CN116765593A - 一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统包括：旋转装置以及磁吸盘，磁吸盘位于所述旋转装置之上，与旋转装置同步转动；在对SiC晶锭滚圆时，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面或沿SiC晶锭的滚圆轨迹切线方向，伺服电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮上方安装座与磁吸盘连接，完成动力传动和减速，从而驱动磁吸盘旋转，带动SiC晶锭做圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于激光微水射流的切割工作区，完成SiC晶锭滚圆工艺。本发明能够在微水射流切割工作区内精确定位SiC晶锭的滚圆切削点位置，且通过一次磁吸和软爪辅助固定就可实现材料的快速滚圆，提高SiC晶锭的加工效率以及精度。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料的加工技术领域，具体涉及一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统。
背景技术
SiC作为一种典型的硬脆材料，莫氏硬度为9.2～9.5仅次于金刚石，使得其加工制造过程十分困难。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材料切割损失、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持续增加，大直径SiC单晶衬底的需求量越来越大；目前SiC单晶衬底正由6英寸向8英寸过渡，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、高出品率切割SiC单晶，已成为当前SiC单晶衬底加工领域重要的研究方向。
目前单晶SiC切割工序中的滚圆多采用金刚石砂轮与SiC晶体对磨的方法进行不规则部分的去除，以使SiC晶体加工为柱状为后续的切片做准备。
但由于碳化硅单晶的莫氏硬度很高，断裂韧性极低且临界切削深度极小(纳米级)，要使滚圆后的晶锭具有较高的质量和成品率，应在小于SiC单晶临界切削深度下实现SiC的塑性域滚圆。传统金刚石砂轮滚圆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，因此传统金刚石砂轮滚圆方法很容易使SiC晶锭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晶锭的表面和亚表面质量。另一方面，用普通金刚石砂轮滚圆大尺寸晶锭时，因晶锭周长大、初始晶体不规则程度高致使金刚石砂轮不同部位磨损程度不一、给进速度不好控制、切割过程需要人工深度干预致使使用该方法进行大尺寸SiC晶锭滚圆效率低下、成品率不高。因此，采用单一加工模式滚圆硬脆材料在很多方面已难以满足需要，如何提高SiC等硬脆材料的滚圆效率和精度，探索有效的滚圆新方法已经成为迫切需要解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供的一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统包括：旋转装置以及磁吸盘，磁吸盘位于旋转装置之上，与旋转装置同步转动，
旋转装置包括固定盘、安装架、大齿轮、小齿轮以及伺服电机，伺服电机通过固定盘上的孔与小齿轮固定连接，小齿轮与大齿轮外啮合，安装座位于大齿轮中心位置，安装座上设置有凹口；
磁吸盘包括吸盘体以及电磁铁，电磁铁位于吸盘体底部中心位置，凸设穿出吸盘体与安装座上凹口机械卡接，SiC晶锭放置在吸盘体中心，电磁铁的电磁力将SiC晶锭固定在吸盘体上，
在对SiC晶锭滚圆时，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面或平行与旋转平面沿着滚圆轨迹的切线方向，伺服电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮上方安装座与磁吸盘连接，完成动力传动和减速，从而驱动磁吸盘旋转，带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头的切割工作区的核心区域，以及根据切口的深度，水导激光头与旋转轴配合进行自动调节使得SiC晶锭的削切位置始终位于水导激光头切割工作区的核心区域，完成SiC晶锭滚圆工艺。
可选的，磁吸盘还包括多个软卡爪，多个软卡爪均匀设置在吸盘体内部，一端卡接在电磁铁凸设穿出在吸盘体形成的凹槽上，一端相互配合卡紧吸盘体上的SiC晶锭，以对SiC晶锭辅助固定。
可选的，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面滚圆过程中，所述水导激光头依据SiC晶锭滚圆的尺寸在X、Y、Z三轴方向上进行精确移动，滚圆时水导激光头在XY平面上固定，旋转装置带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头切割工作区的核心区域，在Z平面上，水导激光头配合传动轴根据切割深度，控制旋转装置带动SiC晶锭在Z平面运动，以控制SiC晶锭的切割深度。
可选的，水导激光头平行于旋转装置的旋转平面沿着滚圆轨迹的切线方向滚圆过程中，所述水导激光头可在SiC晶锭滚圆轨迹切面内运动，旋转装置带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头切割工作区的核心区域，以实现滚圆。
