[发明专利]一种利用金刚石线切割大直径碳化硅单晶的方法和设备

说明书

技术领域

本发明属于晶体材料加工领域，具体涉及利用金刚石线高效切割大直径碳化硅单晶的方法和设备。

背景技术

碳化硅（SiC）半导体材料是自第一代半导体材料Si和第二代化合物半导体材料GaAs、GaP、InP等之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。SiC材料的主要特点包括宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力，许多国家相继投入了大量的资金对SiC进行了广泛深入的研究，并已在SiC晶体生长技术、关键器件工艺、光电器件开发、SiC集成电路制造等方面取得了突破，满足了现代电子器件对抗辐射、抗腐蚀等恶劣环境提出的新要求。

SiC的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，且化学稳定性好，常温下几乎不与其他物质反应，因此其加工难度很大。实现切割损耗小、并且切割出厚度均匀、翘曲度小的高质量SiC晶片是目前面临的重要技术难点。SiC单晶常见的切割方法有外圆切割、内圆切割及金刚石单线切割。对于外圆切割，其存在的主要问题是锯片刚性差，刀片薄且径向承受晶体压力，容易产生变形和侧向摆动，使晶体材料损耗大，晶面不平整；此外，外圆切割深度又受到锯片直径限制，一般不超过直径的三分之一。因此，外圆切割主要用于对晶向偏转大的长晶体进行定向切割和大尺寸材料整形切割。对于内圆切割，其切割出的晶片表面损伤层较大，刀口宽、材料损失大，并且每次只能切割一片，生产效率较低。金刚石单线切割机虽然克服了以上切割的绝大多数缺点，但像内圆切割机一样每次只切割一片，因此现有的切割工艺和设备均不能满足高效率生产的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足和空白，本发明的发明人提供了一种操作方便、金刚石线高效切割大直径单晶的方法，本方法利用多线切割机，采用直径为120μm至400μm、外层镀有金刚石颗粒的金刚石切割线，利用金刚石切割线的多线往复式高速切割运动，实现大直径SiC单晶的多片切割，切出的SiC晶片表面粗糙度、弯曲度（Bow）和总厚度变化（TTV）小，每次可以切割多块目标晶体，而且切割晶体时速率快、耗时少，从而实现了碳化硅晶片的高效切割。

本发明的具体技术方案如下：

（1）绕线：将金刚石切割线绕到槽轮上，形成张力均匀的环形线网；

（2）安装待切割SiC晶体：将待切割大直径SiC单晶棒固定在碳化硅晶棒固定装置上；

（3）设定工艺参数：设定切割线运行速度、切割张力、进刀速度；

（4）切割：开始切割晶棒，直到切割完毕；

（5）程序结束，取片。

其中步骤（2）中所述的大直径SiC单晶体直径为2英寸至6英寸的晶棒，晶型为4H或6H；其中为了满足大多数半导体材料器件制备的需要，一般选择的晶棒截面为圆形，也可选用其他截面形状的晶棒；

步骤（3）中所述的切割线运行速度为300～1500m/min，优选的，切割线运行速度为500～1200m/min；也就是收线轮每分钟收线的长度，速度过高或过低都会对最终的切割效果有不利的影响，也不利于金刚石切割线的使用，具体原因如下：

主要是考虑到由于SiC硬度大，过低的线运行速度无法实现SiC晶棒切割；当切割线运行速度过快（大于1500m/min）时，则会造成切割断线和晶片破碎的几率提高，综合上述两方面原因，选取300～1500m/min的切割线运行速度。但是，尽管切割线运行速度为300m/min时能够实现SiC晶棒切割，但效率较低；切割线运行速度为1500m/min时切割效率高，但在这样的速度下断线、晶片破碎的几率仍然较高。在保证切割效率和切割合格率的情况下，优选速度为500～1200m/min。

对于现有的单线切割而言，其切割方式是采用一根切割线在固定的切割位置往复运动，相对控制简单，而本发明所采用的多线切割实际上是采用一根金刚石切割线在多个槽轮上绕成的线网在同一晶体棒的多个待切割晶片之间运动，相对于单线切割而言，对于线运行的稳定性要求更高，难度更大，需要更加精确的参数设置。此外，多线切割在500～1200m/min的优选速度内，切出晶片厚度的均匀性、晶片参数的一致性均高于单线切割，且生产效率明显高于单线切割，因此适合大规模生产。

所述的更加精确的参数设置，主要还指的是：

所述的切割张力为20～70N，优选的，切割张力为30～50N；