线切割方法、多线切割装置及其用途、半导体材料和功率 器件

技术领域

本发明涉及多线切割技术领域，尤其是涉及一种多线切割方法、多线切割装置及其用途、半导体材料和功率器件。

背景技术

第三代宽禁带半导体材料(例如单晶碳化硅)具有优越的性能，近年来迅速渗透到照明，电力器件，微波射频等领域，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。目前，在下一代功率器件的制造和外延生长中，对衬底材料最终的表面质量有严格的要求，然而，由于上述半导体材料的硬度偏高(例如SiC晶体的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石)，化学稳定性非常好(常温下几乎不与其他物质发生明显的化学反应)，因此半导体衬底很难加工得到。其中，多线切割过程对切割品质优劣的影响最大，直接影响到后段加工良率，甚至影响到外延稳定性。因而，需要对多线切割工艺进行进一步完善。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种多线切割方法，该多线切割方法的切割品质稳定，利用该多线切割方法加工获得的产品的几何缺陷少，产品的翘曲度、弯曲度以及厚度变化量均较小。

本发明提供的多线切割方法包括以下步骤：用于缠绕切割线的线轴在超声波的激励作用下发生振动，在所述线轴的传输作用下，所述切割线发生振动并对待切物体进行切割。

进一步地，所述切割线与传输至所述切割线的超声波发生共振。

进一步地，将超声波发生装置的振动部件与所述线轴接触实现超声波的加载。

进一步地，所述切割线与传输至所述切割线的超声波发生共振。

进一步地，所述超声波的振动频率20-300kHz，优选为25-120KHz。

优选地，所述切割线的振幅为1-650μm。

优选地，所述切割线的直径为0.05-0.3mm。

优选地，所述切割线的运动速度为350-1500m/min，进一步优选为400 -1200m/min。

优选地，所述切割线的张力为25-45N。

优选地，切割线的材质包括单晶金刚石、多晶金刚石和钢琴线中的至少一种，优选为单晶金刚石或者多晶金刚石。

进一步地，所述待切割物体包括碳化硅、蓝宝石、氮化镓和硅中的至少一种。

优选地，所述待切割物体的进给速度为0.5-15mm/hr。

本发明的目的之二在于提供一种多线切割装置，该多线切割装置包括：至少两个间隔设置的平行线轴；切割线，缠绕于所述线轴；超声波发生装置，超声波发生装置的振动部件与至少一个所述线轴接触。

优选地，所述线轴为中空结构，所述振动部件位于所述中空结构中。

本发明的目的之三在于提供一种前面所述的多线切割装置在切割半导体材料中的用途。

本发明的目的之四在于提供一种半导体材料，该半导体材料是利用前面所述的多线切割方法或者前面所述的多线切割装置切割得到的。该半导体材料表面的几何缺陷少，产品良率高。

本发明的目的之五在于提供一种功率器件，该功率器件包括前面所述的半导体材料。该功率器件的产品良率高，使用性能佳。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

切割线在超声波的激励作用下振动可以显著增大切割线的能量，增强切割线的切割能力，切割线在振动时可以迫使磨料以较高的频率和速度撞击并磨削待切割物体，排屑速度快，切割过程中切割线磨耗低且磨耗均匀，几乎不会发生断线现象，切割后获得的产品表面的弯曲度、翘曲度以及总厚度偏差均较小，切割品质高。

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是本发明一个实施方式中的对待切割物体进行多线切割的示意图；

图2是本发明一个实施方式中的超声波传输示意图；

图3是本发明一个实施方式中的多线切割装置示意图。

图标：10-切割线；20-线轴；30-待切割物体；40-固定待切割物体的工作台；50-振动部件。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。

本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。

本发明中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。

本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。

本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。

本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。

除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种多线切割方法，该多线切割方法包括以下步骤：用于缠绕切割线的线轴在超声波的激励作用下发生振动，在线轴的传输作用下，所述切割线发生振动并对待切物体进行切割。

本发明的发明人发现，超声波可以比较稳定地将其能量通过线轴传输给切割线，可以显著增大切割线的能量，增强切割线的切割能力，切割线在振动时可以迫使磨料以较高的频率和速度撞击并磨削待切割物体，排屑速度快，切割线磨耗低且磨耗均匀，几乎不会发生断线现象，切割后获得的产品表面的弯曲度、翘曲度以及总厚度偏差均较小，切割品质高。

在本发明的一些优选实施方式中，将超声波发生装置的振动部件与所述线轴接触实现超声波的加载。由此，振动部件的振动带动线轴振动，进而在线轴的传输作用下将超声波稳定地传输给切割线。需要说明的是，由于线轴本身的体积以及质量的影响，当超声波加载于线轴上后，对其自身的振动影响甚微，线轴的作用更表现为传输介质的作用。

