CN204736347U

CN204736347U - 一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备

Info

Publication number: CN204736347U
Application number: CN201520464189.XU
Authority: CN
Inventors: 麻高领; 李淑娟; 黄虎
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2025-07-01

Abstract

本实用新型公开了一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，包括床身、导管和脉冲电源箱，床身上安装有线锯系统和机床工作台，机床工作台上安装有工件，导管的一端连接电解液箱，导管的另一端位于工件的上方；脉冲电源箱的正极与工件的一端相连、负极与线锯系统相连。本实用新型通过微弧放电体的放电加工大大缩短了SiC单晶片的切割时间，提高了材料去除率，降低晶片表面粗糙度和TTV，降低了线锯的磨损，节省珍贵硬脆材料。

Description

一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备

技术领域

本实用新型属于机械设备技术领域，具体涉及一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备。

背景技术

随着技术的发展，SiC作为第三代半导体材料在功率器件和IC行业的应用越来越广泛。在其大直径生长过程突破后，其晶片的制造过程成为人们关注的焦点。由于高硬度和脆性，使得SiC单晶片的切割、研磨和抛光成为器件制造过程的瓶颈，尤其是切割过程，占据了整个晶片制造工作量的50％左右。切割后的晶片表面质量对后续的研磨和抛光工作以及晶片作为功率器件衬底的使用寿命具有重要影响。目前SiC单晶片的切片主要采用固结金刚石磨粒的线锯进行切割，线锯表面的磨粒和SiC单晶片表面通过挤压、摩擦使得材料发生脆性断裂去除，该方法存在以下问题：

1.线锯和SiC单晶片属于接触式切割，在切割力的作用下，晶片发生变形和翘曲，TTV(total thickness variation)较大，当SiC单晶片旋转时，切割后的晶片表面呈鼓形；

2.由于金刚石磨粒是通过电镀方法附着在不锈钢线锯表面，在接触性切割时，磨粒的伸出高度不等，造成切割后的晶片表面出现大量线锯划痕，使得晶片表面的粗糙度值提高；

3.切割过程中，在线锯和SiC作用下，磨粒与工件的接触、摩擦和挤压导致磨粒磨损和脱落，使得线锯切割能力下降，也会进一步导致晶片变形成鼓形；

4.固结磨粒金刚石线锯表面镀上金刚石颗粒，作为刀具有一定的强度，承受一定的张力，其直径不可能太小，一般从0.2-0.5mm，切割过程中由于机床本身的因素，因此SiC单晶片的切缝在0.25-0.3mm，这就造成了珍贵材料的浪费。

由于接触式加工存在的诸多问题，有学者尝试采用特种加工方法——通过电火花放电加工SiC，其切割效率比金刚石线锯切割高10倍左右，但对晶片表面和亚表面造成了烧伤，使得后续的研磨和抛光工作量加大，同时还造成了珍贵材料的更多浪费。

也有学者采用等离子体方法进行SiC单晶片的抛光，由于材料是通过等离子体中的氧化性离子与电场作用下的工件表面活性原子发生化学反应被去除，因此去除尺度处在原子级，无表面热烧伤和化学损伤，可以获得较低的表面粗糙度，但该方法材料去除率非常低，因而不适用于切片过程。

因此寻找具有较高的材料去除率，同时工件表面粗糙度和TTV等较小的SiC单晶片切片方法成为该材料加工的趋势。图2为气体放电伏安特性曲线，传统的等离子体加工，将等离子体强度控制在正常辉光放电区与异常辉光区的交界处(图2中的F区)，气体分子的离化率很低(10％左右)，MRR(Material Removal Rate，材料去除率)十分有限。如果将异常辉光放电调整到最接近于dV/dI→0的状态(图2中G区左侧)，气体电离后的离化率可达70％左右，即形成微弧等离子体，利用微弧产生的等离子体实现SiC单晶片的切割过程，保持材料的去除过程在微纳米级(属于微细切割)，同时获得非接触式加工无表面翘曲和表面损伤、TTV低的优点，还可保持比等离子加工高的MRR。而G区右侧尽管气体的离化率理论上可达100％，但由于伏安特性已处于弧光放电区，易对阳极SiC单晶片表面产生烧损，应避免用于精密半导体材料的加工。

