一种铌酸锂单晶的变速切割方法与流程

本发明涉及铌酸锂单晶的切割方法，尤其是涉及一种铌酸锂单晶的变速多线切割方法，特别涉及对几何参数要求较高的铌酸锂晶片的切割方法。

背景技术：

铌酸锂晶片的加工工艺类似于硅片的加工工艺，需要在单晶片上应用光刻、镀膜等半导体工艺，做一层金属再进行图形化，然后划切，做成芯片。在整个工艺中，对铌酸锂晶片的几何参数要求比较高。为了得到高几何参数的铌酸锂晶片，从切割步骤开始就需要控制几何参数。

过去使用较多的切割方法为内圆切割或外圆切割，效率低下，损失较大，而目前采用较多的是多线切割工艺。多线切割工艺广泛应用于半导体行业、光伏行业，已经可以应用于硅、锗、砷化镓、磷化铟、水晶、蓝宝石、铌酸锂/钽酸锂等多种材料的切割。过去的多线切割是定速切割，切割线的进给速度固定，切割得到的晶片几何参数较差，弯曲程度较大，平整度低。研究人员认为主要原因在于：定速切割过程中，单位时间内切割线去除的单晶体积先增大后减小，切割产生的热量不均匀，对晶片平整度有影响。为了保证切割效果，目前主流的切割方式为变速切割，切割速度先快后慢再变快，单位时间内切割线去除的单晶体积基本相同，产生的热量比较均匀，切割效果较好。

目前半导体硅材料行业普遍采用的是变速切割方式。可以考虑将这种切割方式运用于铌酸锂单晶的切割。而目前还没发现有罐铌酸锂晶片的变速多线切割工艺的报导，因此，本发明对罐铌酸锂晶片的变速多线切割工艺进行了研究。

技术实现要素：

鉴于现有技术状况，本发明的目的在于提供一种铌酸锂单晶的变速多线切割方法。根据多线切割过程中铌酸锂单晶的界面位置不同，对应的切割长度也会不同，切割速度需要相应地变化，将多线切割机的工作台匀速进给改为变速进给。本方法包括砂浆配制、切割速度控制及脱胶方法等。采用本方法进行铌酸锂单晶的切割，可以得到几何参数较好的铌酸锂晶片。本发明使用变速切割方法，用砂浆型的多线切割机切割铌酸锂单晶，经过乳酸脱胶后可得到铌酸锂晶片。

本发明采取的技术方案是：一种铌酸锂单晶的变速切割方法，其特征在于，使用砂浆型多线切割机作为切割设备，使用聚乙二醇和碳化硅微粉配制的砂浆，使用变速切割工艺对铌酸锂单晶进行切割，所述方法步骤如下：

（一）、确定铌酸锂单晶的晶向，用胶水将铌酸锂单晶粘接到合适的树脂条上。

（二）、使用聚乙二醇和碳化硅微粉配制成砂浆，聚乙二醇和碳化硅微粉的质量比为（0.9~1.1）:1，砂浆密度为（1.6~1.65）kg/m³；将聚乙二醇和碳化硅微粉搅拌混合4小时以上作为多线切割机的切割砂浆使用；配制好的砂浆注入多线切割机的砂浆罐中，设备自动抽取砂浆并喷淋到切割线上，然后开始切割。

（三）、铌酸锂单晶的变速切割过程：切割线的线径为0.12~0.16μm，切割线的张力为20~23n，进给速度范围为0.135~0.5mm/min。

（四）、根据铌酸锂单晶的切割位置进行调整，将整个切割过程分为10~20段，保证单位时间内切割线的切割面积基本相同，切割速度由以下公式计算：

式中：v：切割速度；v：切缝损失体积；l：单晶长度；dw：切割线直径；d：槽间距；s：砂浆层厚度，r：单晶半径；h：切割位置。

（五）、切割过程完毕后，将铌酸锂单晶放入脱胶机中脱胶，脱胶过程采用乳酸溶液浸泡，乳酸溶液温度为室温~70℃，体积配比为乳酸：水=1：（0~3）。

（六）、之后放入清洗机进行清洗，洗去表面残留的砂浆颗粒和金属残留，清洗完毕后放在甩干机中甩干，得到铌酸锂晶片。

本发明所述步骤（二）中，碳化硅微粉的粒径为1500#。

目前半导体硅材料行业普遍采用的是变速切割方式。理论上，在单位时间内切割线经过相同的面积，产生的热量也相同。由于切割过程中切割线与单晶的接触面积先增大后减小，切割速度也需要调整为先快后慢。如果切割速度保持一个速度不变，则切割线在进给到单晶直径部分附近时，产生的热量最多，砂浆难以将大量热量带走，导致热量积聚。正是这些积聚的热量会作用在晶片本身，导致晶片产生翘曲和弯曲，几何参数变差。可以考虑将变速切割方式运用于铌酸锂单晶的切割。

