SiC單晶片的微弧放電微細切割裝置及切割方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非良導(dǎo)體加工方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種SiC單晶片的微弧放電微 細切割裝置，本發(fā)明還涉及SiC單晶片的微弧放電微細切割方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著技術(shù)的發(fā)展，SiC作為第三代半導(dǎo)體材料在功率器件和IC行業(yè)的應(yīng)用越來越 廣泛。在其大直徑生長過程突破后，其晶片的制造過程成為人們關(guān)注的焦點。由于高硬度 和脆性，使得SiC單晶片的切割、研磨和拋光成為器件制造過程的瓶頸，尤其是切割過程， 占據(jù)了整個晶片制造工作量的50%左右。切割后的晶片表面質(zhì)量對后續(xù)的研磨和拋光工作 以及晶片作為功率器件襯底的使用壽命具有重要影響。目前SiC單晶的切片主要采用固結(jié) 金剛石磨粒的線鋸進行切割，線鋸表面的磨粒和SiC單晶表面通過擠壓、摩擦使得材料發(fā) 生脆性斷裂去除，該方法存在以下問題：
[0003] 1.線鋸和SiC單晶屬于接觸式切割，在切割力的作用下，晶片發(fā)生變形和翹曲， TTV(total thickness variation)較大，當(dāng)SiC單晶旋轉(zhuǎn)時，切割后的晶片表面呈鼓形；
[0004] 2.由于金剛石磨粒是通過電鍍方法附著在不銹鋼線鋸表面，在接觸性切割時，磨 粒的伸出高度不等，造成切割后的晶片表面出現(xiàn)大量線鋸劃痕，使得晶片表面的粗糙度值 提尚；
[0005] 3.切割過程中，在線鋸和SiC作用下，磨粒與SiC單晶棒的接觸、摩擦和擠壓導(dǎo)致 磨粒磨損和脫落，使得線鋸切割能力下降，也會進一步導(dǎo)致晶片變形成鼓形；
[0006] 4.固結(jié)磨粒金剛石線鋸表面鍍上金剛石顆粒，作為刀具有一定的強度，承受一定 的張力，其直徑不可能太小，一般從〇. 2-0. 5_，切割過程中由于機床本身的因素，因此SiC 單晶的切縫在〇. 25-0. 3_，這就造成了珍貴材料的浪費。
[0007] 由于接觸式加工存在的諸多問題，有學(xué)者嘗試采用特種加工方法一一通過電火花 放電加工SiC，其切割效率比金剛石線鋸切割高10倍左右，但對晶片表面和亞表面造成了 燒傷，使得后續(xù)的研磨和拋光工作量加大，同時還造成了珍貴材料的更多浪費。
[0008] 也有學(xué)者采用等離子體方法進行SiC單晶的拋光，由于材料是通過等離子體中的 氧化性離子與電場作用下的SiC單晶棒表面活性原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被去除，因此去除尺度 處在原子級，無表面熱燒傷和化學(xué)損傷，可以獲得較低的表面粗糙度，但該方法材料去除率 非常低，因而不適用于切片過程。
[0009] 因此尋找具有較高的材料去除率，同時SiC單晶棒表面粗糙度和TTV等較小的SiC 單晶切片方法成為該材料加工的趨勢。圖2為氣體放電伏安特性曲線，傳統(tǒng)的等離子體加 工，將等離子體強度控制在正常輝光放電區(qū)與異常輝光區(qū)的交界處（圖2中的F區(qū)），氣體 分子的離化率很低（10%左右），MRR(Material Removal Rate，材料去除率）十分有限。如 果將異常輝光放電調(diào)整到最接近于dV/dl - 0的狀態(tài)（圖2中G區(qū)左側(cè)），氣體電離后的離 化率可達70%左右，即形成微弧等離子體，利用微弧產(chǎn)生的等離子體實現(xiàn)SiC單晶的切割 過程，保持材料的去除過程在微納米級（屬于微細切割），同時獲得非接觸式加工無表面翹 曲和表面損傷、TTV低的優(yōu)點，還可保持比等離子加工高的MRR。而G區(qū)右側(cè)盡管氣體的離 化率理論上可達100%，但由于伏安特性已處于弧光放電區(qū)，易對陽極SiC單晶表面產(chǎn)生燒 損，應(yīng)避免用于精密半導(dǎo)體材料的加工。
[0010] 由于受制于瞬間超大功率脈沖電控技術(shù)的發(fā)展極限，長期以來70%微弧放電體G 區(qū)附近的異常輝光放電區(qū)域一直沒有利用起來，從目前的文獻檢索情況來看，微弧放電體 還沒有用于SiC等非良導(dǎo)電超硬脆材料切割的先例。近年來，隨著快速開斷器件工業(yè)的發(fā) 展，窄脈沖寬度（微秒）、大脈沖電流強度（瞬時電流強度大于102A)電控技術(shù)的不斷突破， 使得氣固界面的等離子體強度既可無限逼近異常輝光放電區(qū)的微弧放電產(chǎn)生區(qū)dV/dl - 0 狀態(tài)，又可避免進入G-H區(qū)的電弧等離子區(qū)域，為非弧狀微弧放電體的應(yīng)用奠定了設(shè)備基 礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種SiC單晶片的微弧放電微細切割裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)切 割出的SiC單晶片會發(fā)生翹曲變形且表面粗糙度較高的問題。
