CN116619603A - 一种GaAs晶锭的切割方法 - Google Patents

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王金灵
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Abstract

本申请公开了一种GaAs晶锭的切割方法，所述切割方法包括以下步骤：粘接晶锭：将待切割的GaAs晶锭粘接固定，然后使用激光在GaAs晶锭侧面围绕晶锭360°进行划线；变速切割：将划线后的GaAs晶锭安装至切割机加工室；将砂浆喷覆在切割线表面，然后进行变速切割；后加工：切割完成后，将切割得到的产品进行脱胶、清洗、干燥，得到GaAs晶片。本申请的切割方法能够有效降低GaAs晶片的翘曲度、总厚度偏差和亚损伤层。

Description

一种GaAs晶锭的切割方法
技术领域
本申请涉及半导体材料加工领域，具体涉及一种GaAs晶锭的切割方法。
背景技术
砷化镓是一种重要的半导体材料，在半导体产业发展历程中，砷化镓是具有代表性的第二代半导体也是目前应用最广泛的化合物半导体砷化镓的电子迁移率比硅更高，相比于硅器件4GHz的工作频率，砷化镓器件高达100GHz，因此在高速数字电路等高频高速器件上具有重要应用，如砷化镓材料制成的功率放大器能有效满足5G时代高频高速要求；砷化镓材料易于制造非掺杂单晶，制作工艺简单，电阻率高，微波传输性能好，制成的IC电路集成度高；由于砷化镓的带隙较大，材料的高温稳定性好，砷化镓器件能在400-500℃高温环境下工作；砷化镓材料具有较强的抗辐射性能，是重要的宇航电子材料，应用于卫星太阳能帆板等强辐射环境器件。此外，砷化镓材料制成的太阳能电池的光电转换高、柔性好，广泛应用于人造天体、可穿戴能源等领域。GaAs晶片质地脆，容易解离，其加工一直是晶圆制造的难题，其中，GaAs晶片的翘曲度、总厚度偏差和亚损伤层是造成后续加工不良的主要原因。因此，如何改善GaAs晶片的翘曲度、总厚度偏差和亚损伤层是目前切割工序迫切需要解决的问题和难题。
发明内容
本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种GaAs晶锭的切割方法，使用该方法切割的GaAs晶片具有较小的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层。
为实现上述目的，本申请采取的技术方案为：一种GaAs晶锭的切割方法，包括以下步骤：
粘接晶锭：将待切割的GaAs晶锭粘接固定，然后使用激光在GaAs晶锭侧面围绕晶锭360°进行划线；
变速切割：将划线后的GaAs晶锭安装至切割机加工室；
将砂浆喷覆在切割线表面，然后进行变速切割，其中变速切割时，切割线的线速度与切割长度的关系如下式(1)所示：
线速度V实时＝V下限+(V上限*(L实时/2R))式(1)；
式(1)中，V下限为线速度下限，V上限为线速度上限，L实时为切割长度；R为晶圆半径；
后加工：切割完成后，将切割得到的产品进行脱胶、清洗、干燥，得到GaAs晶片。
在一个实施方式中，所述切割长度的关系式为：切割长度L实时＝SQRT(R*R-(R-X)*(R-X))，其中，X为切割位置，R为晶圆半径。
在一个实施方式中，所述划线的宽度为钢线直径的60-80％。
在一个实施方式中，所述划线的深度和划线的宽度的比为1:2-3。
在一个实施方式中，所述切割机加工室还含有冷却液供给装置，所述冷却液供给装置将冷却液均匀的供给切割线，以减少切割位置产生的热量。
在一个实施方式中，所述切割线的张力为5-8N。
在一个实施方式中，所述GaAs晶锭的粘接长度为200-300nm。
在一个实施例方式中，所述GaAs晶锭的尺寸为4-6寸。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：本申请预先使用激光划线，在切割线切割过程，使用变速切割GaAs晶锭中，引导切割线产生的微裂纹向所要的切割区域进行而非向晶片区扩展，降低GaAs晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层。
附图说明
图1为本申请GaAs晶锭切割过程的示意图；
图2为本申请GaAs晶锭切割过程的侧视图；
图3为切割线变向时GaAs晶锭的主视图；
图4为切割过程中GaAs晶锭切割面示意图；
图5为本申请GaAs晶锭划线后的侧视图。
具体实施方式
为了更好地说明本申请的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及附图对本申请作进一步说明，其目的在于详细地理解本申请的内容，而不是对本申请的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
参考图1，图1为GaAs晶锭切割过程的示意图，其原理是通过高速运动的切割线来回运动将含有磨粒的切割砂浆带至切割区域，磨粒在GaAs晶锭的表面发生滚动，刮擦，使GaAs晶锭表面产生裂纹，裂纹衍生实现材料的去除，从而达到切片的目的。切割作为晶片制造的第一道工序，其切片的质量直接决定了后续加工的工艺和质量。
