[发明专利]一种超硬晶体的切割方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超硬晶体的切割方法，属于晶体材料加工技术领域。

背景技术

以蓝宝石、碳化硅和镁铝尖晶石为代表的超硬晶体是第三代半导体材料GaN和ZnO外延薄膜最常用的衬底材料，在固体照明、微电子器件、航空航天等领域应用十分广泛。但是这些晶体硬度高，生长成本高，加工困难，因而研发成本低，效率高的晶体切割方法十分必要。

生长出高质量的晶体后，要将晶体切割成晶片，经过粗磨和抛光加工，制备成表面缺陷、损伤少和粗糙度小的合格衬底，然后在其表面外延生长GaN和ZnO薄膜，制备高质量的半导体器件。晶体切割表面的质量好坏直接影响到后续磨抛质量，进而影响到外延薄膜的质量，最终影响半导体器件的性能。所以切割过程中必须达到后续工序对晶体表面平整度和平行度的要求，尽量减少晶片的表面损伤。晶体切片是衬底加工过程中的一个重要步骤，这一工序决定了晶片在以后的磨抛加工中翘曲度的大小，晶片厚度是否精确对磨抛效率有决定性的影响。此外，蓝宝石、碳化硅和镁铝尖晶石等超硬晶体生长成本高，价格昂贵，因而切割过程中提高切割效率和晶体利用率，减少切割损失是非常必要的。晶体切割的常用方法包括内、外圆切割法和线切割法。内、外圆切割法使用刀口边缘镶有金刚石颗粒的金属圆片来切割晶体，切割得到的晶体尺寸精度不高，平整度较差，不能连续切割，工作效率较低。此外，内、外圆切割晶片的厚度不能太薄，否则容易造成晶体开裂，造成晶体的浪费。线切割起初用来切割导电金属，其原理是利用电极丝和待切金属之间进行脉冲放电产生的高温使金属熔化，从而达到切割的目的。而晶体一般不是导体，所以切割过程中通常采用铜线加钻石微粉或直接使用外层镀有钻石颗粒的铜线，利用金刚石与切割铜线的高速往复运动，实现对晶体的切割。由于钻石微粉和外层镀有钻石颗粒的铜线的价格较高，因而切割成本也较高。

发明内容

本发明针对现有线切割超硬晶体成本较高的缺点，采用一种新型切割泥浆和相应的切割工艺，降低钻石微粉的使用量，配合合适的切割参数，得到切割翘曲度小，厚度均匀的晶片。

本发明的技术解决方案是：

采用线切割方法，使用钻石微粉、碳化硼和橄榄油混合配制的切割泥浆，利用切割铜线和切割泥浆的高速往复运动，实现对超硬晶体的切割。具体切割步骤如下：

①调整线切割机处于水平状态，将切割铜线装到绕线轮上，然后通过张紧轮和导线轮，调整到绕线轮、张紧轮和导线轮上的铜线处于同一平面上，使铜线上的张力均匀分布；

②根据待切割晶体的实际情况，配制钻石微粉、碳化硼和橄榄油切割泥浆，其中每升橄榄油中钻石微粉和碳化硼的比例在n:1范围内(n＝2～6，重量比)。

③安装待切割的超硬晶体：调整好晶体的切割方向，将待切割的晶体粘接在专用底座上，然后将底座固定在工作台上；

④确定切割参数：包括工作轮转速，送线速度，切割速度，摇摆的角度和频率等参数；

⑤按预设的参数切割晶体，直至切割完毕。

在切割前，根据待切晶体的实际情况调整每升橄榄油中钻石微粉和碳化硼的比例，配制合适浓度和粘度的切割泥浆，选择合适的切割参数。利用该方法切割得到的晶体的厚度最小可以达到250μm，翘曲度小于30μm，厚度不均匀度小于15μm。与现有的线切割超硬晶体的方法相比，该方法具有以下优点：

1.可以实现对超硬晶体的连续切割；

2.切割过程中钻石微粉的使用大幅度降低，极大地降低了切割成本；

3.切割得到的晶片翘曲度小，厚度均匀，为后续加工提供了方便；

4.切割工艺简单，操作方便，精度高。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：3英寸蓝宝石晶体的切割

使用美国生产的TRS440线切割机，利用切割铜线和切割泥浆的高速往复运动，实现对直径为3英寸，蓝宝石晶体的切割。具体步骤如下：

①调整线切割机处于水平状态，将铜切割线装到绕线轮上，然后通过张紧轮和导线轮，调整到绕线轮、张紧轮和导线轮上的铜线处于同一平面上，使铜线上的张力均匀分布；

②切割泥浆按(200克拉钻石微粉+50克拉碳化硼即4:1)/每升橄榄油配制；

③安装待切割的蓝宝石晶体，调整好晶体的切割方向，将晶体粘在专用底座上，然后将底座固定在工作台上；

④确定切割参数：工作轮的转速采用最大工作轮转速的80％，送线速度35m/min，切割速度3.5mm/h，摇摆的角度±4°，频率3600°/min；

⑤按预设的参数切割晶体，直至切割完毕。