[發明專利]一種利用金剛石線切割大直徑碳化硅單晶的方法和設備

有效

• 申請號: 201310728631.0
• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103722625A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 高玉強;宗艷民;張志海;梁慶瑞;孫世斌;張紅巖
• 申請（專利權）人: 山東天岳先進材料科技有限公司
• 主分類號: B28D5/04
• 分類號: B28D5/04
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 苗峻

技術領域

本發明屬于晶體材料加工領域，具體涉及利用金剛石線高效切割大直徑碳化硅單晶的方法和設備。

背景技術

碳化硅（SiC）半導體材料是自第一代半導體材料Si和第二代化合物半導體材料GaAs、GaP、InP等之后發展起來的第三代寬帶隙半導體材料。SiC材料的主要特點包括寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速度，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應用潛力，許多國家相繼投入了大量的資金對SiC進行了廣泛深入的研究，并已在SiC晶體生長技術、關鍵器件工藝、光電器件開發、SiC集成電路制造等方面取得了突破，滿足了現代電子器件對抗輻射、抗腐蝕等惡劣環境提出的新要求。

SiC的莫氏硬度為9.2，僅次于金剛石，且化學穩定性好，常溫下幾乎不與其他物質反應，因此其加工難度很大。實現切割損耗小、并且切割出厚度均勻、翹曲度小的高質量SiC晶片是目前面臨的重要技術難點。SiC單晶常見的切割方法有外圓切割、內圓切割及金剛石單線切割。對于外圓切割，其存在的主要問題是鋸片剛性差，刀片薄且徑向承受晶體壓力，容易產生變形和側向擺動，使晶體材料損耗大，晶面不平整；此外，外圓切割深度又受到鋸片直徑限制，一般不超過直徑的三分之一。因此，外圓切割主要用于對晶向偏轉大的長晶體進行定向切割和大尺寸材料整形切割。對于內圓切割，其切割出的晶片表面損傷層較大，刀口寬、材料損失大，并且每次只能切割一片，生產效率較低。金剛石單線切割機雖然克服了以上切割的絕大多數缺點，但像內圓切割機一樣每次只切割一片，因此現有的切割工藝和設備均不能滿足高效率生產的要求。

發明內容

針對現有技術存在的不足和空白，本發明的發明人提供了一種操作方便、金剛石線高效切割大直徑單晶的方法，本方法利用多線切割機，采用直徑為120μm至400μm、外層鍍有金剛石顆粒的金剛石切割線，利用金剛石切割線的多線往復式高速切割運動，實現大直徑SiC單晶的多片切割，切出的SiC晶片表面粗糙度、彎曲度（Bow）和總厚度變化（TTV）小，每次可以切割多塊目標晶體，而且切割晶體時速率快、耗時少，從而實現了碳化硅晶片的高效切割。

本發明的具體技術方案如下：

（1）繞線：將金剛石切割線繞到槽輪上，形成張力均勻的環形線網；

（2）安裝待切割SiC晶體：將待切割大直徑SiC單晶棒固定在碳化硅晶棒固定裝置上；

（3）設定工藝參數：設定切割線運行速度、切割張力、進刀速度；

（4）切割：開始切割晶棒，直到切割完畢；

（5）程序結束，取片。

其中步驟（2）中所述的大直徑SiC單晶體直徑為2英寸至6英寸的晶棒，晶型為4H或6H；其中為了滿足大多數半導體材料器件制備的需要，一般選擇的晶棒截面為圓形，也可選用其他截面形狀的晶棒；

步驟（3）中所述的切割線運行速度為300～1500m/min，優選的，切割線運行速度為500～1200m/min；也就是收線輪每分鐘收線的長度，速度過高或過低都會對最終的切割效果有不利的影響，也不利于金剛石切割線的使用，具體原因如下：

主要是考慮到由于SiC硬度大，過低的線運行速度無法實現SiC晶棒切割；當切割線運行速度過快（大于1500m/min）時，則會造成切割斷線和晶片破碎的幾率提高，綜合上述兩方面原因，選取300～1500m/min的切割線運行速度。但是，盡管切割線運行速度為300m/min時能夠實現SiC晶棒切割，但效率較低；切割線運行速度為1500m/min時切割效率高，但在這樣的速度下斷線、晶片破碎的幾率仍然較高。在保證切割效率和切割合格率的情況下，優選速度為500～1200m/min。

對于現有的單線切割而言，其切割方式是采用一根切割線在固定的切割位置往復運動，相對控制簡單，而本發明所采用的多線切割實際上是采用一根金剛石切割線在多個槽輪上繞成的線網在同一晶體棒的多個待切割晶片之間運動，相對于單線切割而言，對于線運行的穩定性要求更高，難度更大，需要更加精確的參數設置。此外，多線切割在500～1200m/min的優選速度內，切出晶片厚度的均勻性、晶片參數的一致性均高于單線切割，且生產效率明顯高于單線切割，因此適合大規模生產。

所述的更加精確的參數設置，主要還指的是：

所述的切割張力為20～70N，優選的，切割張力為30～50N；