参考图1，在切割过程中，锯切处产生热量，并通过已切割面进行散热；产生的热量主要来源与切割长度和切割速度，散热取决于晶锭的物理性质、冷却液和散热面的面积；随着切割的进行，切割线与晶锭的接触面积从无到有，极剧增大，且由于热源移动加在与切片自然对流散热能力的增强，导致切片各部分在整个切割过程中受热分布不均匀，发生热膨胀导致切片变形，当切片内的拉压热应力的合力作用超过了切片本身刚度时，切片就会发生翘曲变形。
且在切片过程中，晶锭碎屑从晶锭上的主要脱离方式为脆性断裂，脆性断裂存在裂纹扩展过程，在碎屑脱离后，晶锭的亚表面层仍然会存在一些裂纹，即亚损伤层，导致晶格畸变，影响晶片后续的电性能和发光性能。除切割进给速度外，线运行速度、磨粒的切割能力均会对切割时的去除速率造成影响。
参考图2，图2为GaAs晶锭切割过程的侧视图，在入线端，所述切割线2-1与所述晶锭2-2刚开始接触，所述切割线2-1与所述晶锭2-2的接触面积从无到有、急距增大，若是进刀速度快，线速度慢，导致切割线的切割能力不够，会加大切割线与晶锭之间的挤压摩擦作用，使切割线的相对位置出现偏移，增加晶片的总厚度偏差；若是进刀速度慢，线速度快，切割能力过强，切割线产生的高速振动会破坏已切割区域，多次切割导致间隙变宽，从而增加晶片的总厚度偏差。
参考图3，图3为切割线变向时GaAs晶锭的主视图，在切割线往复变向过程中，切割线的速度下降，切割能力下降，但是工件进刀速度不变，工件边缘与切割线发生挤压，切割线发生形变出现压线，导致晶片边缘的总厚度偏差(TTV)变差。
基于上述问题，本申请提出一种GaAs晶锭的切割方法，包括以下步骤：
一种GaAs晶锭的切割方法，包括以下步骤：
粘接晶锭：将待切割的GaAs晶锭粘接固定，然后使用激光在GaAs晶锭侧面围绕晶锭360°进行划线；
变速切割：将划线后的GaAs晶锭安装至切割机加工室；
将砂浆喷覆在切割线表面，然后进行变速切割，其中变速切割时，切割线的线速度与切割长度的关系如下式(1)所示：
线速度V实时＝V下限+(V上限*(L实时/2R))式(1)；
式(1)中，V下限为线速度下限，V上限为线速度上限，L实时为切割长度，R为晶圆半径；
后加工：切割完成后，将切割得到的产品进行脱胶、清洗、干燥，得到GaAs晶片。
本申请预先使用激光划线，在切割线切割过程，使用变速切割GaAs晶锭中，引导切割线产生的微裂纹向所要的切割区域进行而非向晶片区扩展，提高切割线的切割能力，减少切割线产生的热量以及晶锭的亚表面层的裂纹，从而达到降低GaAs晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层的效果。
在上述切割方法中，所述公式(1)中所述切割线的最高运行速度V上限以及所述切割线的最低运行速度V下限的取值可以根据设备的相关参数确定；所述切割线的最高运行速度V上限和所述切割线的最低运行速度V下限为设备的相关参数，为只与设备相关，且不同的设备的V上限和V下限不同，同时所述最高运行速度V上限可以认为是切割设备可稳定运行的所述切割线的最高线运行速度；所述最低运行速度V下限可以认为是切割设备可稳定运行的所述切割线的最低线运行速度。
在一个实施方式中，如图4所示，所述切割长度的关系式为：L实时＝SQRT(R*R-(R-X)*(R-X))，式(2)；其中，X为切割位置，R为晶圆半径。
在所述式(1)中，包括了所述切割长度和所述切割长度的关系，而所述切割长度和所述切割位置X与所述晶圆半径的关系满足式(2)，即所述切割长度可以根据所述切割位置和所述晶圆半径通过式(2)计算得到。
参考图4，进给速度随着切割线的切割深度的变化而变化，在切割深度为0-R的切割过程中，晶锭和切割线的接触长度持续增加，在所述切割线2位于所述晶锭的圆心时，所述切割线与所述晶锭的接触长度L实时等于所述晶棒的直径R，随着切割深度的增大，进给速度的变化趋势为先增大后减小。在切割深度为R-2R的切割过程中，晶锭与切割线的接触长度持续下降，在所述切割线2切割完成后，所述切割线与所述晶锭的接触长度为0，在切割过程中，砂浆循环使用，砂浆持续参与切割，随着切割的进行，砂浆的切削能力会逐渐减弱；砂浆的切削能力逐渐减弱，切割碎屑增加，为了降低GaAs晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层，在切割深度为R-2R的切割过程中，进给速度随着切割深度的增大而增加。
参考图5，在上述切割方法中，所述划线的宽度为钢线直径的60-80％；所述划线的深度和划线的宽度的比为1:2-3。
发明人研究发现，划线的宽度小于钢线直径的60％时，不仅会降低引导裂纹的扩散能力，增加GaAs晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层；而且其对激光器聚焦要求高，成本高。当划线的宽度大于钢线直径的80％时，不仅增加了引导裂纹的扩散能力，而且还可能导致GaAs晶片边缘出现非晶区域，降低GaAs晶片的成品率。
当划线的深度过深，在切割过程中，会导致切割线抖动，使得晶片边缘出现裂痕，增加晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层；当划线的深度过浅，增加切割线形变时产生压线，导致晶片的边缘总厚度偏差、翘曲度增加。
在上述切割方法中，所述切割机加工室还含有冷却液供给装置，所述冷却液供给装置将冷却液均匀的供给切割线，以减少切割位置产生的热量。所述冷却液为纯水。所述冷却液的温度为0-10℃。
在上述切割方法中，所述线切割机砂浆口的温度为15-28℃。
在上述切割方法中，在变速切割前，需要对设备进行日常检查，保证线切割机正常运转。
