磷化铟晶棒裁切衬底晶圆片的方法与流程

本发明属于冶金技术领域，涉及磷化铟晶片的制备，具体涉及将磷化铟晶体裁切成衬底晶圆片的方法。

背景技术：

inp是一种ⅲ-ⅴ族半导体材料，因其具有优异的运输特性，较高的迁移率，特殊的光电性能以及优异的抗辐射性能，而在高频电子器件（如hemt、hbt等）、5g通讯、光纤通讯以及抗辐射太阳能电池领域有着广泛的应用。但是，目前，inp单晶衬底材料的价格居高不下，其大面积应用推广受到价格的限制。inp单晶衬底材料价格居高不下的主要原因是，inp单晶生长的成品率低。孪晶现象是影响inp单晶成品率的最大因素。inp在ⅲ-ⅴ族半导体材料中拥有最低的层错能，在生长过程中极易在<111>面上产生原子堆垛错位，从而产生孪晶和夹晶。孪晶和夹晶往往是贯穿性的，并且沿着一定的倾斜角度，如图1所示。该inp晶体半导体晶棒有一个内砍孪晶线。ⅲ-ⅴ族半导体中孪晶多为旋转孪晶，即孪晶部分沿着｛111｝面法线轴线旋转180度。图中指示出了<100>晶向的正晶向部分1、<221>晶向的转晶向部分2。于上部3位置和中部4位置取晶片，加工出的晶片如5，6所示。<221>晶向的转晶向部分2，在后道工艺中是不可用的；含有少量孪晶/夹晶的晶片（一般孪晶/夹晶面积5%-20%），如图所示降级晶片6，可以降级为低级产品使用，含有较多孪晶/夹晶面积的晶片，如图所示废晶片5，只能报废处理。

inp单晶主要的生长方法有lec法、vgf以及vb法。在vgf和vb法中，晶体生长时，晶体与坩埚壁相贴合，生长的直径与坩埚内壁尺寸一致，因此通过设计和确定坩埚内壁的尺寸来控制晶体尺寸，晶棒形状较规则，如图1所示。而在lec法生长中，inp单晶不与坩埚壁接触，晶体直径受提拉速度、晶体散热、系统降温速度等较为复杂因素的影响。晶棒往往呈现出直径不一致的情况，有时，可能会出现多次收缩/长大的过程，如图2所示。图2中7代表籽晶，8代表晶棒。

目前，inp单晶衬底产品的主要规格有2英寸、3英寸和4英寸，以晶向<100>的晶片为主。由<100>晶向晶棒加工出<100>晶向晶片的传统方法为：切割头尾定向→滚磨→多线切割→获得相应规格晶片。如图3所示，inp晶棒8由<100>晶向籽晶7引晶生长而成，晶棒直径不均匀，由于孪晶的原因，晶棒8具有正晶向部分1和转晶向部分2。晶体经过头尾切割定向，得到定向晶体9，再经过滚磨，得到3英寸晶棒10，经过多线切割，得到3类晶片，分别是3英寸正晶向晶片11、3英寸降级晶片6、废晶片5。少数直径较大的晶棒可继续滚磨得到小规格晶片。这种加工晶片的方法，滚磨工序会将大量的材料磨削去除，材料损失大，出片量小。

技术实现要素：

本发明为了解决现有晶片制作材料损失大，出片量小的问题，先对晶棒进行多线切割，制成晶片，再对晶片进行最大化割圆出片，可显著提高出片量。

本发明的技术方案为：一种磷化铟晶体裁切衬底晶圆片的方法，包括以下步骤：

1）定向：将晶棒切割头尾，调整晶棒方位试切，至切割出所需晶向的晶片，切割端面为定向端面；

2）多线切割：在多线切割设备上，平行于定向端面分割晶棒为晶片；

3）清洗：清洗晶片，至表面无残渣、无污物；

4）割圆：对晶片进行割圆，裁取所需晶向区域。

该技术方案中，对于直径控制难度大，生长过程中容易出现孪晶/夹晶的磷化铟晶棒，摒弃会将大量的inp材料磨削去除的滚磨工序，先将晶棒多线切割为晶片，再从晶片中最大化的裁切与标准尺寸相近的晶向可用的衬底晶圆，可以大幅提高出片量，减少材料损失和浪费。

进一步的，所述步骤1）中，定向端面与所需晶向的平行度误差为±0.02°。通常所使用的磷化铟衬底晶圆为<100>晶向，为了能高效、准确的切割出所需的<100>晶向晶片，切割前需要试切、测定，以找出磷化铟单晶的<100>晶面，再以找到的<100>晶面作为定向端面，分割晶片。定向步骤借助三维样品台和x射线定向仪进行测定，一般要求晶向偏差＜0.05°，为了保证切割准确度，端面定向精度优选为±0.02°。

