一種新型切割裝置及工藝研究

吳學(xué)賓 符瑤 趙雷

摘? 要：傳統(tǒng)切割工藝存在很多缺陷，文章介紹一種新型在線調(diào)晶檢測切割裝置及工藝，可以提高晶片的晶向精度、切片質(zhì)量和成品率。通過碳化硅和碲鋅鎘晶體的切割比較新型切割裝置及工藝相比較于傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)勢，以及對未來材料加工的展望。

關(guān)鍵詞：切割工藝;晶向調(diào)節(jié);晶向檢測

中圖分類號(hào)：TG48? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0114-02

Abstract： There are many defects in the traditional cutting process. This paper introduces a new type of on-line crystal adjustment detection and cutting device and process， which can improve the crystal direction accuracy， slice quality and yield of the wafer. Through the cutting of silicon carbide and cadmium zinc telluride crystals， the advantages of the new cutting device and process compared with the traditional cutting process， as well as the prospect of material processing in the future.

Keywords： cutting process; crystal direction adjustment; crystal direction detection

1 概述

隨著科技的不斷進(jìn)步，各種人工晶體材料也隨之迅速發(fā)展，而晶體的切割是材料的表征和應(yīng)用過程中一道重要的加工工序，而且對材料切割的質(zhì)量和精度要求以及高智能、高效率、低成本的要求也在不斷增加。

現(xiàn)在的人工晶體材料絕大部分在切割過程中都會(huì)有晶向要求，由于材料的各項(xiàng)特性以及人們對各種材料的使用有不同的晶向精度要求，且在切割過程中不同的晶面具有不同的硬度、彈性模量以及斷裂強(qiáng)度，切割出來的厚度差、彎曲度、翹曲度和表面粗糙度也有很大差別，因此在切割前需要對晶體進(jìn)行定向之后再進(jìn)行切割。

2 傳統(tǒng)切割工藝

對有晶向要求的晶體傳統(tǒng)的切割工藝基本可以分為兩類，即：先定向再切割和邊定向邊切割。

目前絕大部分的晶體都采用先定向再切割的方式，如藍(lán)寶石、碳化硅和鍺單晶等。這種切割方式是先將料板固定在定向儀上，料板上放置待切割晶體，然后對晶體進(jìn)行定向，定向完畢后保持晶體與料板的相對位置關(guān)系進(jìn)行粘接。待粘接膠凝固硬化之后將料板固定到切割設(shè)備上進(jìn)行切割。此種方式由于存在料板的二次裝夾，故在裝夾中會(huì)出現(xiàn)由于零部件精度和操作因素引起的晶體位置發(fā)生微小變化，且在粘接過程中隨著膠的凝固可能會(huì)出現(xiàn)晶體位置相對于料板發(fā)生相對位置變化，從而引起切割晶向不準(zhǔn)確。

邊切割邊定向的晶體主要為碲鋅鎘材料。這種材料在切割前都能根據(jù)外表的紋路先切出一個(gè)接近于所需晶向切割面，然后將其粘接在料板上固定在單片切割設(shè)備（如內(nèi)圓切片機(jī)、單線切割機(jī)）上切一個(gè)單片。將切割好的晶片進(jìn)行表面處理之后在定向儀上進(jìn)行晶向測量，根據(jù)檢測值與需求值的差異來調(diào)整切割設(shè)備上的晶向調(diào)整裝置，隨后再次進(jìn)行單片切割。如此往復(fù)，直到測量的精度達(dá)到使用要求才能進(jìn)行后續(xù)批量連續(xù)切割。整個(gè)切割過程繁瑣，加之人為操作水平等因素，不同晶棒所切的晶片晶向精確度一致性差，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，切割效率低下。

3 新型切割工藝

由于前面兩種傳統(tǒng)切割工藝存在的各種缺陷與不足，我們在對切割裝置和材料不斷的深入研究中發(fā)明了一種新型的在線調(diào)晶檢測切割裝置和與之相匹配的切割工藝，即將檢測機(jī)構(gòu)集成到切割設(shè)備上，先將晶體固定在切割設(shè)備上，然后進(jìn)行晶向調(diào)整，再進(jìn)行切割。

此種切割工藝首先要對檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，即確定檢測機(jī)構(gòu)與切割設(shè)備的位置關(guān)系，如圖1所示：