在上述切割方法中，所述切割线的张力为5-8N。在上述张力范围内，保证了切割线在切割过程中的刚性，降低晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层。
在上述切割方法中，所述GaAs晶锭的粘接长度为200-300nm。
在上述切割方法中，所述GaAs晶锭的尺寸为4-6寸。
实施例1
以6英寸GaAs晶锭为例，本实施例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，包括以下步骤：
S1：粘接晶锭：将待切割的GaAs晶锭粘接固定，GaAs晶锭粘接的长度为200mm，然后使用激光在GaAs晶锭侧面围绕晶锭360°进行划线；划线的宽度为钢线直径的80％，划线的深度和划线的宽度的比为1:2.5；
S2：将划线后的GaAs晶锭安装至切割机加工室；绕线，将砂浆喷覆在切割线表面，按照表1的参数进行变速切割，切割线的线径为59μm，冷却水的温度为1℃，砂浆口的温度为28℃，切割线的张力为6N，冷却水的流量为100L/min；
S3：切割完成后，将切割得到的产品进行脱胶、清洗、干燥，得到GaAs晶片。
表1
切割位置/mm 切割长度/mm 进给速度(mm/min) 线速度/(m/min)
0 0 0.1 600
5 77 0.130 718
10 108 0.200 766
15 131 0.192 801
30 180 0.182 877
45 214 0.169 930
60 240 0.150 969
75 260 0.1 1000
90 240 0.142 969
105 214 0.15 929
120 180 0.168 877
135 131 0.195 802
150 0 0.2 600
实施例2
以6英寸GaAs晶锭为例，本实施例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，包括以下步骤：
S1：粘接晶锭：将待切割的GaAs晶锭粘接固定，GaAs晶锭粘接的长度为200mm，然后使用激光在GaAs晶锭侧面围绕晶锭360°进行划线；划线的宽度为钢线直径的80％，划线的深度和划线的宽度的比为1:2.5；
S2：将划线后的GaAs晶锭安装至切割机加工室；绕线，将砂浆喷覆在切割线表面，按照表2的参数进行变速切割，切割线的线径为60μm，冷却水的温度为1℃，砂浆口的温度为28℃，切割线的张力为6N，冷却水的流量为100L/min；
S3：切割完成后，将切割得到的产品进行脱胶、清洗、干燥，得到GaAs晶片。
表2
切割位置/mm 切割长度/mm 进给速度(mm/min) 线速度/(m/min)
0 0 0.09 600
5 77 0.12 718
10 108 0.18 766
15 131 0.18 801
30 180 0.17 877
45 214 0.16 930
60 240 0.14 969
75 260 0.09 1000
90 240 0.13 969
105 214 0.14 929
120 180 0.16 877
135 131 0.18 802
150 0 0.18 600
实施例3
以5英寸GaAs晶锭为例，本实施例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，包括以下步骤：
S1：粘接晶锭：将待切割的GaAs晶锭粘接固定，GaAs晶锭粘接的长度为200mm，然后使用激光在GaAs晶锭侧面围绕晶锭360°进行划线；划线的宽度为钢线直径的80％，划线的深度和划线的宽度的比为1:2.5；
S2：将划线后的GaAs晶锭安装至切割机加工室；绕线，将砂浆喷覆在切割线表面，按照表3的参数进行变速切割，切割线的线径为60μm，冷却水的温度为5℃，砂浆口的温度为15℃，切割线的张力为6.2N，冷却水的流量为100L/min；
S3：切割完成后，将切割得到的产品进行脱胶、清洗、干燥，得到GaAs晶片。
表3
切割位置/mm 切割长度/mm 进给速度(mm/min) 线速度/(m/min)
0 0 0.1 600
5 77 0.130 718
10 108 0.200 766
15 131 0.192 801
30 180 0.182 877
45 214 0.169 930
60 240 0.150 969
75 260 0.1 1000
90 240 0.142 969
105 214 0.15 929
120 180 0.168 877
135 131 0.195 802
165 0 0.2 600
实施例4
本实施例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本实施例与实施例2的区别仅在于：划线的宽度为钢线直径的60％。
实施例5
本实施例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本实施例与实施例2的区别仅在于：划线的宽度为钢线直径的70％。
实施例6
本实施例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本实施例与实施例2的区别仅在于：划线的深度和划线的宽度的比为1:2。
实施例7
本实施例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本实施例与实施例2的区别仅在于：划线的深度和划线的宽度的比为1:3。