[0012] 本發(fā)明的另一個目的是提供SiC單晶片的微弧放電微細切割方法。
[0013] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：SiC單晶片的微弧放電微細切割裝置，包括床身、導(dǎo) 管和脈沖電源箱，床身上安裝有線鋸系統(tǒng)和機床工作臺，機床工作臺上安裝有SiC單晶棒， 導(dǎo)管的一端通過液壓栗與電解液箱連接，導(dǎo)管的另一端位于SiC單晶棒與線鋸系統(tǒng)切割處 的上方；脈沖電源箱的正極與SiC單晶棒的一端相連，脈沖電源箱的負(fù)極與線鋸系統(tǒng)中的 線鋸相連。
[0014] 本發(fā)明的特點還在于：
[0015] 導(dǎo)管的另一端安裝有噴頭，導(dǎo)管上安裝有流量計。
[0016] 床身上表面設(shè)置有導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽與排水管的一端相連，排水管的另一端通向所 述電解液箱；電解液箱內(nèi)部設(shè)置有過濾網(wǎng)。
[0017] 本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是：
[0018] SiC單晶片的微弧放電微細切割方法，所采用的切割裝置結(jié)構(gòu)如下：包括床身、導(dǎo) 管和脈沖電源箱，床身上安裝有線鋸系統(tǒng)和機床工作臺，機床工作臺上安裝有SiC單晶棒， 導(dǎo)管的一端通過液壓栗與電解液箱連接，導(dǎo)管的另一端位于SiC單晶棒與線鋸系統(tǒng)切割處 的上方；脈沖電源箱的正極與SiC單晶棒的一端相連，脈沖電源箱的負(fù)極與線鋸系統(tǒng)中的 線鋸相連；導(dǎo)管的另一端安裝有噴頭，導(dǎo)管上安裝有流量計；床身上表面設(shè)置有導(dǎo)流槽，導(dǎo) 流槽與排水管的一端相連，排水管的另一端通向所述電解液箱；電解液箱內(nèi)部設(shè)置有過濾 網(wǎng)。
[0019] 具體按照以下步驟實施：
[0020] 步驟1、使機床工作臺運動至SiC單晶棒與線鋸之間的距離為100微米-150微米 的位置處；
[0021 ] 步驟2、在電解液箱中裝入堿性電解液，使堿性電解液經(jīng)過導(dǎo)管由噴嘴噴到線鋸和 SiC單晶棒所處切割處的上方；使旋轉(zhuǎn)軸帶動SiC單晶棒進行旋轉(zhuǎn)，并打開脈沖電源箱，在 脈沖電流電場的作用下，SiC單晶棒和線鋸之間的堿性電解液發(fā)生電解生成氧氣并形成氧 氣膜；
[0022] 步驟3、調(diào)節(jié)脈沖電源箱使步驟2中形成的氧氣膜兩端的電場強度至峰值電流 300-500A、電流脈沖寬1000 μ s-3000 μ s，SiC單晶棒表層在脈沖電場的作用下完成切割。
[0023] 本發(fā)明另一個技術(shù)方案的特點還在于：
[0024] 步驟2中所述的堿性電解液的pH值為7-9。
[0025] 步驟2中所述的脈沖電源箱14的電壓為0-700V、電壓脈沖寬度為6 μ s-18 μ s、峰 值電流為0-500Α、電流脈沖寬為1000 μ s-3000 μ s。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過微弧放電體的放電加工方法縮短了 SiC單晶片 的切割時間，提高了材料去除率，降低晶片表面粗糙度和TTV，降低了線鋸的磨損，節(jié)省珍貴 硬脆材料。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明SiC單晶片的微弧放電微細切割裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為氣體放電伏安特性曲線和技術(shù)分類電場圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明SiC單晶片的微弧放電微細切割方法的切割過程示意圖；
[0030] 圖4是圖3的A-A剖視圖。
