一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法和设备技术

一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法，其特征在于：具体步骤如下：（1）绕线：将金刚石切割线绕到槽轮上，形成张力均匀的环形线网；（2）安装待切割SiC晶体：将待切割大直径SiC晶棒固定在工作台上；（3）设定工艺参数：设定切割线运行速度、切割张力；（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；（5）程序结束，取片；其中所述的金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为8～100μm；所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为100?300μm；所述的金刚石切割线直径为120μm至400μm。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于新材料加工
，具体提供了一种操作方便、金刚石线高效切割大直径单晶的方法和设备，所述的设备利用多线切割机，采用直径为120μm至400μm、外层镀有金刚石颗粒的金刚石切割线，利用金刚石切割线的往复式高速切割运动，实现大直径SiC晶棒的多片切割，切出的SiC晶片表面粗糙度、弯曲度和总厚度变化小，每次可以切割多块目标晶体，而且切割晶体时速率快、耗时少，从而实现了碳化硅晶片的高效切割。【专利说明】一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法和设备
本专利技术属于晶体材料加工领域，具体涉及利用金刚石线高效切割大直径碳化硅单晶的方法和设备。
技术介绍
碳化硅(SiC)半导体材料是自第一代半导体材料Si和第二代化合物半导体材料GaAs,GaP,InP等之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。SiC材料的主要特点包括宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力，许多国家相继投入了大量的资金对SiC进行了广泛深入的研究，并已在SiC晶体生长技术、关键器件工艺、光电器件开发、SiC集成电路制造等方面取得了突破，满足了现代电子器件对抗辐射、抗腐蚀等恶劣环境提出的新要求。SiC的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，且化学稳定性好，常温下几乎不与其他物质反应，因此其加工难度很大。实现切割损耗小、并且切割出厚度均匀、翘曲度小的高质量SiC晶片是目前面临的重要技术难点。SiC单晶常见的切割方法有外圆切割、内圆切割及金刚石单线切割。对于外圆切割，其存在的主要问题是锯片刚性差，刀片薄且径向承受晶体压力，容易产生变形和侧向摆动，使晶体材料损耗大，晶面不平整；此外，外圆切割深度又受到锯片直径限制，一般不超过直径的三分之一。因此，外圆切割主要用于对晶向偏转大的长晶体进行定向切割和大尺寸材料整形切割。对于内圆切割，其切割出的晶片表面损伤层较大，刀口宽、材料损失大，并且每次只能切割一片，生产效率较低。金刚石单线切割机虽然克服了以上切割的绝大多数缺点，但像内圆切割机一样每次只切割一片，因此现有的切割工艺和设备均不能满足高效率生产的要求。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足和空白，本专利技术的专利技术人提供了一种操作方便、金刚石线高效切割大直径单晶的方法，本方法利用多线切割机，采用直径为120 μ m至400 μ m、外层镀有金刚石颗粒的金刚石切割线，利用金刚石切割线的多线往复式高速切割运动，实现大直径SiC单晶的多片切割，切出的SiC晶片表面粗糙度、弯曲度(Bow)和总厚度变化(TTV)小，每次可以切割多块目标晶体，而且切割晶体时速率快、耗时少，从而实现了碳化硅晶片的闻效切割。本专利技术的具体技术方案如下:(I)绕线:将金刚石切割线绕到槽轮上，形成张力均匀的环形线网；(2)安装待切割SiC晶体:将待切割大直径SiC单晶棒固定在碳化硅晶棒固定装置上；(3)设定工艺参数:设定切割线运行速度、切割张力、进刀速度；(4)切割:开始切割晶棒，直到切割完毕；(5)程序结束，取片。其中步骤(2)中所述的大直径SiC单晶体直径为2英寸至6英寸的晶棒，晶型为4H或6H;其中为了满足大多数半导体材料器件制备的需要，一般选择的晶棒截面为圆形，也可选用其他截面形状的晶棒；步骤(3)中所述的切割线运行速度为300?1500m/min，优选的，切割线运行速度为500?1200m/min ;也就是收线轮每分钟收线的长度，速度过高或过低都会对最终的切割效果有不利的影响，也不利于金刚石切割线的使用，具体原因如下:主要是考虑到由于SiC硬度大，过低的线运行速度无法实现SiC晶棒切割；当切割线运行速度过快(大于1500m/min)时，则会造成切割断线和晶片破碎的几率提高，综合上述两方面原因，选取300?1500m/min的切割线运行速度。