CN115635379A - 一种氮化铝单晶衬底加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化铝单晶衬底加工方法，首先设计氮化铝晶体的粘接装置，并结合粘接装置制定了加工方法，粘接装置包括支架、升降杆、缓冲杆和真空吸盘；加工方法包括晶体粘接工艺过程和晶体减薄工艺过程。通过采用粘接装置对氮化铝单晶进行粘接，配合新制定的减薄工艺方法，能得到无开裂、表面光滑、满足工艺使用要求的晶体。本发明解决了氮化铝晶体生长结束部分无法将切割面粘平的问题，使用粘接装置粘接后进行减薄磨削加工的晶体经工艺验证晶体无开裂现象，表面光滑平整，表面粗糙度值Ra=9.21nm，满足了衬底使用要求，提高了氮化铝晶体的利用率。本粘接装置结构简单，操作便捷。

Description

一种氮化铝单晶衬底加工方法

技术领域

本发明涉及半导体材料的加工，特别涉及一种氮化铝单晶衬底加工方法。

背景技术

氮化铝晶体经过切割、研磨、抛光等工序加工成产品或衬底。但是这些晶体通过线切割切割下的生长结束部分一面为切割面，另一面为自然生长的弧形曲面。由于这些晶体的结束部分的表面结晶质量较高、缺陷密度较低，可将切割面进行磨抛，利用弧形曲面充当衬底继续进行生长实验。在目前氮化铝单晶衬底价格较高的情况下，充分使用晶体的每一个区域，能有效降低衬底的成本，提高晶体利用率。

目前这部分晶体的加工方式是手动将晶体弧形曲面与粘接板通过蜡或胶直接进行粘接，由于弧形曲面的表面不平导致粘贴完毕不能保证切割面与粘贴板表面平行，粘贴不平会增加切割面磨削的去除量，导致加工时间增长，也会导致加工后的切割面晶向出现偏差，不利于实验的开展。目前氮化铝晶片加工普遍采用游离磨料研磨，这种加工方式是使用不同粒径的研磨液对晶体表面研磨，不仅加工效率低、损伤深度大，而且更容易开裂破碎，严重影响晶体的成品率和加工成本。

近年来在半导体晶片加工工艺中使用一种金刚石砂轮旋转减薄技术，由于其加工成本低、加工精度高、容易实现工艺过程自动化等优点，代替传统游离磨粒研磨，在加工硬脆半导体晶片的加工中得到广泛应用。这种减薄加工方法是将待加工晶片粘贴到陶瓷板上进行单面加工。但针对氮化铝晶片使用减薄工艺存在很多问题，如砂轮目数和减薄工艺参数等选择不当会导致晶体开裂、表面意外损伤的问题。

发明内容

针对目前氮化铝这种半导体材料处于研发阶段，需要大量氮化铝晶体作为衬底进行实验，在目前氮化铝单晶衬底价格较贵的状态下，为充分利用晶体每一部分，解决将切割下的晶体结束弯曲表面无法粘贴加工的问题，实现将弯曲表面粘贴在陶瓷盘上使切割表面尽量平行粘接板，本发明提供一种氮化铝单晶衬底加工方法，以解决晶体粘贴不平和磨削加工中开裂等问题。本发明首先设计氮化铝晶体的粘接装置，并结合粘接装置制定了加工方法，加工方法包括晶体粘接工艺过程和晶体减薄工艺过程。采用粘接装置和新制定的减薄工艺进行晶体减薄，将切割面进行磨抛，能得到无开裂、表面光滑、满足工艺使用要求的衬底。