对比例1
本对比例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本对比例与实施例2的区别仅在于：划线的深度和划线的宽度的比为1:3.5。
对比例2
本对比例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本对比例与实施例2的区别仅在于：划线的深度和划线的宽度的比为1:1.5。
对比例3
本对比例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本对比例与实施例2的区别仅在于：划线的宽度为钢线直径的85％。
对比例4
本对比例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本对比例与实施例2的区别仅在于：不进行激光划线。
对比例5
本对比例提供了一种GaAs晶锭的切割方法，本对比例与实施例2的区别仅在于：使用0.1mm/min的进刀速度和1000m/min的线速度进行匀速切割。
性能测试：
将上述实施例和对比例中切割的GaAs晶片进行各个质量指标的测试，测试方法如下：
翘曲度(WARP)：通过自动测平仪进行测试；每晶锭随机取20片进行测量。
总厚度偏差(TTV)：通过自动测平仪进行测试；每晶锭随机取20片进行测量。
亚损伤层：本申请的亚损伤层通过复式层剥法计算，其原理为：通过多次定时腐蚀进行梯度掉量，用腐蚀掉量代表亚表面深度，同时每次腐蚀后都进行DXRD测定；当晶片有损伤层时，有晶格畸变，DXRD衍射峰很宽，当晶片无损伤层时，无晶格畸变，DXRD衍射峰很窄。通过腐蚀掉量来代表亚表面深度，半峰宽表示晶格畸变程度，GaAs的理论半峰宽FWHM(arcsec)为14.76；每晶锭随机取三片进行测量。
测试结果如表4所示。
表4
从表4的实验数据可知，实施例1-7切割形成的多个GaAs晶片具有较低的翘曲度、总厚度偏差和亚损伤层。
从实施例2、4、5和对比例3的实验数据可知，划线的宽度对GaAs晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层有影响。
从实施例2、6、7和对比例1-2的实验数据可知，划线的深宽比对GaAs晶片的总厚度偏差、翘曲度和亚损伤层有影响。
从实施例2和对比例4的实验数据可知，对比例4不进行激光划线，所得GaAs晶片的总厚度偏差上升。
从实施例2和对比例5的实验数据可知，对比例5使用匀速进行切割GaAs晶锭，所得GaAs晶片的翘曲度上升。
最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本申请的技术方案而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种GaAs晶锭的切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
粘接晶锭：将待切割的GaAs晶锭粘接固定，然后使用激光在GaAs晶锭侧面围绕晶锭360°进行划线；
变速切割：将划线后的GaAs晶锭安装至切割机加工室；
将砂浆喷覆在切割线表面，然后进行变速切割，其中变速切割时，切割线的线速度与切割长度的关系如下式(1)所示：
线速度V实时＝V下限+(V上限*(L实时/2R))式(1)；
式(1)中，V下限为线速度下限，V上限为线速度上限，L实时为切割长度；R为晶圆半径；
后加工：切割完成后，将切割得到的产品进行脱胶、清洗、干燥，得到GaAs晶片。
2.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述切割长度的关系式为：L实时＝SQRT(R*R-(R-X)*(R-X))，其中，X为切割位置，R为晶圆半径。
3.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述划线的宽度为钢线直径的60-80％。
4.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述划线的深度和划线的宽度的比为1:2-3。
5.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述切割机加工室还含有冷却液供给装置，所述冷却液供给装置将冷却液均匀的供给切割线，以减少切割位置产生的热量。
6.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述切割线的张力为5-8N。
7.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述GaAs晶锭的粘接长度为200-300nm。
8.如权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述GaAs晶锭的尺寸为4-6寸。
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CN118163253A (zh) * 2024-05-14 2024-06-11 内蒙古晶环电子材料有限公司 晶棒切削装置及晶片生产系统

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