本发明提供的一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统包括：旋转装置以及磁吸盘，磁吸盘位于旋转装置之上，与旋转装置同步转动；激光微水射流垂直于晶锭旋转方向，滚圆之前依据晶体加工规格设定SiC晶锭滚圆轨迹并在XY方向并对激光水射流装置进行定位；对SiC晶锭滚圆过程中，伺服电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮上方安装座与磁吸盘连接，完成动力传动和减速，从而驱动磁吸盘旋转，带动SiC晶锭做圆周运动，削切过程中依据切割深度对激光水射流装置在Z轴方向进行调整，以使SiC晶锭的切割点位于激光微水射流的切割工作区，完成SiC晶锭滚圆工艺。本发明能够在微水射流激光切割工作区内精确固定SiC晶锭以及切割点位置，且通过一次磁吸和软爪辅助固定就可实现材料的快速滚圆，提高SiC晶锭的加工效率以及精度。以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的传统激光切割与微水射流激光切割对比示意图；
图2是本发明实施例提供的激光微水射流在半导体切割方面的应用示意图；
图3是本发明实施例提供的一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统的示意图；
图4是本发明实施例提供的旋转装置的示意图；
图5是本发明实施例提供的磁吸盘的示意图；
图6是本发明实施例提供的磁吸盘的侧视图；
图7是本发明实施例提供的沿滚圆轨迹切线方向滚圆的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在介绍本发明前，首先介绍本发明涉及的滚圆加工工艺中的激光微水射流技术及其优点。
激光微水射流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，清洁高质量的形成加工面，如图1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2中子图(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2中子图(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2中子图(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2中子图(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。因此本发明采用激光微水射流配合本发明的滚圆装置进行滚圆，下面介绍本发明滚圆加工所发明的导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统。
如图3所示，本发明提供的一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统包括：旋转装置以及磁吸盘，磁吸盘位于旋转装置之上，与旋转装置同步转动，
本发明的导电型SiC晶锭激光水射流滚圆装置中磁吸盘可固定SiC单晶的籽晶部位实现材料固定，滚圆时激光水射流按设定的滚圆轨迹在XY平面内移动到适合位置后固定，通过旋转装置与磁吸盘同步旋转，从而实现晶片滚圆，且在这个过程中通过可伸缩传动轴与激光水射流在Z轴方向的自动调整相互配合使得切割点完全在水导激光核心切割工作区，以保证切割效率和精度。
如图4所示，旋转装置包括固定盘、安装架、大齿轮、小齿轮以及伺服电机，伺服电机通过固定盘上的孔与小齿轮固定连接，小齿轮与大齿轮外啮合，安装座位于大齿轮中心位置，安装座上设置有凹口；
值得说明的是，伺服电机的转轴卡接在小齿轮的中心位置，伺服电机转动，转轴带动小齿轮转动。
参考图4，固定盘与安装架连接，对旋转装置、磁吸盘以及SiC晶锭起到固定和支撑作用，电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮上方安装座与磁吸盘连接，完成动力传动和减速，从而驱动磁吸盘旋转，带动碳化硅晶锭做圆周运动，完成SiC晶锭滚圆工序。
如图5所示，磁吸盘包括吸盘体1以及电磁铁3，电磁铁3位于吸盘体1底部中心位置，凸设穿出吸盘体1与安装座上凹口机械卡接，SiC晶锭放置在吸盘体1中心，电磁铁的电磁力将SiC晶锭4固定在吸盘体1上，
值得说明的是，本发明定位原理过程：因晶锭在卡盘端装夹长度小于1mm，如图6所示，采用电磁铁3端平面与SiC晶锭4平面配合定位，定位快速准确。
在对SiC晶锭滚圆时，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面或平行与旋转平面沿着滚圆轨迹的切线方向，伺服电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮上方安装座与磁吸盘连接，完成动力传动和减速，从而驱动磁吸盘旋转，带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头的切割工作区的核心区域，以及根据切口的深度，水导激光头与旋转轴进行自动调节使得SiC晶锭的削切位置始终位于水导激光头切割工作区的核心区域，完成SiC晶锭滚圆工艺。
