CN115122209A - 一种针对各向异性晶片的划切方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对各向异性晶片的划切方法，包括以下步骤：固定晶片、确定晶片划切方向的优先顺序、设置划切参数、设定划切路径、将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，对正面背面崩边进行测量。本发明采用上述一种针对各向异性晶片的划切方法，基于物理划切原理，从加工源头避免化学污染，从加工方式降低划切复杂性，提供高效精密加工方法来实现功能晶体的划切，针对单一或复杂晶向的晶片产品实施有效划切，具有通用性、实用性，为工业生产提供参考依据。
Description
技术领域
本发明涉及晶体加工技术领域，尤其是涉及一种针对各向异性晶片的划切方法。
背景技术
多功能晶体材料在当前信息时代发挥着重要作用，随着各行业向着功能一体化方向逐渐发展以及多种能量之间相互转化的需求上升，功能晶体正朝着“复合化”、“高效能量转化”方向发展。从天然晶体到人工晶体，从大尺寸晶体到微纳米晶体，从单一晶向到拉拔加工出各向异性的晶体，晶体的合成与制备正面向着科技发展的需求不断开拓，同样，晶体的改造与加工也随之面临新的挑战。在热、力、声、光、电、磁等多个领域里，各种功能晶体竞相展示出其特有优势，这也意味着面对功能晶体多样化、产业需求复杂化的信息时代，对于高精密加工领域无疑提出了更高的目标。
作为二代半导体材料，砷化镓光电转换效率高，在超高速、超高频器件和集成电路中占据着十分重要的地位。与砷化镓存有竞争性的半导体，磷化铟的直接跃迁带隙对应着通讯传输损耗最小的波段，同时它还体现出高转化效率、高散热等优势。钽酸锂为非线性晶体材料，其卓越的压电性质成为滤波器衬底的首选材料。以上仅列举工业中常见的晶体材料，它们在各自领域各显其能，其制备出的晶体器件也随着功能需求有所变化，单一晶向、多晶向、特定角度成型等多种方式，国内电子通讯、光通讯水平正在汲取营养大步成长，市场需求也日益增多，但生产制备工艺仍处于基础薄弱阶段，较国外相比还需大量实验研发，材料成型、减薄抛光产生的内部应力为后续加工带来极大挑战，因此，面对功能晶体材料加工，不能单从制备工艺的改善而消极等待，应着眼于各个工序进行高质量加工。
常规工艺划切晶体材料多采用激光切割，利用紫外或红外等激光器发射的能量束照射材料，这种热烧蚀方式会在切割区域附近产生局部熔蚀、热分解现象，材料表面受温度影响较大的物质会残留在表面或者分解产生有毒物质，这为工业生产环境造成极大麻烦，为此人们也在探寻新的加工方式来降低这种严峻危害。除此之外，在超短脉冲时间内高速冲压材料，这种压缩应力带来的裂纹是后续裂片的关键点。整个过程中除了激光束应调整到合适的参数以外，它带来的压缩应力是否可为后续工艺提供有效基础仍是保证品质的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对各向异性晶片的划切方法，基于物理划切原理，从加工源头避免化学污染，从加工方式降低划切复杂性，提供高效精密加工方法来实现功能晶体的划切，针对单一或复杂晶向的晶片产品实施有效划切，具有通用性、实用性，为工业生产提供参考依据。
为实现上述目的，本发明提供了一种针对各向异性晶片的划切方法，包括以下步骤：
S1、固定晶片：将晶片固定在粘合力大于0.12N/20mm的粘性衬底膜上，位置置于衬底膜的中心区域，并用与划片机工作盘相配套的金属环固定，晶片、衬底膜和金属环形成一个整体，通过划片机工作盘表面的金属边缘磁力吸附金属环，以及划片机的真空吸盘以不低于80kpa的负压吸附衬底膜实现晶片的固定；
S2、确定晶片划切方向的优先顺序：将上述晶片、衬底膜、金属环形成的整体固定在划片机工作台上，按照晶片表面切割道方向进行角度调整并沿着机台机械方向0°取直，切割道与基准线重合，找到晶片的每一个方向上所要划切的初始位置，并在每一个方向的初始位置上边缘各划切一条线，对比两个方向划切后的切割边缘状态是否一致，若一致，则可正式划切产品，切割方向没有优先顺序，若不相似，则找到边缘状态差的那个方向，作为优先切割方向；