但是，尽管切割线运行速度为300m/min时能够实现SiC晶棒切割，但效率较低；切割线运行速度为1500m/min时切割效率高，但在这样的速度下断线、晶片破碎的几率仍然较高。在保证切割效率和切割合格率的情况下，优选速度为500?1200m/min。对于现有的单线切割而言，其切割方式是采用一根切割线在固定的切割位置往复运动，相对控制简单，而本专利技术所采用的多线切割实际上是采用一根金刚石切割线在多个槽轮上绕成的线网在同一晶体棒的多个待切割晶片之间运动，相对于单线切割而言，对于线运行的稳定性要求更高，难度更大，需要更加精确的参数设置。此外，多线切割在500?1200m/min的优选速度内，切出晶片厚度的均匀性、晶片参数的一致性均高于单线切割，且生产效率明显高于单线切割，因此适合大规模生产。所述的更加精确的参数设置，主要还指的是:所述的切割张力为20?70N，优选的，切割张力为30?50N ；其中所述的切割张力是指金刚石切割线受到拉力作用时，其内部任意截面两侧存在的相互牵引力。由于碳化硅硬度较高，过小的切割张力(小于20N)无法实现SiC晶棒切割；切割张力大于70N时，切割断线和晶片破碎几率高，因此选取20?70N的切割张力。但是，切割张力为20N时切割能力不足，效率低；切割张力为70N时尽管切割效率高，但是在此张力下断线、晶片破碎的几率较高，切出的晶片表面质量差。相比于单线切割，多线切割张力的控制需要更为精确，主要原因在于多线切割机与晶体棒有多个接触位置，金刚线所承受的来自晶体的压力比单线切割大，需要比单线更大的张力来保持线的平稳水平运行，同时还需要避免张力过大而带来的切片过程中断线和晶片破碎等弊端，因此专利技术人最终综合上述情况后优选采用多线切割在30?50N的优选切割张力内，切出晶片厚度的均匀性、晶片参数的一致性均高于单线切割，适合大规模生产。所述的金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为8?100 μ m，均匀的分布在高碳钢丝上，以保证金刚石切割线线径一致:所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为100?300 μ m ;所述的金刚石切割线直径为120 μ m至400 μ m ;这里所述的直径并非单纯高碳钢丝的直径，而是在均匀的电镀了金刚石之后整个线体的直径；本专利技术所采用的金刚石切割线以及其上电镀的金刚石均为市场上直接购得，只需其工艺参数满足上述三点即可应用于本专利技术中，这样可以进一步的降低成本，便于维修和更换；所述的大直径SiC单晶切割过程中切片的速率为5?20mm/h ;上述速度为金刚石线每小时切入SiC晶棒的径向尺寸为5?20_，过大的速度会使切出晶片的粗糙度、Bow和TTV等增大，严重影响晶片表面质量，速率再大会导致晶片破裂；除此之外，还可以限定步骤(4)在切割过程中槽轮的摇摆角度为O?±30° ;摇摆角度:切割过程中水平面上的两槽轮围绕二者之间的中心线上下摆动，缠绕在槽轮上的切割线与水平面所成的最大角度即为摇摆角度；其中所述的0°，就表示切割过程中槽轮不发生摇摆，而±30°则为摇摆的最大幅度，采用摇摆切割的方式可以保证晶体在切割过程中金刚石线与晶体始终保持点接触状态，减小了二者之间的阻力，实现晶体高效切割，其具体过程如图7所示。所述的大直径SiC单晶切割的晶体是任意角度的，但是典型的晶体角度为0°、4°和8°，该角度的具体定义为碳化硅晶体结构中(0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法，其特征在于：具体步骤如下：（1）绕线：将金刚石切割线绕到槽轮上，形成张力均匀的环形线网；（2）安装待切割SiC晶体：将待切割大直径SiC晶棒固定在工作台上；（3）设定工艺参数：设定切割线运行速度、切割张力；（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；（5）程序结束，取片；其中所述的金刚石切割线，其电镀金刚石颗粒粒径为8～100μm；所述的金刚石切割线的基体为高碳钢丝，直径为100?300μm；所述的金刚石切割线直径为120μm至400μm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高玉强，宗艳民，张志海，梁庆瑞，孙世斌，张红岩，
申请(专利权)人：山东天岳先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：