本发明中，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面滚圆过程中，所述水导激光头依据SiC晶锭滚圆的尺寸在X、Y、Z三轴方向上进行精确移动，滚圆时水导激光头在XY平面上固定，旋转装置带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头切割工作区的核心区域，在Z平面上，水导激光头配合传动轴根据切割深度，控制旋转装置带动SiC晶锭在Z平面运动，以控制SiC晶锭的切割深度。
激光微水射流对SiC晶体滚圆过程中，激光微水射流根据切割点深度自动在Z轴方向上调整以保证切割效率和精度。
本发明所述的滚圆工艺是通过激光水射流束(或者扁平激光束)沿着设定好的晶体滚圆轨迹的切线方向对SiC晶体材料进行削切从而实现SiC晶锭滚圆。滚圆过程中激光水射流保持在晶锭滚圆轨迹的切线方向固定(可在滚圆柱体的切面内移动)，晶体围绕滚圆轨迹的中心点转动，从而实现晶体滚圆。
参考图7，本发明所述的滚圆工艺是通过激光水射流束(或者扁平激光束)沿着设定好的晶体滚圆轨迹的切线方向对SiC晶体材料进行削切从而实现SiC晶锭滚圆。滚圆过程中激光水射流保持在晶锭滚圆轨迹的切线方向固定(可在滚圆柱体的切面内移动)，晶体围绕滚圆轨迹的中心点转动，从而实现晶体滚圆。
参考图5以及图6，磁吸盘还包括多个软卡爪2，多个软卡爪2均匀设置在吸盘体1内部，一端卡接在电磁铁3凸设穿出在吸盘体1形成的凹槽上，一端相互配合卡紧吸盘体1上的SiC晶锭，以对SiC晶锭4辅助固定。
本发明提供的一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统包括：旋转装置以及磁吸盘，磁吸盘位于旋转装置之上，与旋转装置同步转动；在对SiC晶锭滚圆时，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面，伺服电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮上方安装座与磁吸盘连接，完成动力传动和减速，从而驱动磁吸盘旋转，带动SiC晶锭做圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于激光微水射流的切割工作区，水导激光头根据削切口位置在Z轴方向上自动调整以使切割位置位于激光水射流工作区的核心区域，完成SiC晶锭滚圆工艺。本发明能够在微水射流激光切割工作区内精确定位SiC晶锭的滚圆切削点位置，且通过一次磁吸和软爪辅助固定就可实现材料的快速滚圆，提高SiC晶锭的加工效率以及精度。
值得说明的是：本发明的软卡爪加紧原理为：防止电磁力不足，磁吸盘设计了两种固定碳化硅晶锭的力，当电磁力满足碳化硅晶锭切割要求时，只需用电磁力将碳化硅晶锭与磁吸盘固定；如电磁吸力不足，可加以三爪卡盘加紧力进行辅助固定，通过软卡爪2相互配合实现辅助固定SiC晶锭。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种导电型SiC晶锭的水射流激光滚圆系统，其特征在于，包括：旋转装置以及磁吸盘，所述磁吸盘位于所述旋转装置之上，与所述旋转装置同步转动，
所述旋转装置包括固定盘、安装架、大齿轮、小齿轮以及伺服电机，所述伺服电机通过固定盘上的孔与小齿轮固定连接，所述小齿轮与所述大齿轮外啮合，所述安装座位于所述大齿轮中心位置，所述安装座上设置有凹口；
所述磁吸盘包括吸盘体以及电磁铁，所述电磁铁位于吸盘体底部中心位置，凸设穿出所述吸盘体与所述安装座上凹口机械卡接，SiC晶锭放置在所述吸盘体中心，所述电磁铁的电磁力将所述SiC晶锭固定在吸盘体上，
在对SiC晶锭滚圆时，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面或平行于旋转平面沿着滚圆轨迹的切线方向，伺服电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮上方安装座与磁吸盘连接，完成动力传动和减速，从而驱动磁吸盘旋转，带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头的切割工作区的核心区域，以及根据预设的切口的深度进行自动调节使得SiC晶锭的削切位置始终位于水导激光头切割工作区的核心区域，完成SiC晶锭滚圆工艺。
2.根据权利要求1所述的水射流激光滚圆系统，其特征在于，所述磁吸盘还包括多个软卡爪，多个软卡爪均匀设置在所述吸盘体内部，一端卡接在电磁铁凸设穿出在吸盘体形成的凹槽上，一端相互配合卡紧吸盘体上的SiC晶锭，以对SiC晶锭辅助固定。
3.根据权利要求1所述的水射流激光滚圆系统，其特征在于，水导激光头垂直于旋转装置的旋转平面滚圆过程中，所述水导激光头依据SiC晶锭滚圆的尺寸在X、Y、Z三轴方向上进行精确移动，滚圆时水导激光头在XY平面上固定，旋转装置带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头切割工作区的核心区域，在Z平面上，水导激光头配合传动轴根据切割深度，控制旋转装置带动SiC晶锭在Z平面运动，以控制SiC晶锭的切割深度。
4.根据权利要求1所述的水射流激光滚圆系统，其特征在于，水导激光头平行于旋转装置的旋转平面沿着SiC晶锭滚圆轨迹的切线方向滚圆过程中，所述水导激光头可在SiC晶锭滚圆轨迹切面内运动，旋转装置带动SiC晶锭作圆周运动以使SiC晶锭的滚圆轨迹位于水导激光头切割工作区的核心区域，以实现滚圆。
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