S3、设置划切参数：设备输入的材料尺寸较实际材料尺寸偏大5～15mm，划切参数转速设置范围为25000rpm～50000rpm，划切速度为10mm/s～60mm/s，最终切透材料的划切进衬底膜深度为相应衬底膜总厚度的4％～26％，砂轮片切割冷却水流量不低于1L/min，根据材料的需要选择相应的切割模式进行划切；
S4、设定划切路径：设定通道一为优先划切的方向，沿通道一方向进行划切，设置每划切一条切割线后机台主轴带动砂轮片移动至少图形步进的两倍距离划切下一条线，设置砂轮片切割深度至少切进所切材料厚度的2/5，随后划切上述边缘状态好的方向，即为通道二，沿通道二进行划切时，机台设定按照图形单倍步进进行划切每一条切割线，砂轮片将材料全部切透，再回到通道一方向，沿着原定通道一的路线重复切割，此次切割将材料全部切透，再按照原本移动两倍步进的中间位置的切割道进行划切，砂轮片切透材料；
S5、检验：将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，对正面背面崩边进行测量。
优选的，所述步骤S2中切割道与基准线重合的误差不超过0.5微米。
优选的，所述步骤S2中对比两个方向划切后的切割边缘状态若一致，两个方向划切后切割道的崩边平均差值在3微米以内，两个方向划切后的切割边缘状态若不相似，两个方向划切后切割道的崩边平均差值在3-7微米之间。
优选的，所述步骤S4中划切路径为单轴或双轴划切，双轴划切使用双轴切割设备。
优选的，所述步骤S4中沿通道一切割时，每切一条线之后的砂轮划片移动距离为原来步进的2倍-4倍。
优选的，所述步骤S5中将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，正、背崩边均<10μm，侧面无裂纹，正、背面无碎裂即为合格品。
因此，本发明采用上述一种针对各向异性晶片的划切方法，具备以下有益效果：
(1)采用划片机切割晶体，对晶体材料无高温熔蚀的破坏作用，不会产生热分解而生成有毒物质，物理划切方式污染小，降低排污难度与污染物排放量，更有利于绿色可持续发展；
(2)划切精度能控制在微米级范围，能够满足各行业精密加工需求，且划切得到产品尺寸精度高，实用性强；
(3)操作过程简单，工艺流程连贯，可满足多种尺寸、厚度的晶片材料切割，与激光切割方式相比，无后续人工裂片过程，适用于工业生产，能够减少人工操作失误带来的风险，工作效率更高；
(4)整个划切过程耗材价格低，用量省，后续工序少，能够减少不必要的人工费用，前期动力供给与后期排放检测设备搭建简单，可大幅度减少生产成本；
(5)从材料受力角度进行剖析，对于不同种材料、不同种尺寸规格的晶体材料划切可举一反三，划切方法、划切参数可按需调整，为材料多样性提供便利，侧重为划片切割工艺提供新的思路，为晶片划片发展提供更有力的支撑；
(6)从划切材料质量角度讲，能够在划切前优先预估整体划切品质，为后续工艺创造更多时间设定先决方案，也避免因品质监测不到位而造成更大的损失，同时提高了划切粒子的品质，提高划切材料的利用率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为每一个方向的初始位置上边缘划切的一条线晶片示意图；
图2为沿通道一方向划切的下一条线晶片示意图；
图3为砂轮片切割深度至少切进所切材料厚度的2/5晶片示意图；
图4为沿通道二进行划切时机台设定按照图形单倍步进进行划切每一条切割线示意图；
图5为砂轮片将材料全部切透示意图；
图6为为沿通道一原来的划切路径进行切透的俯视图；
图7为再按照图6移动两倍步进的中间位置的切割道进行划切，砂轮片切透材料示意图；
图8为实施例1的划切后晶片示意图，其中a为100倍镜下示意图，b为200倍镜下示意图；
图9为实施例2的划切后晶片示意图，其中a为100倍镜下示意图，b为200倍镜下示意图；
图10为表示优先划切边缘状态好的方向的效果图；
图11为表示优先划切边缘状态差的的方向的效果图；
图12划切变形晶片时，按照原有图形步进划切的效果图；
图13为先划切图形2倍步进的划切效果图。
具体实施方式
本发明提供了一种针对各向异性晶片的划切方法，包括以下步骤：
