CN112775563B - 一种碳化硅晶片单向四层双向八级台阶切割工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅晶片单向四次双向八级台阶切割工艺，通过上面在碳化硅晶锭厚度方向的对称位置第1次切割至最深位置；随后在左边和右边同样地进行3次切割到与第1次相同深度，从而建立起一个相对平缓的多次水射流宽度的面，这个面作为避免水柱干扰的第二深度切割的起始面；在中心对称线的左侧采用相同的喷口进行第2层首次切割到其最深深度；随后在厚度对称轴线的右侧进行2次切割，并达到与第2层首次切割的相同深度；进行第3层首次切割，以达到碳化硅晶锭半径以上深度。本发明通过台阶法切割实现单晶碳化硅晶锭的高深度切割，实现了高效率、高质量、低成本、低损伤、高出品率制备SiC单晶衬底，具有推广应用的价值。

Description

一种碳化硅晶片单向四层双向八级台阶切割工艺

技术领域

本发明涉及碳化硅晶片切割工艺领域，尤其涉及一种碳化硅晶片单向四层双向八级台阶切割工艺。

背景技术

SiC单晶作为一种典型的硬脆材料，其莫氏硬度为9.2～9.5，仅次于金刚石，这使得SiC单晶衬底的加工制造过程更加困难。目前SiC单晶衬底的制造过程可分成切割→粗研→细研→抛光几个阶段。切割作为制造SiC单晶衬底首要关键的工序，其加工质量直接影响到后续工序的材料去除量，最终加工质量(表面粗糙度和平整度)，产品出品率及加工成本等。随着晶体生长技术的发展和市场的需求，大直径SiC单晶衬底的需求量也越来越大，目前SiC单晶衬底正由6英寸向8英寸过渡，这对传统的晶片切割技术带来了严峻的挑战，如何高效率、高质量、低成本、低损伤、高出品率制备SiC单晶衬底，已成为当前碳化硅单晶衬底加工领域重要的研究方向。

目前单晶碳化硅切割多采用固结金刚石磨粒线锯切割法。用电镀、钎焊、树脂硬化或烧结等方法把金刚石磨粒均匀固结在高强度不锈钢钢丝表面上来作为切割工具。采用复合电镀方法固结金刚石磨粒制成的线锯具备较高的耐热性与耐磨性，具有切缝窄、锯切晶面微裂纹少和环境污染小等优点。但由于碳化硅单晶的莫氏硬度很高，其断裂韧性极低且其临界切削深度极小(纳米级)，要使锯切的晶片具有较高的表面质量，应在小于SiC单晶临界切削深度下实现SiC的塑性域切割。传统金刚石线锯切割SiC单晶的研究表明，即使在极小的进给速度下，SiC的材料去除模式也是脆性断裂和塑性去除的混合模式。而脆性断裂模式则是通过硬脆材料内部微裂纹的萌生、蔓延、传播扩展和交叉来实现的，因此传统线锯加工方法很容易使SiC单晶衬底的表面产生微观裂纹和使亚表面出现损伤层,这将极大影响SiC单晶衬底的表面和亚表面质量。另一方面，用普通固结金刚石线锯切割大尺寸、超薄SiC晶片时，因切割的锯缝较长，冷却液难以进入切割区，使切割区域温度升高，这不但造成晶片表面由于高温而出现相变层，同时较长的锯缝使切屑排出困难，剥落的切屑和磨粒对SiC晶片造成二次划伤，又直接影响SiC单晶衬底的切割质量。因此，采用单一加工模式切割硬脆材料在很多方面已难以满足需要，如何提高SiC等硬脆材料的加工效率和精度，探索有效的加工新方法已经成为迫切需要解决的问题。

激光微水射流(laser MicroJet，LMJ)是细水射流引导激光实现加工的先进技术，也叫激光微水射流加工技术。该技术将激光束聚焦后耦合进高速的水射流，由于水和空气的折射率不同，激光在水束内表面发生全反射，集中的激光能量被限制在水束中。加工时，聚焦到喷嘴位置的激光束在微细的水柱内壁形成全反射后生成截面能量均匀分布的能量束而被引导至工件表面实现工件加工。现已在航空发动机热端部件制造、航空器CFRP结构件加工、天然金刚石切割、大规模集成电路晶片切割等行业明确为行业领先的解决方案。

