led衬底用超薄蓝宝石晶片的切割方法
技术领域
1.本发明属于led衬底用蓝宝石晶体材料领域，尤其涉及一种超薄蓝宝石晶片的切割方法。
背景技术：
2.蓝宝石晶体由于具有优异的导热性、耐磨性、高温稳定性等特点，是led产品最主要的衬底材料，蓝宝石的led衬底主要用于生长led 外延材料，制作氮化镓（gan）基的外延片，gan层厚度一般在10μm以下，故对蓝宝石衬底的厚度控制也十分严格，以满足小型led器件的制造需求。然而，蓝宝石的莫氏硬度为9，仅次于金刚石，其切割难度较大，尤其是切割晶片的厚度较薄时，碎片率高，故一般切割得到的晶片厚度为600～800μm，后续还需要将其进行研磨、减薄加工至200μm内再进行led衬底的制作，因此需要磨削较多的原料，使得蓝宝石晶棒的利用效率不高，故十分有必要开发一种高品质高效率的超薄蓝宝石晶片切割方法，有利于其在led衬底方面的应用。
3.然而，蓝宝石晶棒为圆柱状结构，中间位置切割面积最大，两端切割面积小，在晶棒切割至末端时，整个晶棒的大部分区域已成为薄片状，仅有小部分固定在工作台上，故此时晶棒的切割十分不稳固，尤其在超薄蓝宝石晶片切割过程中，由于晶片厚度较小，更容易造成切割不稳定，产生超薄晶片的翘曲、弯曲、破损和断裂等情况。
4.公开号为cn110076919a的发明专利公开了一种蓝宝石晶棒浸没式多线切割装置及方法，将整个切割装置浸没在切割液存储箱中，避免切割液喷洒引起金刚切割线的张力不稳定，同时也有利于散热，但是切割过程中，切削粉末也会不断落入液体或槽轮上，会影响槽轮的稳定传动，容易引起切割线的张力波动，同时长期浸泡在液体中还会造成装置的腐蚀；虽然该发明中晶棒的切割部分会不断浸没在切割液中，但是对切割液的成分并未明确，其对晶片的稳定作用未可知；另外，晶棒仅粘贴在上方的工件垫条上，稳固性不高，且并未对晶棒切割末期的稳固做出合理的措施。公告号为cn110733140b的中国专利公开了一种蓝宝石晶片切割设备及工艺，主要是采用切刀进行切割，且一次只能切割一个晶片，需要重复操作才能切完一根晶棒，切割效率低，且切割超薄晶片时易碎裂。公告号为cn103448153b的发明专利公开了一种蓝宝石晶棒的切割工艺及其加工治具，加工治具上设有多个可装有晶棒的弧形槽，适用于直径在12mm以下的晶棒，主要是为了实现一次性切割多个晶棒的目的，其针对的是小尺寸晶棒，对大尺寸晶棒切割末期的晶片是否有稳固作用并未可知。公开号为cn202726719u的实用新型公开了一种蓝宝石晶棒定位面定向加工夹具，其主要目的是为了定位过程中的晶棒灵活夹持和定向，切割时是需要将晶棒从夹具上取下来的，并未涉及切割稳定性。
5.综上，现有技术中缺乏获得高质量led衬底用超薄蓝宝石晶片的切割方法。
技术实现要素：
6.为解决上述问题，本发明提出了一种led衬底用超薄蓝宝石晶片的切割方法，主要
包括以下步骤：a)采用双组份环氧树脂胶粘剂将晶棒紧固粘结在方形树脂模具内，同时采用双组份环氧树脂胶粘剂在方形树脂模具上方粘结树脂条，然后将树脂条固定在工作台上，实现晶棒的固定；b)打开晶棒两侧的切割液管路，以40-50l/min的流速流出切割液，切割液流经切割线后下落至储液槽中，此时储液槽的排液口处于关闭状态；c)储液槽位于切割机上的金刚石切割线下方，同时也位于切割机的槽轮之间，切割线与储液槽槽口的垂直距离为1.5-3cm，切割机的槽轮间距为400-600um，将晶棒以0.2-0.5mm/min速度下降，启动切割机，金刚石切割线往返运行速度为700-1200mm/min；d)在切割过程中，切割液不断下落至储液槽中，且随着晶棒不断下降至液体中，储液槽中的切割液液面会不断升高，为防止液体溢出，当切割液液面与储液槽槽口的垂直距离小于1.5cm时，打开储液槽排液口，使切割液排出，其排出的流速需要大于储液槽中流入切割液的流速，最终保持切割液液面与储液槽槽口的垂直距离为1.5-3cm；e)晶棒切割结束后，将晶片放入含有脱胶剂的溶液中进行脱胶处理，使晶片脱离模具，最终获得的晶片厚度为300-400um。