进一步的，为了准确的切割出所需晶向的晶片，所述步骤2）中，切割钢线与晶棒定向端面平行。晶棒定向后，其定向端面即为所需晶向的晶面，切割钢线与晶棒定向端面平行切割，即可切出所需晶向的晶片，定向越准确、平行度越高，切割准确度越高。

进一步的，为了便于支撑定位晶棒，降低晶片的加工破损率，提高效率和降低成本，所述步骤1）和2）中，晶棒粘结在载料板上，载料板具有与晶棒侧缘形状适配的放置槽。磷化铟材料的莫氏硬度只有5左右，材料非常脆，易损坏。在晶体切片过程中，经常出现碎片、晶片边缘崩边的情况，破损率约为5％，尤其是直径不均匀的晶棒，破损率更高，严重影响了加工成品率，导致了成本的增加。载料板适应晶棒侧缘形状设计，对晶棒形成半包围式支撑，增加了支撑面积，使切割过程稳固、不晃动，切割后单片晶圆支撑力较大，可以避免由晶片粘连、倾斜、晃动引起的晶片破损，使破损率降到了0.5％以下。

进一步的，为了便于加工制作，有效支撑、保护晶棒和晶片，所述载料板选用与磷化铟晶体硬度接近的为石墨板或树脂板。

进一步的，为了便于割圆，所述步骤2）中分割的晶片厚度小于等于2000μm。晶片厚度过大，割圆时效率低、碎裂率高、切口粗糙。采用激光割圆时，随厚度增加，激光所需要的焦深范围变大，使用浅焦深的激光切割厚度大的晶片，聚焦难度大，容易造成激光能力分散，切割效率低下，热影响区过大，碎片率高，切口粗糙；若配备多焦点、长焦深设备，会导致生产成本高。在满足衬底晶圆片厚度要求的基础上，晶片厚度优选小于等于2000μm。

进一步的，所述步骤4）中，通过激光割圆，激光的波长为532nm，功率为50-200w，切割速率为10-50mm/s。激光割圆时的热影响会导致局部受热不均，使晶片碎裂，将晶片边缘烧焦、产生毛刺等，波长越短，热影响区越小，但是切割能力也越低。且inp材料对于红外光波具有透射性，金属切割中常用的波长为1064nm的红外波不适于切割inp材料，优选经过倍频得到的532nm绿光激光，或者具有更短波长的紫外激光。为了平衡热影响和切割能力，选用510-550nm波长的激光，并控制其功率为50-200w、切割速率为10-50mm/s，可以在保证切割效率的基础上，有效降低碎片率，保证切割质量。在切割1000μm的晶片，每次去除量为30μm时，2英寸晶片切透时间为1.5-3分钟，3英寸晶片切透时间为2.5-4.5分钟，4英寸晶片切透时间4-6分钟，且破损率低于0.3％，晶片边缘光滑、整齐，不焦、无毛刺。

进一步的，所述步骤4）中，激光切割的每次去除量为10-50μm。每次切割的去除量不能过大，过大的话，会因局部应力造成碎片，或者因融化残渣不能及时排出而沉寂在切口处，造成碎片、切口粗糙和影响切削效率。具体切割时，根据晶片片厚选择相应的去除量，对设定的图形反复切割，直至彻底割透晶片。

进一步的，所述步骤4）中，激光切割过程中进行抽吸排渣。传统的压缩气体吹扫容易把晶片吹脆裂，而磷化铟材料融化后附着力比金属低，配备抽吸系统，利于收集切割残渣，气体等，利于在激光扫描期间获得干净的切口侧壁，可避免影响切割质量和效率，提高晶片质量。

进一步的，所述步骤3）中清洗剂的种类与多线切割切削液的种类匹配。根据多线切割使用的切削液种类来选择清洗剂，如果选用水基切削液，则使用水清洗即可，如果选用的油基的切削液，则选择使用煤油、酒精等有机溶剂来清洗晶片。

本发明的有益效果为：1、本发明的晶圆裁切方法，应用于直径控制难度大、容易在生长过程中出现孪晶/夹晶的晶片加工中，可以大幅度的提高出片量，使同一晶棒的裁切晶片价值提升50%以上。2、该方法简单易用，切割准确度高、效率高、破损率低、成片率高，适用于各种晶棒的切割。3、激光割圆通过激光使晶片产生从顶部到底部的裂缝，无需施加外力来分离晶片，工艺流程简单；可避免产生碎屑，块状边角料均可以作为回炉用料，加工损失小。