S1、固定晶片：将晶片固定在粘合力大于0.12N/20mm的粘性衬底膜上，位置置于衬底膜的中心区域，并用与划片机工作盘相配套的金属环固定，晶片、衬底膜和金属环形成一个整体，通过划片机工作盘表面的金属边缘磁力吸附金属环，以及划片机的真空吸盘以不低于80kpa的负压吸附衬底膜实现晶片的固定。
S2、确定晶片划切方向的优先顺序：将上述晶片、衬底膜、金属环形成的整体固定在划片机工作台上，按照晶片表面切割道方向进行角度调整并沿着机台机械方向0°取直，切割道与基准线重合(误差不超过0.5微米)，找到晶片的每一个方向上所要划切的初始位置，并在每一个方向的初始位置上边缘各划切一条线，如图1所示，对比两个方向划切后的切割边缘状态是否一致(两个方向划切后切割道的崩边平均差值在3微米以内)，若一致，则可正式划切产品，切割方向没有优先顺序，若不相似(两个方向划切后的崩边平均差值3～7微米)，则找到边缘状态差的那个方向，作为优先切割方向。此目的为减少作用在材料上的划切应力，减少对材料的损坏。原因在于对于各向异性晶体材料或者非单一晶向材料来说，不同方向原子排布周期性与疏密程度不同，导致原子间结合力不同，其表面显微硬度会有差别，因此沿不同方向划切时晶片受力所产生的切口状态不相同。找到划切边缘差的方向优先划切，从宏观角度可以理解为此时划切对于整片晶片来说受到更大作用的是正应力，正应力主要影响着晶片正背表面划切效果，也就是业内常指chipping(崩边)，但是此过程能够把划切难度从整体分解到区域，尤其是当进行另一方向划切时，已被划切成小区域的晶片受到较小的力即可分割成所需粒子，此时正应力对于晶片正背表面影响较小。相反的，若优先划切边缘状态好的方向，已被划切成小区域的晶片会受到较大的切应力的影响，与正应力不同，此应力会使晶片产生相互错动，则各部分受力将重新被分配，晶片也会产生不同程度的崩裂，影响较大。
S3、设置划切参数：设备输入的材料尺寸较实际材料尺寸偏大5～15mm，划切参数转速设置范围为25000rpm～50000rpm，划切速度为10mm/s～60mm/s，最终切透材料的划切进衬底膜深度为相应衬底膜总厚度的4％～26％，砂轮片切割冷却水流量不低于1L/min，根据材料的需要选择相应的切割模式进行划切。
S4、设定划切路径：设定通道一为优先划切的方向，沿通道一方向进行划切，设置每划切一条切割线后机台主轴带动砂轮片移动至少图形步进的两倍距离划切下一条线，如图2，设置砂轮片切割深度至少切进所切材料厚度的2/5，如图3，随后划切上述边缘状态好的方向，即为通道二，沿通道二进行划切时，机台设定按照图形单倍步进进行划切每一条切割线，如图4，砂轮片将材料全部切透，再回到通道一方向，沿着原定通道一的路线重复切割，此次切割将材料全部切透，如图5，再按照原本移动两倍步进的中间位置的切割道进行划切，砂轮片切透材料，如图6和图7。划切路径不限定单轴或者双轴划切(双轴划切需使用双轴切割设备)，不限定砂轮片切割行进方向。沿通道一切割时，每切一条线之后的砂轮划片移动距离为原来步进的2倍～4倍，此目的在于初次划切将整个晶片拆解成小片区域，再在拆解的小片区域按照所需尺寸进行切割，通过这样可以将存在应力变形的晶片整体进行优先应力分解，降低晶片上下表面因应力不均造成的切割裂纹延伸问题。对于变形严重、质地硬脆、厚度较大的晶体材料，通道一和通道二的切割需要逐次加深切割深度，此目的在于保证砂轮片切割不受损伤，逐次加深切割深度能够避免材料受到接近其强度极限的切割应力而存在隐裂、破碎等问题，降低划切对材料的破环，减少崩边的大小与裂纹产生。
S5、检验：将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，对正面背面崩边进行测量，正、背崩边均<10μm以内，侧面无裂纹，正、背面无碎裂即为合格品。
以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
针对各向异性的晶片材料，以InP为例，规格尺寸为4inch，厚度为0.1mm。
切割要求：需要划切得到的净粒子尺寸为0.4*1.1mm。粒子的公差范围在(+0.01，-0.01mm)，正面崩边<10μm，背面崩边<10μm，侧面粒子无裂纹，正、背表面均无碎裂。具体实施如下：
1、砂轮划片机：型号DS9260(此型号设备不是唯一选择)
2、砂轮片：超薄砂轮片Disco ZH05-SD5000-N1-90 BA(此品牌和型号不是唯一选择)