7.其中，所述步骤a)中，晶棒直径为3-6英寸，这是因为，本发明中的切割线与储液槽槽口的垂直距离为1.5-3cm，储液槽与储液槽中的切割液液面的垂直距离为1.5-3cm，若尺寸太小，则无法使得晶棒已切割的部分浸入切割液中，无法明显起到稳固晶片和散热的作用，没有实际意义；若尺寸太大，虽然晶棒已切割的部分会浸入切割液中，但切割液对晶片的稳固作用有限，较难实现超薄晶片的切割。
8.其中，所述步骤a)中，双组份环氧树脂胶粘剂由a组分和b组分按照1-4：1混合而成，其中a组分由50-80%的环氧树脂、5%-13%的聚硫橡胶、5%-13%的聚酰胺树脂、10-24%的填料组成；b组分由90-96%的改性胺、4-10%的促进剂组成。
9.其中，双组份环氧树脂胶粘剂中，聚硫橡胶的作用是提高冲击强度和抗剥性能，聚酰胺树脂的作用是提高粘结能力，使得改性环氧树脂胶粘剂能够牢固粘结晶棒和树脂模具，避免晶棒在切割过程中的移动，提高切割稳定性。
10.其中，所述步骤b)中，切割液由质量分数为3-8%的聚乙烯醇、20-35%的聚乙二醇、5-10%的十二烷基硫酸钠、0-0.05%的钼酸钠、0-0.05%的聚硅氧烷消泡剂、47-72%的水组成。
11.其中，所述步骤c)中，储液槽位于切割机上的金刚石切割线下方，同时也位于切割机的槽轮之间，可通过改变切割机的槽轮个数和位置，可安置不同深度的储液槽。
12.作为一种优选，切割液由质量分数为4-6%的聚乙烯醇、24-33%的聚乙二醇、7-9%的十二烷基硫酸钠、0.02-0.05%的钼酸钠、0.02-0.05%的聚硅氧烷消泡剂、52-64%水组成。
13.作为一种优选，所述步骤c)中，切割机上的金刚石切割线线径为200-300um，将晶棒以0.25-0.4mm/min速度下降，启动切割机，金刚石切割线往返运行速度为800-1000mm/min。
14.作为一种优选，所述步骤d)中，当切割液液面与储液槽槽口的垂直距离小于1.5cm时，打开储液槽排液口，使切割液以80-120l/min的流速排出，最终保持切割液液面与储液槽槽口的垂直距离为1.5-3cm。
15.其中，所述步骤d)中，随着晶棒切割不断进行，已切割的晶片会不断下降至储液槽
的液体中，此时，由于切割液具有渗透性，液体会渗透进晶片间隙中，减小晶片震动。
16.有益效果：1、传统的金刚线切割获得的蓝宝石晶片厚度一般为600-800μm，但本发明采用的切割方法可以获得高品质的超薄蓝宝石晶片，晶片厚度可达到300-400μm，且晶片翘曲度小、表面平坦度高、碎片率低。
17.2、在切割过程中，随着晶棒的下降，已切割的片状部分会浸入储液槽的切割液中，一方面，在切割液的渗透作用下，切割液会渗透进片间间隙中，且切割液中加入了聚乙烯醇，使得切割液具有一定的粘性，故可对晶片产生稳定作用，减小晶片在切割过程中的震动，尤其是在晶棒的切割末期，液体对晶片的稳定作用更加明显，能有效避免晶片的碎裂；另一方面，由于蓝宝石晶体具有较好的导热特性，已浸入切割液的片状部分会将热量传导进切割液中，有利于晶片散热。
18.3、考虑到切割液具有一定的粘性，流动性比传统蓝宝石晶体的水溶性切割液低，因此在切割液中加入了具有沉降作用的钼酸钠，有利于切削粉末的沉降，防止其堆积在已切割的晶片之间，造成晶片弯曲。
19.4、晶棒切割至末端时，整个晶棒的大部分区域已成为薄片状，仅有小部分固定在工作台上，故此时晶棒的切割十分不稳固，由于晶片厚度较小，也容易产生晶片断裂的风险。本发明中，将晶棒的上部粘结在方形树脂模具内，使得在晶棒切割末期时，对晶棒剩余未切割部分的稳定性增强，尤其在超薄晶片的切割过程中，避免其在切割线的作用下产生晃动，降低晶片断裂风险；同时，晶棒切割末期的切割面积相对恒定，相对于晶棒切割而言，切割速度相对稳定，降低由切割速度的不断调节引起的晶片翘曲现象，整体而言，有利于切割得到高品质的超薄蓝宝石晶片。