在本发明的一些具体实施方式中，参照图1，切割线10均匀缠绕在两个间隔设置的平行线轴20上以实现多线切割，固定切割线10的线轴20与超声波发生装置的振动部件50直接接触，振动部件50在一定频率下进行振动时，线轴20作为传输介质会将超声波传输至切割线10，进而使得切割线10振动，待切割物体30在固定待切割物体的工作台40的带动下朝向切割线10运动，最终实现对待切割物体30的切割。需要说明的是，在本发明中，超声波发生装置中除振动部件之外的其他结构的位置可以依据实际情况进行设置，在此不再过多赘述。

本发明的发明人发现，与将超声波发生装置的振动部件直接与切割线接触以实现切割线的振动的方式相比，本发明的方式可以有效延长超声波发生装置的使用寿命，不会出现切割线磨损振动部件的现象，且可以实现多线切割，超声波在切割线上的分布比较均匀，在整个切割过程中切割线均能保持较强、较稳定的切割能力；与将超声波发生装置的振动部件与待切割物体或者固定待切割物体的工作台接触以实现切割线的振动的方式相比，本发明中超声波的传输过程中能量衰减少，传输至切割线的超声波的能量高，切割效率更高。

在本发明中，振动部件与线轴接触的方式没有特别限制，只要能够满足要求，本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择。在本发明的一些优选实施方式中，线轴是空心结构，可以将振动部件放入线轴的空心结构中并与线轴接触，由此，更能简化结构，方便线轴高效、稳定地传输超声波，并且振动部件不易受其他结构的影响，保证了整个系统的稳定性。

在本发明的一些实施方式中，超声波通过线轴将其能量传输给切割线的方式可以参照图2，超声波发生装置的振动部件50以一定的频率振动，与振动部件50接触的线轴20作为传输介质将超声波传输至切割线10，使得缠绕在线轴20上的多条切割线10同时发生振动，并将超声波沿着切割线10向远离振动部件50的方向上传输，进而实现优质、高效的多线切割的效果。

可以理解的是，切割线自身存在一定范围的自然振动频率(即固有频率)，当传输至切割线的超声波(例如正弦超声波)的振动频率与切割线自身的自然振动频率相同或者叠合时，切割线与超声波发生共振，使切割线的振幅增加，振动强度增大，从而提高了切割线的切割能力。基于此，在本发明的一些优选实施方式中，所述切割线与传输至所述切割线的超声波发生共振。由此，在切割过程中，切割线振幅适度增加，切割线的切割能力更强，切割系统的排屑能力更强，更容易减少磨损，提高切割品质以及改善切割线的断线问题的效果更明显。

由于超声波的振动频率与切割线的固有频率相匹配时，产生的振动作用最强，因此，可根据切割线的固有频率对输入的超声波的振动频率进行选择优化。在本发明的一些优选实施方式中，所述超声波的振动频率20-300 kHz(例如20kHz、22kHz、24kHz、26kHz、28kHz、30kHz、50kHz、 100kHz、150kHz、200kHz、250kHz或者300kHz等)，由此，传输至切割线的超声波的能量高，可以高效带动切割线振动，提高切割线的切割能力的效果佳，排屑性能得到显著提高，显著改善切割线的断线问题和切割品质。相对于上述振动频率范围，当超声波的振动频率过低时，则切割线的振动频率也相应较低，排屑性能相对不佳，切割品质相对较低；当超声波的振动频率过高时，则切割线的振动频率相对过高，导致切割之后获得的产品表面的几何缺陷相对较明显。在本发明的一些更优选的实施方式中，超声波的振动频率为25-120KHz。由此，提高切割线的切割品质的效果更好。

在本发明的一些实施方式中，为了使得切割线的切割能力更强，所述切割线的直径为0.05-0.3mm(例如0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、 0.25mm或者0.3mm等)。由此，切割线的直径合适，其固有频率容易与上述超声波的频率相匹配，更容易与传输至切割线的超声波发生共振，在共振频率下振动能量高，振幅合适，利于排屑，切割能力优异。相对于上述直径范围，当切割线的直径过小时，则切割线振动时振幅相对过大，不利于提高切割品质，且相对易于断线；当切割线的直径过大时，则切割线振动时振幅相对过小，不利于排屑，提高切割品质的效果相对不佳。

在本发明的一些实施方式中，所述切割线的张力为25-45N(例如25N、 30N、35N、40N或者45N等)。由此，切割线的切割能力更强，且更适于与切割线的振动频率相匹配，排屑能力更强，且不会出现断线的问题，同时切割获得的产品表面的弯曲度、翘曲度以及总厚度偏差更小，切割品质更加优异。