[0031] 圖中，1.床身，2.底座，3.齒輪傳動系統(tǒng)，4.運絲托板，5.運絲筒，6.導(dǎo)輪，7.立 柱，8.上臂，9.下臂，10.線鋸，11.導(dǎo)管，12.流量計，13.支架，14.脈沖電源箱，15.上托 板，16.排水管，17.電解液箱，18.過濾網(wǎng)，19.下托板，20.液壓栗，21.等離子體，22. SiO2, 23.導(dǎo)電膠，24. SiC單晶棒，25.電解液。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述：
[0033] SiC單晶片的微弧放電微細切割裝置，如圖1所示，包括床身1、導(dǎo)管11和脈沖電 源箱14,床身1上設(shè)置有底座2和立柱7。床身1上還安裝有線鋸系統(tǒng)和機床工作臺。機 床工作臺包括安裝在床身1上的導(dǎo)軌a，導(dǎo)軌a上設(shè)置有下托板19,下托板19上連接有由 電機驅(qū)動的絲杠；下托板19上還安裝有導(dǎo)軌b，導(dǎo)軌b與導(dǎo)軌a相垂直，導(dǎo)軌b上設(shè)置有上 托板15,上托板15上連接有由電機驅(qū)動的絲杠；上托板15上還安裝有支架13,支架13上 設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸。線鋸系統(tǒng)包括設(shè)置在底座2上的運絲托板4,運絲托板4上安裝有運絲筒 5,運絲筒5的輸入軸通過齒輪傳動系統(tǒng)3與電機相連；立柱7上從上到下依次安裝有上臂 8和下臂9,上臂8上固接有配重塊，上臂8通過配重塊與立柱7相連。上臂8的兩端及下 臂9的兩端均分別安裝有導(dǎo)輪6,線鋸10的一端從運絲筒5出來后，依次經(jīng)過上臂8上的 兩個導(dǎo)輪6和下臂9上的兩個導(dǎo)輪6后又回到運絲筒5中。導(dǎo)管11的一端通過液壓栗20 與電解液箱17相連，導(dǎo)管11的另一端安裝有噴頭且位于工件的上方，導(dǎo)管上安裝有流量計 12 ;床身1上表面設(shè)置有導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽與排水管16的一端相連，排水管16的另一端通向 電解液箱17,電解液箱17內(nèi)部設(shè)置有過濾網(wǎng)18。SiC單晶棒24的一端使用工業(yè)膠與旋轉(zhuǎn) 軸相連，旋轉(zhuǎn)軸由電機帶動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，SiC單晶棒24的另一端通過導(dǎo)電膠（導(dǎo)電粘合劑）13 與脈沖電源箱14的正極連接使其成為陽極電極；線鋸10采用不銹鋼基體外面鍍銅，其與脈 沖電源箱14的負(fù)極相連作為陰極電極。
[0034] SiC單晶片的微弧放電微細切割方法，所采用的切割裝置結(jié)構(gòu)如下：包括床身1、 導(dǎo)管11和脈沖電源箱14,床身1上設(shè)置有底座2和立柱7。床身1上還安裝有線鋸系統(tǒng)和 機床工作臺。機床工作臺包括安裝在床身1上的導(dǎo)軌a，導(dǎo)軌a上設(shè)置有下托板19,下托板 19上連接有由電機驅(qū)動的絲杠；下托板19上還安裝有導(dǎo)軌b，導(dǎo)軌b與導(dǎo)軌a相垂直，導(dǎo)軌 b上設(shè)置有上托板15,上托板15上連接有由電機驅(qū)動的絲杠；上托板15上還安裝有支架 13,支架13上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸。線鋸系統(tǒng)包括設(shè)置在底座2上的運絲托板4,運絲托板4上安 裝有運絲筒5,運絲筒5的輸入軸通過齒輪傳動系統(tǒng)3與電機相連；立柱7上從上到下依次 安裝有上臂8和下臂9,上臂8上固接有配重塊，上臂8通過配重塊與立柱7相連。上臂8 的兩端及下臂9的兩端均分別安裝有導(dǎo)輪6,線鋸10的一端從運絲筒5出來后，依次經(jīng)過上 臂8上的兩個導(dǎo)輪6和下臂9上的兩個導(dǎo)輪6后又回到運絲筒5中。導(dǎo)管11的一端通過 液壓栗20與電解液箱17相連，導(dǎo)管11的另一端安裝有噴頭且位于工件的上方，導(dǎo)管上安 裝有流量計12 ;床身1上表面設(shè)置有導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽與排水管16的一端相連，排水管16的 另一端通向電解液箱17,電解液箱17內(nèi)部設(shè)置有過濾網(wǎng)18。SiC單晶棒24的一端使用工 業(yè)膠與旋轉(zhuǎn)軸相連，旋轉(zhuǎn)軸由電機帶動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，SiC單晶棒24的另一端通過導(dǎo)電膠（導(dǎo) 電粘合劑）13與脈沖電源箱14的正極連接使其成為陽極電極；線鋸10