20.5、储液槽位于切割机的槽轮之间，可通过改变切割机的槽轮个数和位置，增加可容纳的储液槽体积，以使得不同尺寸的晶棒均可适用于本切割装置。
附图说明
21.图1方形树脂模具的横截面示意图；图2为本发明切割示意图；其中，1-晶棒，2-方形树脂模具，3-树脂条，4-切割液管路，5-储液槽，6-切割线，7-切割液，8-排液口，9-槽轮；图3为实施例1的切割机槽轮示意图；图4为实施例2的切割机槽轮示意图。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
23.实施例1：a)晶棒直径为4英寸，采用双组份环氧树脂胶粘剂将晶棒1紧固粘结在方形树脂模具2内（见图1），同时采用双组份环氧树脂胶粘剂在树脂模具上方粘结树脂条3，然后将树脂条固定在工作台上，以实现晶棒的固定，其中，双组份环氧树脂胶粘剂由a组分和b组分按照3：1混合而成，其中a组分由70%的环氧树脂、7%的聚硫橡胶、7%的聚酰胺树脂、16%的填料组
成；b组分由95%的改性胺、5%的促进剂组成；b)打开晶棒两侧切割液管路4，以42l/min的流速流出切割液，切割液流经切割线后下落至储液槽5中，此时储液槽的排液口8处于关闭状态，切割液由质量分数为7%的聚乙烯醇、25%的聚乙二醇、5%的十二烷基硫酸钠、0.03%的钼酸钠、0.02%的聚硅氧烷消泡剂、62.95%的水组成；c)切割示意图见图2，切割机上的金刚石切割线6与储液槽槽口的垂直距离为1.5cm，切割机的槽轮间距为500um，切割机槽轮9的位置如图3所示，将晶棒以0.25-0.4mm/min速度下降，启动切割机，金刚石切割线往返运行速度为800-1000mm/min；d)在切割过程中，切割液不断下落至储液槽中，且随着晶棒不断下降至液体中，储液槽中的切割液7液面会不断升高，为防止液体溢出，当切割液液面与储液槽槽口的垂直距离小于1.5cm时，打开储液槽排液口8，使切割液排出，其排出的流速需要大于储液槽中流入切割液的流速，排出流速为87-95l/min，最终保持切割液液面与储液槽槽口的垂直距离为1.5-3cm；e)晶棒切割结束后，将晶片放入含有脱胶剂的溶液中进行脱胶处理，使晶片脱离模具，最终获得的晶片厚度为300-400um。
24.实施例2a)晶棒直径为6英寸，采用双组份环氧树脂胶粘剂将晶棒1紧固粘结在方形树脂模具2内（见图1），同时采用双组份环氧树脂胶粘剂在树脂模具上方粘结树脂条3，然后将树脂条固定在工作台上，以实现晶棒的固定，其中，双组份环氧树脂胶粘剂由a组分和b组分按照4：1混合而成，其中a组分由70%的环氧树脂、7%的聚硫橡胶、7%的聚酰胺树脂、16%的填料组成；b组分由95%的改性胺、5%的促进剂组成；b)打开晶棒两侧的切割液管路4，以46l/min的流速流出切割液，切割液流经切割线后下落至储液槽5中，此时储液槽的排液口8处于关闭状态，切割液由质量分数为4%的聚乙烯醇、28%的聚乙二醇、5%的十二烷基硫酸钠、0.05%的钼酸钠、0.05%的聚硅氧烷消泡剂、62.9%水组成；c)切割示意图见图2，切割机上的金刚石切割线6与储液槽槽口的垂直距离为2cm，切割机的槽轮间距为500um，切割机的槽轮位置如图4所示，将晶棒以0.2-0.5mm/min速度下降，启动切割机，金刚石切割线往返运行速度为700-1200mm/min；d)在切割过程中，切割液不断下落至储液槽中，且随着晶棒不断下降至液体中，储液槽中的切割液7液面会不断升高，为防止液体溢出，当切割液液面与储液槽槽口的垂直距离小于1.5cm时，打开储液槽排液口8，使切割液排出，其排出的流速需要大于储液槽中流入切割液的流速，排出流速为100-105l/min，最终保持切割液液面与储液槽槽口的垂直距离为1.5-3cm；e)晶棒切割结束后，将晶片放入含有脱胶剂的溶液中进行脱胶处理，使晶片脱离模具，最终获得的晶片厚度为300-400um。