激光微水射流相比传统激光加工技术具有的优势包括：(1)无需对焦。非片面加工无问题，可进行3D切削，加工深度可深达几厘米；(2)微水射流保持平行水射流中的激光束完全平行，柱形激光束实现平行切边，确保高质量加工壁和切边；(3)大长宽比，可实现30μm以下切边宽度，可以最小的材料损失钻更深的孔；(4)水射流的冷却作用避免热损伤和材料变化从而维持设计的疲劳强度；(5)水膜消除了加工废料粒子的堆积和污染，无需加工表面的保护层；(6)水射流的高动能驱散融化废料粒子，避免毛刺，清洁高质量地形成加工面，如图1和2所示。

激光微水射流加工技术在大规模集成电路应用广泛且表现出色。以下介绍几种应用：(1)多项目硅基片切割。在集成电路加工中，一块大的圆硅晶片上可以为多个项目加工集成电路，这样圆硅晶片被充分利用，如图3(a)所示。采用激光微水射流加工技术，可以将不同项目的集成电路分别从圆晶片切割下来，切割效果好，成品率很高，远远好于金刚石刀片切割。(2)GaAs(砷化镓)切割。GaAs是最常用的复合半导体材料，由于硬脆性，很难加工。机械加工是以前常用方法，但容易产生崩裂。采用激光微水射流，加工速度快，没有机械损伤，没有热损伤。加工的熔渣等加工产物都溶于水中，不会对砷化镓片的电路部分造成损伤。如图3(b)所示为在厚100μm砷化镓片上切缝。采用平均功率100W的光纤Nd：YAG激光，切缝宽28μm。图3(d)Low-k(低介电常数)材料切割。该材料是大规模集成电路芯片常用的材料，脆性很大，机械加工很容易出现裂纹。采用激光微水射流，可以得到完好的加工效果，如图3(c)所示为100μm厚晶片的切缝，宽30μm，加工质量很好。由于加工过程中对不接触水束的low-k层几乎无力和热作用，对电路板的介电性能无任何影响。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种碳化硅晶片单向四层双向八级台阶切割工艺。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

①选择较大且具有稳定激光束长度在碳化硅晶锭半径以上的激光头；

②从上面在碳化硅晶锭厚度方向的对称位置第1次切割至最深位置；最深位置为20mm；

③随后在左边和右边同样地进行3次切割到与第1次相同深度，从而建立起一个相对平缓的多次水射流宽度的面，这个面作为避免水柱干扰的第二深度切割的起始面；

④在中心对称线的左侧采用相同的喷口进行第2层首次切割到其最深深度；

⑤随后在厚度对称轴线的右侧进行2次切割，并达到与第2层首次切割的相同深度；

⑥进行第3层首次切割1次再切割1次达到与第1次相同深度，随后进行第4层首次切割1次切割到最深位置，所述最深位置为20mm，以达到碳化硅晶锭半径以上深度。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种碳化硅晶片单向四层双向八级台阶切割工艺，与现有技术相比，本发明提出的激光微射流加工技术切割方法，切割时产生的切面质量很好，同时水流起到了很好的冷却效果，不会使切割区域的温度过高导致大面积的由于高温而出现的相变层等热损伤从而维持设计的疲劳强度，且水膜消除了加工废料粒子的堆积和污染，无需加工表面的保护层，而高动能驱散融化废料粒子，避免毛刺，清洁高质量地形成加工面。而且切缝窄，材料损失少。本发明通过台阶法切割实现单晶碳化硅晶锭的高深度切割，实现了高效率、高质量、低成本、低损伤、高出品率制备SiC单晶衬底，具有推广应用的价值。

附图说明

图1是激光微水射流与传统激光加工工作层对比图；

图2是激光微水射流加工技术优势分析图；

图3是激光微水射流技术在大规模集成电路应用示意图；

图4是样品形态尺寸图；

图5是样品夹持状态示意图；

图6是单向四次双向八级台阶法切割图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

提出的激光微射流加工技术切割方法，是细水射流引导激光实现加工的先进技术，也叫激光微水射流加工技术。通过这种技术切割出来的硬脆的碳化硅材料切面质量极高，且水射流的冷却作用避免热损伤和材料变化从而维持设计的疲劳强度；水膜消除了加工废料粒子的堆积和污染，无需加工表面的保护层；水射流的高动能驱散融化废料粒子，避免毛刺，清洁高质量地形成加工面。效率高；切缝小，材料损失少，非常适合超薄大尺寸碳化硅单晶片的精密切割。