由于受制于瞬间超大功率脉冲电控技术的发展极限，长期以来70％微弧放电体G区附近的异常辉光放电区域一直没有利用起来，从目前的文献检索情况来看，微弧放电体还没有用于SiC等非良导电超硬脆材料切割的先例。近年来，随着快速开断器件工业的发展，窄脉冲宽度(微秒)、大脉冲电流强度(瞬时电流强度大于102A)电控技术的不断突破，使得气固界面的等离子体强度既可无限逼近异常辉光放电区的微弧放电产生区dV/dI→0状态，又可避免进入G-H区的电弧等离子区域，为非弧状微弧放电体的应用奠定了设备基础。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，解决现有技术切割出的SiC单晶片容易发生翘曲变形且表面粗糙度较高的问题。

本实用新型所采用的技术方案是：一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，包括床身、导管和脉冲电源箱，床身上安装有线锯系统和机床工作台，机床工作台上安装有工件，导管的一端通过液压泵与电解液箱相连，导管的另一端位于工件与线锯系统切割处的上方；脉冲电源箱的正极与工件的一端相连、负极与线锯系统相连。床身上设置有底座和立柱。导管的另一端安装有喷头，导管上安装有流量计。床身上表面设置有导流槽，导流槽与排水管的一端相连，排水管的另一端通向电解液箱；电解液箱内部设置有过滤网。

本实用新型的特点还在于：

机床工作台包括安装在床身上的导轨a，导轨a上设置有下托板，下托板上连接有由电机驱动的丝杠；下托板上还安装有导轨b，导轨b与导轨a相垂直，导轨b上设置有上托板，上托板上连接有由电机驱动的丝杠；上托板上安装有支架，支架上设置有旋转轴，旋转轴与工件的另一端相连。

线锯系统包括设置在底座上的运丝托板和线锯，运丝托板上安装有运丝筒，运丝筒的输入轴通过齿轮传动系统与电机相连；立柱从上到下依次安装有上臂和下臂，上臂的两端及下臂的两端均分别安装有导轮，线锯的一端从运丝筒出来后，依次经过上臂上的两个导轮和下臂上的两个导轮后又回到运丝筒中；线锯与脉冲电源箱的负极相连。

上臂上固接有配重块，上臂通过配重块与立柱相连。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，通过微弧放电体的放电加工大大缩短了SiC单晶片的切割时间，提高了材料去除率，降低晶片表面粗糙度和TTV，降低了线锯的磨损，节省珍贵硬脆材料。

附图说明

图1为本实用新型一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备的结构示意图；

图2为气体放电伏安特性曲线和技术分类电场图。

图中，1.床身，2.底座，3.齿轮传动系统，4.运丝托板，5.运丝筒，6.导轮，7.立柱，8.上臂，9.下臂，10.线锯，11.导管，12.流量计，13.支架，14.脉冲电源箱，15.上托板，16.排水管，17.电解液箱，18.过滤网，19.下托板，20.液压泵，21.等离子体，22.SiO₂，23.导电胶，24.工件，25.电解液。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

本实用新型的一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，如图1所示，包括床身1、导管11和脉冲电源箱14，床身1上设置有底座2和立柱7。床身1上还安装有线锯系统和机床工作台。机床工作台包括安装在床身1上的导轨a，导轨a上设置有下托板19，下托板19连接有由电机驱动的丝杠；下托板19上安装有导轨b，导轨b与导轨a相垂直，导轨b上设置有上托板15，上托板15也连接有由电机驱动的丝杠；上托板15上安装有支架13，支架13上设置有旋转轴。线锯系统包括设置在底座2上的运丝托板4，运丝托板4上安装有运丝筒5，运丝筒5的输入轴通过齿轮传动系统3与电机相连；立柱7从上到下依次安装有上臂8和下臂9，上臂8上固接有用于调节线锯10张力的配重块，上臂8通过配重块与立柱7相连。上臂8的两端及下臂9的两端均分别安装有导轮6，线锯10的一端从运丝筒5出来后，依次经过上臂8上的两个导轮6和下臂9上的两个导轮6后又回到运丝筒5中。导管11的一端通过液压泵20与电解液箱17相连，导管11的另一端安装有喷头且位于工件的上方，导管上安装有流量计12；床身1上表面设置有导流槽，导流槽与排水管16的一端相连，排水管16的另一端通向电解液箱17，电解液箱17内部设置有过滤网18。工件24的一端使用工业胶与旋转轴相连，旋转轴由电机带动实现旋转，工件24的另一端通过导电胶(导电粘合剂)13与脉冲电源箱14的正极连接使其成为阳极电极；线锯10采用不锈钢基体外面镀铜，其与脉冲电源箱14的负极相连作为阴极电极。

