[发明专利]一种碳化硅晶片单向三层双向六级台阶切割工艺

说明书

本发明公开了一种阶梯式激光切割碳化硅晶片的方法，通过上面在碳化硅晶锭厚度方向的对称位置第1次切割至最深位置；随后在左边和右边同样地进行3次切割到与第1次相同深度，从而建立起一个相对平缓的多次水射流宽度的面，这个面作为避免水柱干扰的第二深度切割的起始面；在中心对称线的左侧采用相同的喷口进行第2层首次切割到其最深深度；随后在厚度对称轴线的右侧进行2次切割，并达到与第2层首次切割的相同深度；进行第3层首次切割，以达到碳化硅晶锭半径以上深度。本发明通过台阶法切割实现单晶碳化硅晶锭的高深度切割，实现了高效率、高质量、低成本、低损伤、高出品率制备SiC单晶衬底，具有推广应用的价值。

技术领域

本发明涉及碳化硅晶片切割工艺领域，尤其涉及一种碳化硅晶片单向三层双向六级台阶切割工艺。

背景技术

SiC单晶作为一种典型的硬脆材料，其莫氏硬度为9.2～9.5，仅次于金刚石，这使得SiC单晶衬底的加工制造过程更加困难。目前SiC单晶衬底的制造过程可分成切割→粗研→细研→抛光几个阶段。切割作为制造SiC单晶衬底首要关键的工序，其加工质量直接影响到后续工序的材料去除量，最终加工质量(表面粗糙度和平整度)，产品出品率及加工成本等。随着晶体生长技术的发展和市场的需求，大直径SiC单晶衬底的需求量也越来越大，目前SiC单晶衬底正由6英寸向8英寸过渡，这对传统的晶片切割技术带来了严峻的挑战，如何高效率、高质量、低成本、低损伤、高出品率制备SiC单晶衬底，已成为当前碳化硅单晶衬底加工领域重要的研究方向。

目前单晶碳化硅切割多采用固结金刚石磨粒线锯切割法。用电镀、钎焊、树脂硬化或烧结等方法把金刚石磨粒均匀固结在高强度不锈钢钢丝表面上来作为切割工具。采用复合电镀方法固结金刚石磨粒制成的线锯具备较高的耐热性与耐磨性，具有切缝窄、锯切晶面微裂纹少和环境污染小等优点。但由于碳化硅单晶的莫氏硬度很高，其断裂韧性极低且其临界切削深度极小(纳米级)，要使锯切的晶片具有较高的表面质量，应在小于SiC单晶临界切削深度下实现SiC的塑性域切割。传统金刚石线锯切割SiC单晶的研究表明，即使在极小的进给速度下，SiC的材料去除模式也是脆性断裂和塑性去除的混合模式。而脆性断裂模式则是通过硬脆材料内部微裂纹的萌生、蔓延、传播扩展和交叉来实现的，因此传统线锯加工方法很容易使SiC单晶衬底的表面产生微观裂纹和使亚表面出现损伤层,这将极大影响SiC单晶衬底的表面和亚表面质量。另一方面，用普通固结金刚石线锯切割大尺寸、超薄SiC晶片时，因切割的锯缝较长，冷却液难以进入切割区，使切割区域温度升高，这不但造成晶片表面由于高温而出现相变层，同时较长的锯缝使切屑排出困难，剥落的切屑和磨粒对SiC晶片造成二次划伤，又直接影响SiC单晶衬底的切割质量。因此，采用单一加工模式切割硬脆材料在很多方面已难以满足需要，如何提高SiC等硬脆材料的加工效率和精度，探索有效的加工新方法已经成为迫切需要解决的问题。

激光微水射流(laser MicroJet，LMJ)是细水射流引导激光实现加工的先进技术，也叫激光微水射流加工技术。该技术将激光束聚焦后耦合进高速的水射流，由于水和空气的折射率不同，激光在水束内表面发生全反射，集中的激光能量被限制在水束中。加工时，聚焦到喷嘴位置的激光束在微细的水柱内壁形成全反射后生成截面能量均匀分布的能量束而被引导至工件表面实现工件加工。现已在航空发动机热端部件制造、航空器CFRP结构件加工、天然金刚石切割、大规模集成电路晶片切割等行业明确为行业领先的解决方案。

激光微水射流相比传统激光加工技术具有的优势包括：(1)无需对焦。非片面加工无问题，可进行3D切削，加工深度可深达几厘米；(2)微水射流保持平行水射流中的激光束完全平行，柱形激光束实现平行切边，确保高质量加工壁和切边；(3)大长宽比，可实现30μm以下切边宽度，可以最小的材料损失钻更深的孔；(4)水射流的冷却作用避免热损伤和材料变化从而维持设计的疲劳强度；(5)水膜消除了加工废料粒子的堆积和污染，无需加工表面的保护层；(6)水射流的高动能驱散融化废料粒子，避免毛刺，清洁高质量的的形成加工面，如图1和2所示。