在本发明的一些实施方式中，所述切割线的振幅为1-650μm(例如1μm、 10μm、20μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、 400μm、450μm、500μm、550μm、600μm或者650μm等)。由此，切割线振幅合适，既能提高切割品质，促进排屑，又能减少切割线磨耗，不会出现断线问题，延长切割线的使用寿命，使其在长期使用过程中均保持稳定的切割能力。

在本发明的一些实施方式中，所述切割线的运动速度为350-1500 m/min，例如350m/min、450m/min、550m/min、650m/min、750m/min、 850m/min、950m/min、1000m/min、1100m/min、1200m/min、1300m/min、1400m/min或者1500m/min等。由此，切割线的运动速度合适，具有合适的固有频率，适于与传输至切割线的超声波的频率匹配以发生共振，且切割线的张力合适，进而保证切割线在振动时能够拥有合适的切割能力，以提高切割品质并减少断线问题。在本发明的一些优选实施方式中，切割线的运动速度为400-1200m/min。由此，切割品质更高，获得的产品表面的弯曲度、翘曲度以及总厚度偏差更小，更适于大规模应用。

在本发明的一些实施方式中，切割线的材质包括单晶金刚石、多晶金刚石和钢琴线中的至少一种。由此，切割线的材料来源广泛，硬度较大，切割效果好。在本发明的一些优选实施方式中，切割线的材质为单晶金刚石或者多晶金刚石。由此，切割线的切割效果更佳，切割过程中几乎不会出现断线问题。

在本发明的一些实施方式中，所述待切割物体包括碳化硅(例如单晶碳化硅等)、蓝宝石、氮化镓和硅(例如单晶硅等)中的至少一种。由此，待切割物体来源广，适于利用上述切割方法对其进行切割，避免资源浪费。

在本发明的一些实施方式中，所述待切割物体的进给速度为0.5 -15mm/hr(例如0.5mm/hr、1mm/hr、2mm/hr、5mm/hr、8mm/hr、10mm/hr、 12mm/hr或者15mm/hr等)。由此，待切割物体的进给速度与切割线的振动匹配效果佳，提高切割品质的效果更佳。相对于上述进给速度范围，当待切割物体的进给速度过大时，则会出现短路现象，造成加工不稳定，获得的产品表面断差，产品良率低；当待切割物体的进给速度过小时，则会出现开路现象，导致加工不能连续进行，产品良率也较低。

在本发明的一些具体实施方式中，利用上述多线切割方法切割获得的产品表面的Warp小于等于40微米，Bow小于10微米或者Bow±10微米，以及TTV小于等于10微米。由此，上述方法的切割品质优异，适于工业化应用。

在本发明的一些实施方式中，在多线切割时可以搭配砂浆切割，由此，可以进一步提高切割品质，提高切割效率，适于工业化生产。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种多线切割装置，参照图3，该多线切割装置包括：至少两个间隔设置的平行线轴20；切割线10，缠绕于所述线轴20；超声波发生装置，所述超声波发生装置的振动部件50与至少一个所述线轴20接触。发明人发现，该多线切割装置结构简单，振动部件的振动带动线轴振动，进而在线轴的传输作用下将超声波稳定地传输给切割线，切割效率高，几乎不会出现断线现象，切割品质高，使用寿命长，易于满足工业化需求。

需要说明的是，超声波发生装置、线轴以及切割线与前面的描述一致，在此不再过多赘述。可以理解的是，为了达到更佳的切割品质，超声波发生装置产生的超声波、线轴的设置以及切割线的设置可以与前面的描述一致，在此也不再过多赘述。

在本发明的一些实施方式中，所述线轴为中空结构，所述振动部件位于所述中空结构中，由此，振动部件在一定频率下振动时会带动线轴振动，线轴作为传输介质会将超声波稳定地传输至切割线，进而使得切割线发生振动，振动部件进行上述设置更能简化结构，方便线轴高效、稳定地传输超声波，并且振动部件不易受其他结构的影响，保证了整个系统的稳定性，且线轴的中空结构利于减轻线轴的重量，易于实现对线轴的控制，另外，驱动线轴工作消耗的能量低，节约能源的效果佳。

在本发明的一些具体实施方式中，超声波发生装置的振动部件可以为振动头，超声波发生装置除了包括前面所述的振动部件还可以包括变幅杆、超声波换能器、电源等，且变幅杆、超声波换能器、电源等的位置可以根据实际情况进行设置，在此不再过多赘述。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的多线切割装置在切割半导体材料中的用途。发明人发现，利用该多线切割装置切割半导体材料时，切割品质稳定，切割线磨耗少，不会出现断线问题，适于工业化应用。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种半导体材料，该半导体材料是利用前面所述的多线切割方法或者前面所述的多线切割装置切割得到的。该半导体材料表面的几何缺陷少，产品良率高，利于后续加工，外延稳定性强。