SiC单晶棒(工件24)的运动系统通过上托板15和下托板19实现X轴和Y轴方向的运动，同时通过旋转轴实现旋转运动。SiC单晶棒的X轴方向的运动速度控制了放电加工过程中的材料去除率以及表面质量，而Y轴方向的进给决定着切割晶片的厚度。工件的旋转是为了实现切割过程中的切割量均匀。

电解液箱17中盛装的碱性电解液25通过液压泵20的作用经导管11送到线锯正上方喷入加工区，加工后的残余电解液通过床身1上的导流槽及排水管16再经过滤网18回流入电解液箱17。

在工作过程中，电源系统通过脉冲电源箱14调制电压和脉冲电流的峰值、脉冲宽度和脉冲间隔。当工件24(SiC单晶棒)沿着X方向进给到一定的距离时(100微米-150微米左右，便于电极之间电解液通过)，在外加的微秒级脉冲电流电场的作用下，极间的碱性电解液发生电解生成氧气；调制氧气膜两端的电场强度至气体放电双峰曲线辉弧过渡区的左侧(使形成的氧气膜两端的电场强度至峰值电流300-500A、电流脉冲宽1000μs-3000μs)，调控阴阳极间距和外电场电流输入模式，SiC单晶棒(工件24)表层微区在外加脉冲电场的作用下产生热积累，积累到一定程度会发生热电子发射，使微区的SiC处于高活性状态，使微区氧等离子体21达到最优值；氧等离子与微区SiC单晶棒表面层处于高活性状态的Si产生化学反应生成SiO₂22，与C反应生成CO逸出，而SiO₂22沉积在SiC单晶棒的表面层，被电解液25去除掉。加工后的残余电解液带着SiO₂22通过床身1上的导流槽及排水管16再经过滤网18回流入电解液箱17，重复进行该过程，进行微弧放电切割。

Claims

1.一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，其特征在于，包括床身(1)、导管(11)和脉冲电源箱(14)，床身(1)上安装有线锯系统和机床工作台，机床工作台上安装有工件，所述导管(11)的一端通过液压泵(20)与电解液箱(17)相连，导管(11)的另一端位于工件与线锯系统切割处的上方；所述脉冲电源箱(14)的正极与工件的一端相连、负极与线锯系统相连，所述床身(1)上设置有底座(2)和立柱(7)，导管(11)的另一端安装有喷头，导管上安装有流量计(12)，所述床身(1)上表面设置有导流槽，导流槽与排水管(16)的一端相连，排水管(16)的另一端通向所述电解液箱(17)；电解液箱(17)内部设置有过滤网(18)。

2.根据权利要求1所述的一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，其特征在于，所述机床工作台包括安装在床身(1)上的导轨a，导轨a上设置有下托板(19)，下托板(19)上连接有由电机驱动的丝杠；下托板(19)上还安装有导轨b，导轨b与导轨a相垂直，导轨b上设置有上托板(15)，上托板(15)上连接有由电机驱动的丝杠；上托板(15)上安装有支架(13)，支架(13)上设置有旋转轴，旋转轴与工件的另一端相连。

3.根据权利要求1所述的一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，其特征在于，所述线锯系统包括设置在底座(2)上的运丝托板(4)和线锯(10)，运丝托板(4)上安装有运丝筒(5)，运丝筒(5)的输入轴通过齿轮传动系统(3)与电机相连；所述立柱(7)从上到下依次安装有上臂(8)和下臂(9)，上臂(8)的两端及下臂(9)的两端均分别安装有导轮(6)，线锯(10)的一端从运丝筒(5)出来后，依次经过上臂(8)上的两个导轮(6)和下臂(9)上的两个导轮(6)后又回到运丝筒(5)中；线锯(10)与所述脉冲电源箱(14)的负极相连。

4.根据权利要求3所述的一种SiC单晶片微弧放电微细切割设备，其特征在于，所述上臂(8)上固接有配重块，上臂(8)通过配重块与立柱(7)相连。