附图说明

图1是晶棒及切割晶片孪晶的结构示意图；

图2是晶棒的结构示意图；

图3是传统滚磨式加工衬底晶圆片的流程示意图；

图4是实施例中晶棒的晶向结构示意图；

图5是实施例中传统滚磨式加工晶圆片的可利用区域示意图；

图6是实施例中本发明加工晶圆片的可利用区域示意图；

图7是本发明加工衬底晶圆片的流程示意图；

图8是实施例中载料板支撑晶棒的结构示意图；

附图中，1代表正晶向部分，2代表转晶向部分，3代表上部，4代表中部，5代表废晶片，6代表降级晶片，7代表籽晶，8代表晶棒，9代表定向晶体，10代表3英寸晶棒，11代表正晶向晶片，12代表载料板，13代表2英寸规格的晶圆片，14代表正晶向晶片区，15代表3英寸降级晶片区，16代表2英寸晶片区。所标注尺寸的单位为毫米。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本实施例中，如图4所示，磷化铟晶棒8有一个内砍孪晶线，并且直径不均匀。需加工出<100>晶向晶片作为inp衬底产品。所需衬底晶圆片的厚度为1mm，直径为3英寸，非<100>晶向部分距离晶片边缘10mm以内的晶片为降级晶片。因晶体生长的特异性，生长出同样晶棒的概率极低，按照现有技术中切割头尾定向→滚磨→多线切割→获得相应规格晶片的工艺，参见图5，阴影部分为该晶棒的可利用区域，切割1mm厚的衬底晶圆片，根据理论和经验计算，正晶向晶片区14可切割3英寸正晶向晶片23片，3英寸降级晶片区15可切割3英寸降级晶片22片。

按照本发明的方法将该晶棒加工成衬底晶圆，参见图6，阴影部分为该晶棒的可利用区域。理论上，正晶向晶片区14可切割3英寸正晶向晶片出片量为45片；3英寸降级晶片区15可切割3英寸降级晶片出片量为21片，2英寸晶片区16可切割2英寸正晶向晶片20片。带有孪晶或夹晶的2英寸inp晶片价值较低，不作计算。3英寸正晶向晶片价值按照市场平均价格3000元计算,3英寸降级晶片价格按照正晶向晶片价值的70%，也即2100元计算，2英寸正晶向晶片的价值为1200元，两种方法出片量和价值对比参见表1。

按照图7所示的流程将该晶棒加工成衬底晶圆，具体步骤为：

1）定向：如图8所示，将晶棒纵向粘结在石墨载料板12上，载料板12固定在切割机三维样品台上，将晶棒8的端面作为参考面。从晶棒8头部切取样品，用x射线定向仪测试切割面的表面晶向，计算切割面偏离<100>理想晶面的偏角，根据偏角值，调整晶棒8方位，循环操作，直至切割后的端面晶向符合要求，端面定向精度为±0.02°。晶棒8尾部切割定向步骤和头部一致，得到定向晶体9。切割机使用东京精密公司生产的pln-27型内圆切割机，x射线定向仪采用辽东射线仪器设备公司生产的yx-3型。

2）多线切割：将定向晶体9和载料板12装夹在多线切割设备工作台上，检测切割钢线与定向端面的平行度，调整工作台方位，使平行度误差＜0.02°。设置切割参数：线速度250m/min，线张力22n，供线速度30m/min，切割速度：0.6mm/min，将晶棒8切割成1mm厚度的晶片。线锯采用日本安永公司生产的u-600型。

3）清洗：用水清洗晶片，至表面无残渣、无污物。

4）割圆：根据正晶向的面积，结合所需3英寸规格，确定每一片的割圆位置；

使用波长532nm的激光,激光功率选择70w，切割速率选择30mm/s，每次去除量为30µm，对设定的切割图形反复切割，3分钟切透，将晶圆片取出。切割过程中，利用抽吸系统收集切割残渣、气体等。如图7所示，裁切出了3英寸的正晶向晶片11、3英寸的降级晶片6，部分无法裁切出3英寸规格晶圆片，但可裁切出2英寸规格的晶圆片13。废晶片5和加工的块状边角料可以作为回炉用料。

本实施例中，最终获得3英寸正晶向晶片44片，3英寸降级晶片19片，2英寸正晶向晶片20片，带有孪晶或夹晶的2英寸inp晶片价值较低，不作计算。晶片边缘光滑、整齐，不焦、无毛刺，晶面晶向准确。3英寸正晶向晶片比理论值少1片，3英寸降级晶片比理论值少2片，相比按现有滚磨方法计算的预切晶片总价值提升了70.1%。