3、衬底膜：D-485H(厚度0.1mm)
4、工艺及参数：
砂轮片划切进给速度方向分别沿着相互垂直的两个切割道方向设定，调整工作盘旋转角度使切割道与机台的水平基准线重合(误差不超过0.5微米)。在此基础上工作盘转角90°，同样调整另一方向的切割道与机台基准线重合(误差不超过0.5微米)。完成以上两个相互垂直切割道方向的设定之后，分别沿着这两个方向进行划切。划切位置为每个方向首条切割道的边缘0.3～0.6mm处，对比两方向切割线的崩边效果，选定崩边效果较差的方向为第一方向，效果较好的方向为第二方向。
首先进行第一方向的划切，步进2.24mm为2倍的图形步进,按照图形之间的切割道排布顺次切割；其次进行第二方向的划切，步进为0.42mm，同样按照图形之间的切割道排布顺次切割。再重复第一方向的划切，步进仍为2.24mm，但是此次落刀位置为第一次切割时相邻两切割道的中间位置。整个切割过程中，主轴转速30000rpm，砂轮片进给速度12mm/s，砂轮片划切高度为0.075mm，砂轮片冷却水流量为1.5L/min。
5、划切：通过专用贴膜机器对晶片背面进行自动贴膜，贴膜前晶片正背表面应保持洁净无尘，并要求贴膜后的晶片背面气泡面积不超过粒子与膜接触面积的20％。贴膜后即可在机台中按照设定的参数进行划切作业。首先进行第一方向的划切，主轴转速为30000rpm，砂轮片进给速度为12mm/s，砂轮片划切高度为0.075mm，步进为2.24mm。然后进行第二方向的划切，主轴转速为30000rpm，砂轮片进给速度为12mm/s，砂轮片划切高度为0.075mm，步进为0.42mm。重复第一方向，但是位置区别于第一方向的划切位置，落刀处位于第一方向两切割道中间处，主轴转速为30000rpm，砂轮片进给速度为12mm/s，砂轮片划切高度为0.075mm，步进为2.24mm。
6、检验：将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，对正面背面崩边进行测量，正、背崩边均<10μm以内，侧面无裂纹，正、背面无碎裂即为合格品。如下图8。
实施例2
铌酸锂的光电效应多，其结构缺陷造就了超强的可调控性，在高速长距离通讯中显示其特有优势。以铌酸锂材料为例，规格尺寸为6inch×0.38mm。现将其切割成1.8×1.0mm的粒子，要求正背面无裂纹。具体实施如下：
砂轮划片机：型号DS623(此型号设备不是唯一选择)
砂轮片：砂轮片Disco SD800-BB200-75,56*0.1A2*40(此品牌和型号不是唯一选择)
衬底膜：SPV224蓝膜(厚度0.075mm)
贴膜：通过专用贴膜机器对晶片背面进行自动贴膜，贴膜前晶片正背表面应保持洁置在恒温加热烘烤机中进行加热，设置从室温(21℃±2℃)爬升至85℃，烘烤10min。
工艺及参数：砂轮片划切方向分别沿着相互垂直的两个切割道方向设定，调整工作盘旋转角度使切割道与机台的水平基准线重合。在此基础上转角90°，同样调整另一方向的切割道与机台基准线重合。完成以上两个相互垂直切割道方向的设定之后，分别沿着这两个方向进行划切。划切位置为每个方向首条切割道的上方，对比两方向切割线的崩边效果是否一致。崩边效果较差的方向为第一方向，效果较好的方向为第二方向。
首先进行第一方向的划切，步进2.3mm为单个图形步进的2倍,按照图形之间的切割道排布顺次切割；其次进行第二方向的划切，步进为1.95mm，同样按照图形之间的切割道排布顺次切割。再重复第一方向的划切，步进仍为2.3mm，但是此次落刀位置为第一次切割时相邻两切割道的中间位置。整个切割过程中，主轴转速25000rpm，砂轮片进给速度3mm/s，砂轮片划切高度为0.25mm、0.05mm，砂轮片冷却水流量为1.3L/min。
划切：进行第一方向的划切，主轴转速为25000rpm，砂轮片进给速度为3mm/s，砂轮片划切高度为0.25mm，步进为2.3mm。进行第二方向的划切，主轴转速为25000rpm，砂轮片进给速度为3mm/s，砂轮片划切高度为0.05mm，步进为1.95mm。重复第一方向划切，主轴转速为25000rpm，砂轮片进给速度为3mm/s，砂轮片划切高度为0.05mm，步进为2.3mm。重复第一方向划切，主轴转速为25000rpm，砂轮片进给速度为3mm/s，砂轮片划切高度为0.05mm，步进为2.3mm。切割位置区别于上述第一方向的划切位置，落刀距离划切道偏移1.15mm，主轴转速为25000rpm，砂轮片进给速度为3mm/s，砂轮片划切高度为0.05mm，步进为2.3mm。