本发明采取的技术方案是：一种氮化铝单晶衬底加工方法包括粘接、减薄两步工艺：

第一步、粘接工艺有如下步骤：

A1、将切割下来的氮化铝晶体使用酒精擦拭干净。

A2、将陶瓷板放置在粘接装置的底座上，保持陶瓷板与所述底座同心。

A3、将粘接蜡放置在烧杯内融化，将融化后的粘接蜡涂覆在所述陶瓷板上，将氮化铝晶体的弧形曲面朝下，切割面朝上与所述粘接装置的真空吸盘接触。

A4、打开与粘接装置的升降杆相连的真空发生器，所述真空吸盘吸附氮化铝晶体切割面，将顶丝放松，使所述升降杆下落，当氮化铝晶体的弧形曲面压入所述粘接蜡中后，将所述顶丝拧紧，放置10分钟使所述粘接蜡固化。

A5、关闭所述真空发生器，放松所述顶丝，将所述升降杆上移，取出粘接好氮化铝晶体的所述陶瓷板。

第二步、减薄工艺有如下步骤：

A6、将所述陶瓷板吸附在减薄机真空吸盘上。

A7、设定减薄参数，使用磨削砂轮对粘接在陶瓷板上的氮化铝晶体进行减薄。

A8、减薄加工结束后，将所述陶瓷板放置在加热台上加热，取下氮化铝晶体进行清洗。

本发明所述的粘接装置包括支架、带中心通气孔的升降杆、缓冲杆和真空吸盘；所述支架包括设有三个螺纹孔的底座、两端带螺纹的三根支柱和带有凸台的顶板，所述顶板及凸台上均设有中心通气孔，顶板上还设有三个通孔，凸台侧面设有顶丝孔，所述三根支柱下端与所述底座螺纹固定连接，三根支柱上端分别穿过所述顶板上的三个通孔用螺栓固定；所述带中心通气孔的升降杆两端设有内螺纹，所述缓冲杆两端设有外螺纹，所述升降杆下端穿过所述顶板及凸台上的中心通气孔与所述缓冲杆的上端螺纹连接，并用顶丝通过凸台上的顶丝孔将升降杆固定；所述缓冲杆下端与所述真空吸盘螺纹连接；所述升降杆上端与外部的真空发生器相连。

本发明所产生的有益效果是：通过采用粘接装置对氮化铝单晶衬底进行粘接，配合新制定的减薄工艺方法，能得到无开裂、表面光滑、满足工艺使用要求的衬底。本发明解决了氮化铝晶体生长结束部分无法将切割面粘平的问题，使用本粘接装置粘接后进行减薄磨削加工的晶体经工艺验证晶体无开裂现象，表面光滑平整，表面粗糙度值Ra=9.21nm，满足了衬底使用要求，提高了氮化铝晶体的利用率；本粘接装置结构简单，操作便捷。

附图说明

图1为本发明的粘接装置结构图；

图2是图1中底座结构图；

图3是图1中支柱结构图；

图4是图1中顶板结构图；

图5是图1中升降杆结构图；

图6是图1中缓冲杆结构图；

图7是图1中真空吸盘主视图；

图8是图7的侧视图；

图9是图1晶体粘接示意图；

图10是氮化铝晶体切割结束形貌示意图；

图11是晶体减薄加工示意图；

图12是本发明实施例减薄后的晶体表面测试图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图8所示，用于氮化铝单晶衬底加工的粘接装置包括支架1、带中心通气孔的升降杆3、缓冲杆4和真空吸盘5；支架1包括设有三个螺纹孔的底座1-1、两端带螺纹的三根支柱1-2和带有凸台1-4的顶板1-3，顶板1-3及凸台1-4上均设有中心通气孔，顶板1-3上还设有三个通孔，凸台1-4侧面设有顶丝孔，三根支柱1-2下端与底座1-1螺纹固定连接，三根支柱1-2上端分别穿过顶板1-3上的三个通孔用螺栓2固定；带中心通气孔的升降杆3两端设有内螺纹，缓冲杆4两端设有外螺纹，升降杆3下端穿过所述顶板1-3及凸台1-4上的中心通气孔与缓冲杆4的上端螺纹连接，并用顶丝6通过凸台1-4上的顶丝孔将升降杆3固定；缓冲杆4下端与真空吸盘5螺纹连接；升降杆3上端与外部的真空发生器相连。