激光微水射流设备切割碳化硅晶锭实验方案：

该激光微水射流微细加工系统主要包括(1)脉冲式Nd：YAG脉冲激光系统；(2)高压水稳压液压系统；(3)激光与水束光纤耦合装置；(4)CCD机器视觉检测系统；(5)耦合状态对准调整系统；(6)CNC数控系统；(7)夹具等。

激光微水射流加工系统工作过程为：去离子水通过过滤装置，由柱塞泵抽到管路，调压后，流经单向阀，经过蓄能器稳压再注入到耦合装置，形成水束，从喷嘴口喷射到工件上。同时激光器产生的脉冲激光经激光头内的聚焦透镜聚焦后入射到耦合装置的喷嘴孔处，在此处与水束耦合，随水束注入到碳化硅加工位置，对碳化硅进行蚀除加工。

样品形态和参数：直径150mm，厚度30-35mm之间的碳化硅单晶晶锭(以最终项目实际提供样品为准)；如图4所示。

实验目的：采取双面切割和相同喷口的方法沿直径方向将碳化硅晶锭样品切成两块，从而检验双面切割的最大深度的加工可行性。

实施例1：单向四次双向八级台阶法

由于SYNOVA公司从未进行过类似的不同切缝宽的切割实验，尚不清楚过程中是否会出现激光水射流与切缝壁的干扰。所以本项目设计了用较小口径喷头，通过单相四次双向共八级台阶切割方式实现150mm的切割，以减小激光水射流与切缝壁的干扰。

步骤1：从最上端沿宽度方向开始首次切割。考虑尽可能地完成单向切割总深度75mm的目的，从而计划控制切割深度在20mm；这个深度的碳化硅切割有成功的记录；

步骤2：由于以此计算，且假定我们的策略能行得通，共需要4个深度的分阶段切割。以在每个深度上与上次形成的切缝边缘至少有1/2切缝的间隙(我们目前并不知道这个是否足够)，在第一个部分深度的切割需要水平进行4次，从而形成一个宽度为4x单词切缝的宽度的切缝(图6)

步骤3：从第一阶段形成的底面上依次切3次，形成第二个20mm深度的底面(达到40mm)。这个部分的切缝宽度为3倍单个切缝宽；

步骤4：同理，在第二次形成的总切缝底部开始第三个深度的切割，从而达到第三个深度(60mm)，假定解决了上述潜在问题(如果发生)；

步骤5：此时将在第三次形成的切缝底面上进行最后的15mm深度切割，从而希望完成单个方向的有阶梯切缝的75mm切割；

步骤6：翻转该试样并夹紧，尽可能中间对准；

步骤7：重复步骤1到步骤5完成对侧75mm的切割。采取双面切割和相同喷口的方法沿直径方向争取以完成将该试样切成两块，从而检验双面切割的最大深度的加工可行性。

本发明按150mm直径单晶碳化硅晶锭加工需求基于SYNOVA MCS300水射流激光加工装置完成高精度转台和大尺寸样品夹具改造。通过台阶法切割策略实现150mm直径单晶碳化硅晶锭的高深度切割。评估微水流激光切割150mm直径单晶碳化硅晶锭的效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种碳化硅晶片单向四层双向八级台阶切割工艺，其特征在于：采用激光和水射流的复合方式进行切割，包括以下步骤：

①选择较大且具有稳定激光束长度在碳化硅晶锭半径以上的激光头；

②从上面在碳化硅晶锭厚度方向的对称位置第1次切割至最深位置，所述最深位置为20mm；

③随后在左边和右边同样地进行3次切割到与第1次相同深度，从而建立起一个相对平缓的多次水射流宽度的面，这个面作为避免水柱干扰的第二深度切割的起始面；

④在中心对称线的左侧采用相同的喷口进行第2层首次切割到其最深深度；

⑤随后在厚度对称轴线的右侧进行2次切割，并达到与第2层首次切割的相同深度；

⑥进行第3层首次切割1次再切割1次达到与第1次相同深度，随后进行第4层首次切割1次切割到最深位置，所述最深位置为20mm，以达到碳化硅晶锭半径以上深度。

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