检验：将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，对正面背面崩边进行测量，正、背崩边均<10μm以内，侧面无裂纹，正、背面无碎裂即为合格品。如下图9。
因此，本发明采用上述一种针对各向异性晶片的划切方法，基于物理划切原理，从加工源头避免化学污染，从加工方式降低划切复杂性，提供高效精密加工方法来实现功能晶体的划切，针对单一或复杂晶向的晶片产品实施有效划切，具有通用性、实用性，为工业生产提供参考依据。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种针对各向异性晶片的划切方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、固定晶片：将晶片固定在粘合力大于0.12N/20mm的粘性衬底膜上，位置置于衬底膜的中心区域，并用与划片机工作盘相配套的金属环固定，晶片、衬底膜和金属环形成一个整体，通过划片机工作盘表面的金属边缘磁力吸附金属环，以及划片机的真空吸盘以不低于80kpa的负压吸附衬底膜实现晶片的固定；
S2、确定晶片划切方向的优先顺序：将上述晶片、衬底膜、金属环形成的整体固定在划片机工作台上，按照晶片表面切割道方向进行角度调整并沿着机台机械方向0°取直，切割道与基准线重合，找到晶片的每一个方向上所要划切的初始位置，并在每一个方向的初始位置上边缘各划切一条线，对比两个方向划切后的切割边缘状态是否一致，若一致，则可正式划切产品，切割方向没有优先顺序，若不相似，则找到边缘状态差的那个方向，作为优先切割方向；
S3、设置划切参数：设备输入的材料尺寸较实际材料尺寸偏大5～15mm，划切参数转速设置范围为25000rpm～50000rpm，划切速度为10mm/s～60mm/s，最终切透材料的划切进衬底膜深度为相应衬底膜总厚度的4％～26％，砂轮片切割冷却水流量不低于1L/min，根据材料的需要选择相应的切割模式进行划切；
S4、设定划切路径：设定通道一为优先划切的方向，沿通道一方向进行划切，设置每划切一条切割线后机台主轴带动砂轮片移动至少图形步进的两倍距离划切下一条线，设置砂轮片切割深度至少切进所切材料厚度的2/5，随后划切上述边缘状态好的方向，即为通道二，沿通道二进行划切时，机台设定按照图形单倍步进进行划切每一条切割线，砂轮片将材料全部切透，再回到通道一方向，沿着原定通道一的路线重复切割，此次切割将材料全部切透，再按照原本移动两倍步进的中间位置的切割道进行划切，砂轮片切透材料；
S5、检验：将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，对正面背面崩边进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种针对各向异性晶片的划切方法，其特征在于：所述步骤S2中切割道与基准线重合的误差不超过0.5微米。
3.根据权利要求1所述的一种针对各向异性晶片的划切方法，其特征在于：所述步骤S2中对比两个方向划切后的切割边缘状态若一致，两个方向划切后切割道的崩边平均差值在3微米以内，两个方向划切后的切割边缘状态若不相似，两个方向划切后切割道的崩边平均差值在3-7微米之间。
4.根据权利要求1所述的一种针对各向异性晶片的划切方法，其特征在于：所述步骤S4中划切路径为单轴或双轴划切，双轴划切使用双轴切割设备。
5.根据权利要求1所述的一种针对各向异性晶片的划切方法，其特征在于：所述步骤S4中沿通道一切割时，每切一条线之后的砂轮划片移动距离为原来步进的2倍-4倍。
6.根据权利要求5所述的一种针对各向异性晶片的划切方法，其特征在于：所述步骤S5中将切割完成的粒子在显微镜下进行观察，正、背崩边均<10μm，侧面无裂纹，正、背面无碎裂即为合格品。
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