氮化铝单晶衬底加工的方法包括粘接、减薄两步工艺。在减薄工艺中设定减薄参数范围：磨削砂轮10转速为1500-2500r/min，减薄机真空吸盘转速为100-300r/min，氮化铝晶体8进给速度为0.1-0.5μm/s，进给量为20-50μm。使用磨削砂轮10为500-6000#树脂烧结金刚石砂轮对粘接在陶瓷板7上的氮化铝晶体8进行减薄。

本方法将原始氮化铝晶体的生长结束部分采用金刚石线将其切下（如图10所示），将陶瓷盘预热放置在装置底座上，将粘贴蜡融化在陶瓷盘上，将切下的晶体结束部分的切割面与真空吸盘接触（如图9所示），启动真空发生器吸住晶体，放松顶丝使升降杆下降，使晶体结束表面与陶瓷盘接触，锁紧顶丝固定升降杆，待陶瓷盘冷却后，关闭真空取下陶瓷盘将粘贴好的晶体进行磨抛（如图11所示）。将粘有晶体的陶瓷板背面吸附在减薄机的真空吸盘上，通过真空吸盘、砂轮的旋转对晶体进行磨削，用一定目数的砂轮、一定的晶体和砂轮的旋转速度，一定的进给速度，得到表面无开裂光滑的晶体。

实施例：如图9至图11所示：

第一步、粘接工艺过程

A1、将原始氮化铝晶体的生长结束部分采用金刚石线将其切下，将切割下来的氮化铝晶体使用酒精擦拭干净；根据晶体尺寸选择合适的真空吸盘5。

A2、将陶瓷板7放置在粘接装置的底座1-1上，保持陶瓷板7与底座1-1同心。

A3、将粘接蜡9放置在烧杯内融化，融化温度为120℃，将融化后的粘接蜡9涂覆在陶瓷板7上，将氮化铝晶体8的弧形曲面8-1朝下，切割面8-2朝上与粘接装置的真空吸盘5接触。

A4、打开与粘接装置的升降杆3相连的真空发生器，真空吸盘5吸附氮化铝晶体切割面8-2，将顶丝6放松，使升降杆3下落，当氮化铝晶体的弧形曲面8-1压入粘接蜡9中后，将顶丝6拧紧，放置10分钟使粘接蜡9固化。

A5、关闭真空发生器，放松顶丝6，将升降杆3上移，取出粘接好氮化铝晶体8的陶瓷板7。

第二步、减薄工艺过程

A6、将陶瓷板7吸附在减薄机真空吸盘上。

A7、设定减薄参数，使用磨削砂轮对粘接在陶瓷板上的氮化铝晶体进行减薄。

A8、减薄加工结束后，将陶瓷板7放置在加热台上加热，加热温度为100℃，取下氮化铝晶体8用酒精进行清洗。

本实施例中的减薄工艺分为粗磨和细磨两步：第一步粗磨选用的磨削砂轮10为800#树脂烧结金刚石砂轮，磨削砂轮10转速为2000r/min，减薄机真空吸盘转速为150r/min，氮化铝晶体8进给速度为0.3μm/s，进给量为30μm；去除晶体表面切割线痕。

第二步细磨选用的磨削砂轮10为4000#树脂烧结金刚石砂轮，磨削砂轮10转速为2000r/min，减薄机真空吸盘转速为150r/min，氮化铝晶体8进给速度为0.1μm/s，进给量为10μm。

将减薄清洗后的氮化铝晶体8表面使用型号为NanoX-2000轮廓仪进行测试，测试结果如图12所示，图中显示了减薄清洗后的氮化铝晶体8表面形貌及表面粗糙度Ra值（Ra=9.21nm，），晶体表面为光滑表面，满足工艺使用要求。

Claims (5)