本发明的作用原理：多线切割过程中，切割线与单晶的接触面积先增大后减小。为了保证单位时间内去除的体积基本相同，需要使切割线的速度由快变慢再变快。在切割过程中会产生热量，而且单位时间内去除的单晶体积越大，产生的热量越多。将切割速度调整后，在切割线到达单晶直径部分附近时，切割线与单晶接触面积最大，速度需要降到最慢；在切割线刚刚与单晶接触和切割过程即将结束时，切割速度可以调整为最快。

本发明具有如下有益效果：1、切割速度不是固定的值，可以减少在切割速度过快情况下的断线几率。2、切割后铌酸锂晶片的几何参数更好，后续加工工艺去除量更小。3、切割效率高，每次切割可以将整根单晶全部切成晶片，效率高于内圆切割和单线切割。4.切割速度可以根据公式给出，然后在实际生产中根据情况进行微调，快速找到合适的切割速度，避免了多次反复试验，节省了时间和物料。

附图说明

图1是从单晶端面观察切割示意图；

图2是从单晶侧面主辊线槽观察切割示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步的说明。

假设在单位时间内切割近似相等的面积，则去除的单晶体积也应该是近似的，因此考虑确定单位时间内单晶去除体积，即切缝损失体积。根据图1可以看出，在一段很短的时间t内，切割线经过的面积的上下弦长基本相同，可认为经过的面积基本为矩形，矩形的宽度为v*t，长度为弦长。在某一切割位置h，可用三角函数可求出弦长。根据图2可知，单晶去除体积为切割线和砂浆层所占的部分。因此，单位时间内去除的单晶体积可看作高为v*t，长为弦长，宽为切割线及砂浆层厚度所占宽度的长方体。根据几何关系得出下式：

式中：v：切割速度；v：切缝损失体积；l：单晶长度；dw：切割线直径；d：槽间距；s：砂浆层厚度，一般取30μm；r单晶半径；h：切割位置。

实施例1：铌酸锂单晶的直径为4英寸，晶向为+y方向，采用定速切割的方法。

1、用胶水粘接铌酸锂单晶，保证晶向在合格范围内。

2、聚乙二醇和碳化硅微粉按照一定比例配制成切割砂浆，碳化硅微粉的粒径为1500#，聚乙二醇和碳化硅微粉的质量比为（0.9~1.1）:1；

3、将粘接好的铌酸锂单晶放入多线切割机的工作台工位中，按照变速切割的切割进给速度开始切割，切割线的线径为0.14μm，切割线的张力为21n，进给速度为0.25mm/min。

4、切割过程完毕后，将铌酸锂单晶放入脱胶机中脱胶，脱胶过程采用乳酸溶液浸泡，温度低于40℃，配比为乳酸：水=1:1。之后放入清洗机进行清洗，洗去表面残留的砂浆颗粒和金属残留，清洗完毕后放在甩干机中甩干，得到铌酸锂晶片。

如果采用定速切割，得到的铌酸锂晶片的几何参数见下表

表1定速切割后铌酸锂晶片几何参数

一般地，晶片的几何参数应尽可能小，表明晶片平坦度越好。铌酸锂晶片的几何参数标准为：ttv≤10μm，warp≤50μm，ltv≤8μm。从表1中可以看出，定速切割得到的晶片不能满足下一道工序的使用要求。

实施例2：铌酸锂单晶的直径为4英寸，晶向为+y方向，采用变速切割的方法。

1、用胶水粘接铌酸锂单晶，保证晶向在合格范围内。

2、聚乙二醇和碳化硅微粉按照一定比例配制成切割砂浆，碳化硅微粉的粒径为1500#，聚乙二醇和碳化硅微粉的质量比为（0.9~1.1）:1。

3、将粘接好的铌酸锂单晶放入多线切割机的工作台工位中，按照变速切割的切割进给速度开始切割，切割线的线径为0.14μm，切割线的张力为23n，根据公式，设定切缝损失体积v=200mm³/min，砂浆层厚度s=30μm，并限制最高速度不超过0.25mm/min，可求出进给速度范围为（0.135~0.25）mm/min；在程序中设置：当切割线到达表2中所列的位置时，将切割速度设置为表2中所列的值。

表2切割速度与切割位置

4、切割过程完毕后，将铌酸锂单晶放入脱胶机中脱胶，脱胶过程采用乳酸溶液浸泡，温度为室温，乳酸：水=1:0。之后放入清洗机进行清洗，洗去表面残留的砂浆颗粒和金属残留，清洗完毕后放在甩干机中甩干，得到铌酸锂晶片。切割后得到的铌酸锂晶片的几何参数见表3。

表3变速切割后铌酸锂晶片几何参数

从结果可以看出，经过变速切割的铌酸锂晶片的几何参数得到了明显改善，ttv、warp、ltv等参数都有明显下降，最终得到的晶片能够满足设定的几何参数标准：ttv≤10μm，warp≤50μm，ltv≤8μm，可以满足下一步加工要求。