在本发明的一些实施方式中，上述半导体材料可以包括单晶硅片、多晶硅片、氮化镓基片、蓝宝石基片或者碳化硅基片等。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种功率器件，该功率器件包括前面所述的半导体材料。该功率器件的产品良率高，使用性能佳。

在本发明的一些实施方式中，上述功率器件包括二极管、晶闸管或者双极型晶体管等。

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

实施例1

多线切割方法包括：

线轴与超声波发生装置的振动头接触，且线轴在频率为20kHz的超声波的激励作用下发生振动，在线轴的传输作用下，切割线发生振动并对待切割物体进行切割，切割线的直径为0.2mm，切割线的运动速度为500 m/min。

实施例2

多线切割方法同实施例1，不同之处在于超声波的频率为300kHz。

实施例3

多线切割方法同实施例1，不同之处在于超声波的频率为150kHz。

实施例4

多线切割方法同实施例1，不同之处在于超声波的频率为25kHz。

实施例5

多线切割方法同实施例1，不同之处在于超声波的频率为120kHz。

对比例1

多线切割方法包括：

切割线的直径为0.2mm，切割线的运动速度为500m/min，切割线在没有超声波激励作用的条件下进行切割。

对比例2

钻石砂浆切割：

将含有钻石的悬浮液与水混合，均匀搅拌8hr后获得钻石砂浆，钻石砂浆中钻石浓度约为150～300g/L，切割线的线径为0.2mm，切割线的运动速度为600m/min，切割线在没有超声波激励作用的条件下进行切割。

对比例3

多线切割方法包括：

使切割线的入线端与振动频率为150kHz的振动头接触，使切割线发生振动并对待切割物体进行切割，切割线的直径为0.2mm，切割线的运动速度为500m/min。

对比例4

多线切割方法包括：

使固定待切割物体的工作台与振动频率为150kHz的振动头接触，切割线的直径为0.2mm，切割线的运动速度为500m/min。

利用实施例1-5以及对比例1-4的切割方法对直径为4寸的碳化硅晶棒进行切割，碳化硅晶棒的进给速度为1mm/hr，切割后获得的产品表面的弯曲度(Warp)、翘曲度(Bow)以及总厚度偏差(Total thickness variety，TTV) 的检测结果可参照表1：

表1

	Warp/微米	Bow/微米	TTV/微米
				实施例1	41	11	10
实施例2	45	9	9
				实施例3	34	5	8
实施例4	38	7	8
				实施例5	34	6	6
对比例1	46	8	13
				对比例2	45	8	12
对比例3	55	12	14
				对比例4	63	15	16

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (6)

1.一种多线切割方法，其特征在于，包括以下步骤：

用于缠绕切割线的线轴在超声波的激励作用下发生振动，在所述线轴的传输作用下，所述切割线发生振动并对待切割物体进行切割；

所述超声波的振动频率为150 kHz或者120 kHz；

所述待切割物体的进给速度为0.5-15 mm/hr；

所述切割线的振幅为1-650 μm；

所述切割线的直径为0.05-0.3 mm；

所述切割线的运动速度为400-1200 m/min；

所述切割线的张力为25-45 N；

所述切割线的材质为单晶金刚石或者多晶金刚石；

其中，将超声波发生装置的振动部件与所述线轴接触实现超声波的加载，所述切割线与传输至所述切割线的超声波发生共振。

2.根据权利要求1所述的多线切割方法，其特征在于，所述待切割物体包括碳化硅、蓝宝石、氮化镓和硅中的至少一种。

3.一种多线切割装置，其特征在于，包括：

至少两个间隔设置的平行线轴；

切割线，缠绕于所述线轴；

超声波发生装置，所述超声波发生装置的振动部件与至少一个所述线轴接触实现超声波的加载，所述切割线与传输至所述切割线的超声波发生共振并对待切割物体进行切割；

所述超声波的振动频率为150 kHz或者120 kHz；

所述切割线的直径为0.05-0.3 mm；

所述待切割物体的进给速度为0.5-15 mm/hr；

所述切割线的振幅为1-650 μm；

所述切割线的运动速度为400-1200 m/min；

所述切割线的张力为25-45 N；

所述切割线的材质为单晶金刚石或者多晶金刚石；

所述线轴为中空结构，所述振动部件位于所述中空结构中。

4.一种权利要求3所述的多线切割装置在切割半导体材料中的用途。

5.一种半导体材料，其特征在于，所述半导体材料是利用权利要求1-2任一项所述的多线切割方法或者权利要求3所述的多线切割装置切割得到的。

6.一种功率器件，其特征在于，包括权利要求5所述的半导体材料。

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