1.一种氮化铝单晶衬底加工方法，其特征在于，所述加工方法包括粘接、减薄两步工艺：

第一步、粘接工艺有如下步骤：

A1、将切割下来的氮化铝晶体使用酒精擦拭干净；

A2、将陶瓷板（7）放置在粘接装置的底座（1-1）上，保持陶瓷板（7）与所述底座（1-1）同心；

A3、将粘接蜡（9）放置在烧杯内融化，将融化后的粘接蜡（9）涂覆在所述陶瓷板（7）上，将氮化铝晶体（8）的弧形曲面（8-1）朝下，切割面（8-2）朝上与所述粘接装置的真空吸盘（5）接触；

A4、打开与粘接装置的升降杆（3）相连的真空发生器，所述真空吸盘（5）吸附氮化铝晶体切割面（8-2），将顶丝（6）放松，使所述升降杆（3）下落，当氮化铝晶体（8）的弧形曲面（8-1）压入所述粘接蜡（9）中后，将所述顶丝（6）拧紧，放置10分钟使所述粘接蜡（9）固化；

A5、关闭所述真空发生器，放松所述顶丝（6），将所述升降杆（3）上移，取出粘接好氮化铝晶体（8）的所述陶瓷板（7）；

第二步、减薄工艺有如下步骤：

A6、将所述陶瓷板（7）吸附在减薄机真空吸盘上；

A7、设定减薄参数，使用磨削砂轮（10）对粘接在陶瓷板（7）上的氮化铝晶体（8）进行减薄；

A8、减薄加工结束后，将所述陶瓷板（7）放置在加热台上加热，取下氮化铝晶体（8）进行清洗。

2.根据权利要求1所述的一种氮化铝单晶衬底加工方法，其特征在于，所述粘接装置包括支架（1）、带中心通气孔的升降杆（3）、缓冲杆（4）和真空吸盘（5）；所述支架（1）包括设有三个螺纹孔的底座（1-1）、两端带螺纹的三根支柱（1-2）和带有凸台（1-4）的顶板（1-3），所述顶板（1-3）及凸台（1-4）上均设有中心通气孔，顶板（1-3）上还设有三个通孔，凸台（1-4）侧面设有顶丝孔，所述三根支柱（1-2）下端与所述底座（1-1）螺纹固定连接，三根支柱（1-2）上端分别穿过所述顶板（1-3）上的三个通孔用螺栓（2）固定；所述带中心通气孔的升降杆（3）两端设有内螺纹，所述缓冲杆（4）两端设有外螺纹，所述升降杆（3）下端穿过所述顶板（1-3）及凸台（1-4）上的中心通气孔与所述缓冲杆（4）的上端螺纹连接，并用顶丝（6）通过凸台（1-4）上的顶丝孔将升降杆（3）固定；所述缓冲杆（4）下端与所述真空吸盘（5）螺纹连接；所述升降杆（3）上端与外部的真空发生器相连。

3.根据权利要求1所述的一种氮化铝单晶衬底加工方法，其特征在于，所述减薄工艺中设定减薄机磨削参数：磨削砂轮（10）转速为1500-2500r/min，减薄机真空吸盘转速为100-300r/min，氮化铝晶体（8）进给速度为0.1-0.5μm/s，进给量为20-50μm。

4.根据权利要求3所述的一种氮化铝单晶衬底加工方法，其特征在于，所述磨削砂轮（10）为500-6000#树脂烧结金刚石砂轮。

5.根据权利要求3所述的一种氮化铝单晶衬底加工方法，其特征在于，所述减薄工艺分为粗磨和细磨两步：第一步粗磨选用磨削砂轮（10）为800#树脂烧结金刚石砂轮，磨削砂轮（10）转速为2000r/min，减薄机真空吸盘转速为150r/min，氮化铝晶体（8）进给速度为0.3μm/s，进给量为30μm；第二步细磨选用磨削砂轮（10）为4000#树脂烧结金刚石砂轮，磨削砂轮（10）转速为2000r/min，减薄机真空吸盘转速为150r/min，氮化铝晶体（8）进给速度为0.1μm/s，进给量为10μm。

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