SiC单晶片的微弧放电微细切割装置及切割方法

文档序号:9315561阅读:768来源:国知局
SiC单晶片的微弧放电微细切割装置及切割方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于非良导体加工方法技术领域,具体涉及一种SiC单晶片的微弧放电微 细切割装置,本发明还涉及SiC单晶片的微弧放电微细切割方法。
【背景技术】
[0002] 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:
[0003] 1.线锯和SiC单晶属于接触式切割,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单晶旋转时,切割后的晶片表面呈鼓形;
[0004] 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 提尚;
[0005] 3.切割过程中,在线锯和SiC作用下,磨粒与SiC单晶棒的接触、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;
[0006] 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,一般从〇. 2-0. 5_,切割过程中由于机床本身的因素,因此SiC 单晶的切缝在〇. 25-0. 3_,这就造成了珍贵材料的浪费。
[0007] 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一一通过电火花 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。
[0008] 也有学者采用等离子体方法进行SiC单晶的抛光,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SiC单晶棒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。
[0009] 因此寻找具有较高的材料去除率,同时SiC单晶棒表面粗糙度和TTV等较小的SiC 单晶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/dl - 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单晶表面产生烧 损,应避免用于精密半导体材料的加工。
[0010] 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/dl - 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。

【发明内容】

[0011] 本发明的目的是提供一种SiC单晶片的微弧放电微细切割装置,解决现有技术切 割出的SiC单晶片会发生翘曲变形且表面粗糙度较高的问题。
[0012] 本发明的另一个目的是提供SiC单晶片的微弧放电微细切割方法。
[0013] 本发明所采用的技术方案是:SiC单晶片的微弧放电微细切割装置,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SiC单晶棒, 导管的一端通过液压栗与电解液箱连接,导管的另一端位于SiC单晶棒与线锯系统切割处 的上方;脉冲电源箱的正极与SiC单晶棒的一端相连,脉冲电源箱的负极与线锯系统中的 线锯相连。
[0014] 本发明的特点还在于:
[0015] 导管的另一端安装有喷头,导管上安装有流量计。
[0016] 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所 述电解液箱;电解液箱内部设置有过滤网。
[0017] 本发明的另一个技术方案是:
[0018] SiC单晶片的微弧放电微细切割方法,所采用的切割装置结构如下: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SiC单晶棒, 导管的一端通过液压栗与电解液箱连接,导管的另一端位于SiC单晶棒与线锯系统切割处 的上方;脉冲电源箱的正极与SiC单晶棒的一端相连,脉冲电源箱的负极与线锯系统中的 线锯相连;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所述电解液箱;电解液箱内部设置有过滤 网。
[0019] 具体按照以下步骤实施:
[0020] 步骤1、使机床工作台运动至SiC单晶棒与线锯之间的距离为100微米-150微米 的位置处;
[0021 ] 步骤2、在电解液箱中装入碱性电解液,使碱性电解液经过导管由喷嘴喷到线锯和 SiC单晶棒所处切割处的上方;使旋转轴带动SiC单晶棒进行旋转,并打开脉冲电源箱,在 脉冲电流电场的作用下,SiC单晶棒和线锯之间的碱性电解液发生电解生成氧气并形成氧 气膜;
[0022] 步骤3、调节脉冲电源箱使步骤2中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1000 μ s-3000 μ s,SiC单晶棒表层在脉冲电场的作用下完成切割。
[0023] 本发明另一个技术方案的特点还在于:
[0024] 步骤2中所述的碱性电解液的pH值为7-9。
[0025] 步骤2中所述的脉冲电源箱14的电压为0-700V、电压脉冲宽度为6 μ s-18 μ s、峰 值电流为0-500Α、电流脉冲宽为1000 μ s-3000 μ s。
[0026] 本发明的有益效果是:本发明通过微弧放电体的放电加工方法缩短了 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】
[0027] 图1为本发明SiC单晶片的微弧放电微细切割装置的结构示意图;
[0028] 图2为气体放电伏安特性曲线和技术分类电场图;
[0029] 图3为本发明SiC单晶片的微弧放电微细切割方法的切割过程示意图;
[0030] 图4是图3的A-A剖视图。
[0031] 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.液压栗,21.等离子体,22. SiO2, 23.导电胶,24. SiC单晶棒,25.电解液。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0033] SiC单晶片的微弧放电微细切割装置,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上还安装有支架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上从上到下依次安装有上臂 8和下臂9,上臂8上固接有配重块,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的一端通过液压栗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。SiC单晶棒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,SiC单晶棒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。
[0034] SiC单晶片的微弧放电微细切割方法,所采用的切割装置结构如下: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上还安装有支架 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上从上到下依次 安装有上臂8和下臂9,上臂8上固接有配重块,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 液压栗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。SiC单晶棒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,SiC单晶棒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
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