25.在实施例1和实施例2中，采用本发明方法切割得到的晶片，可以获得高品质的超薄蓝宝石晶片，晶片厚度可达到300-400μm，且晶片线痕少、翘曲小、表面平坦度高、碎片率低；另外，实施例1切割的是4英寸晶棒，尺寸小，可采用图3所示槽轮结构，实施例2切割的是6英寸晶棒，尺寸相对较大，可采用图4所示槽轮结构，说明本发明方法可适用于不同尺寸晶
体的切割。
26.对比例1a)同实施例1；b)打开晶棒两侧的切割液管路，以42l/min的流速流出切割液，切割液由质量分数为7%的聚乙烯醇、25%的聚乙二醇、5%的十二烷基硫酸钠、0.03%的钼酸钠、00.02%的聚硅氧烷消泡剂、62.95%的水组成；c)切割机的槽轮间距为500um，切割机的槽轮位置如图3所示，将晶棒以0.25-0.4mm/min速度下降，启动切割机，金刚石切割线往返运行速度为800-1000mm/min；d)晶棒切割结束后，将晶片放入含有脱胶剂的溶液中进行脱胶处理，使晶片脱离模具，最终获得的晶片厚度为300-400um。
27.采用该方法获得的晶片，碎片率较高，晶片翘曲大，这是因为，晶片的切割厚度较薄，随着切割不断进行，与实施例1相比，已切割的晶片部分没有受到切割液的稳固作用，使得晶片易随着切割震动而碎裂，同时，已切割的晶片部分没有浸润在切割液中，无法起到散热的作用，使得晶片热应力大，晶片翘曲程度大，且易碎裂。
28.对比例2a)同实施例1；b)打开晶棒两侧的切割液管路，以42l/min的流速流出切割液，切割液流经切割线后下落至储液槽中，此时储液槽的排液口处于关闭状态，切割液由质量分数为12%的聚乙烯醇、40%聚乙二醇、5%十二烷基硫酸钠、0.05%的钼酸钠、0.05%的聚硅氧烷消泡剂、42.9%水组成；c)同实施例1；d)同实施例1；e)同实施例1。
29.采用该方法获得的晶片，晶片翘曲大，表面平坦度低，这是因为，切割液不在本发明的优选范围内，其粘度过大，流动性差，容易产生切割液和切割粉末的堆积，导致晶片翘曲大，表面平坦度低。
30.对比例3a)同实施例1；b)打开晶棒两侧的切割液管路，以42l/min的流速流出切割液，切割液流经切割线后下落至储液槽中，此时储液槽的排液口处于关闭状态，切割液由质量分数为30%聚乙二醇、5%十二烷基硫酸钠、0.05%的钼酸钠、0.05%的聚硅氧烷消泡剂、64.9%水组成；c)同实施例1；d)同实施例1；e)同实施例1。
31.采用该方法获得的晶片，晶片碎片率高，这是因为，切割液不在本发明的优选范围内，相对于实施例1，切割液缺少粘性，使得切割液渗透进已切割的晶片之间后，对晶片没有黏附作用，无法起到稳定晶片的作用，容易产生碎片。
32.对比例4a)采用双组份环氧树脂胶粘剂将直径为4英寸的晶棒上方黏贴树脂条，然后将树
脂条固定在工作台上，以实现晶棒的固定，双组份环氧树脂胶粘剂由a组分和b组分按照3：1混合而成，其中a组分由70%的环氧树脂、7%的聚硫橡胶、7%的聚酰胺树脂、16%的填料组成；b组分由95%的改性胺、5%的促进剂组成；b)同实施例1；c)同实施例1；d)同实施例1；e)同实施例1。
33.采用该方法获得的晶片，晶片碎片率高，表面平坦度低，这是因为，与实施例1相比，没有使用方形树脂模具固定晶棒，使得晶棒在切割末期，容易晃动，切割不稳定，产生碎裂，表面平坦度低。
34.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。