如圖所示，1為切割裝置，2為調(diào)晶機(jī)構(gòu)，3為檢測機(jī)構(gòu)，4為標(biāo)準(zhǔn)樣片。

校準(zhǔn)步驟如下：

（1）將調(diào)晶機(jī)構(gòu)俯仰方向和旋轉(zhuǎn)方向都?xì)w到零位。

（2）將玻璃粘接到料板上切出一個(gè)切割面。

（3）將待切割晶體的標(biāo)準(zhǔn)樣片緊密貼到切割面上。

（4）調(diào)整檢測機(jī)構(gòu)的位置，使得晶向檢測機(jī)構(gòu)在俯仰方向和旋轉(zhuǎn)方向的電流表都達(dá)到峰值。

（5）固定檢測機(jī)構(gòu)。

按照上述步驟完成裝置的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成之后就可以對晶體進(jìn)行在線調(diào)晶檢測切割，切割示意如圖2所示：

其中5為待切割晶體，其切割步驟如下：（1）將待切割晶體粘接在料板上，檢測面必須朝向設(shè)備外側(cè)以便于檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行定向。（2）調(diào)整檢測機(jī)構(gòu)對準(zhǔn)待檢測晶體的檢測面。（3）調(diào)節(jié)調(diào)晶機(jī)構(gòu)俯仰方向使得電流表達(dá)到峰值。（4）調(diào)節(jié)調(diào)晶機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)方向使得電流表達(dá)到峰值。（5）鎖緊調(diào)晶機(jī)構(gòu)。（6）進(jìn)行切割。

此種切割裝置和新的切割工藝最大的好處就是切割操作簡單，晶向精度準(zhǔn)確，切出來的材料厚度差、彎曲度、翹曲度和粗糙度等指標(biāo)與傳統(tǒng)工藝切割出來的切片相比大幅度提高，保證了切片的晶向精度，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，極大地縮短了加工周期。

下面結(jié)合具體的實(shí)例對本工藝進(jìn)行進(jìn)一步說明。

（1）以φ150×20mm碳化硅為例對比先定向粘接再切割的方式與在線調(diào)晶檢測方式切割。兩種方式都采用金剛石多線切割設(shè)備進(jìn)行擺動(dòng)式切割，各項(xiàng)檢測參數(shù)均為所有切割晶片參數(shù)的平均值，如表1所示：

從上表可以看出用相同的設(shè)備切割同樣厚度的碳化硅晶片，晶片晶向精度有了明顯的提高，由于晶向的準(zhǔn)確也使得晶片的厚度差、彎曲度、翹曲度和表面粗糙度等關(guān)鍵指標(biāo)有了很大的提高。

（2）以Φ75×100mm的碲鋅鎘晶體材料進(jìn)行兩種切割工藝對比。目前所有廠家都是采用內(nèi)圓切割機(jī)來進(jìn)行切片，即先沿著晶體表面紋路根據(jù)經(jīng)驗(yàn)切出一個(gè)定位面，然后切一個(gè)晶片進(jìn)行表面處理之后檢測，根據(jù)檢測結(jié)果與所需晶向的差值調(diào)整內(nèi)圓切割機(jī)上的調(diào)節(jié)裝置調(diào)整晶向，再切一個(gè)晶片進(jìn)行表面處理、檢測，之后再調(diào)整設(shè)備，如此反復(fù)幾次之后直到切出的樣片滿足需求，最后在進(jìn)行批量切割。根據(jù)操作工的定向切割熟練程度不同切完一根棒料一般需要8-10個(gè)小時(shí)，出片約50片左右。

新型的切割工藝可以在多線切割設(shè)備上來進(jìn)行批量的切割。首先將標(biāo)準(zhǔn)的碲鋅鎘切割樣片固定在切割位置進(jìn)行檢測機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)。再將晶體進(jìn)行首次切割，切出一個(gè)可用于晶向檢測的光滑平面，然后調(diào)整調(diào)晶機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向調(diào)整直到晶向檢測儀上的電流表達(dá)到最大值，再將晶向檢測儀的檢測頭進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，調(diào)整調(diào)經(jīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行俯仰方向調(diào)整直到晶向檢測儀上的電流表達(dá)到最大值，最后固定調(diào)晶機(jī)構(gòu)進(jìn)行切割。此種切割方式切割一根棒料大約需要3-4小時(shí)，且由于多線設(shè)備切割鋸縫小，一根棒料出片可達(dá)約60片。

綜上所述可以看出新型切割工藝在切割碲鋅鎘材料與傳統(tǒng)工藝相比可以極大地提高生產(chǎn)效率，而且可以增加出片率，這對于比較貴重的碲鋅鎘晶體來說是非常重要的。

4 結(jié)束語

隨著各種晶體的不斷深入研發(fā)與應(yīng)用，將對晶向要求越來越嚴(yán)格，使得在線調(diào)晶檢測功能的切割設(shè)備將會(huì)成為材料切割領(lǐng)域不可缺少的設(shè)備。目前在線調(diào)晶檢測的切割工藝還處于實(shí)驗(yàn)階段，具備在線調(diào)晶檢測功能的切割設(shè)備國內(nèi)外切割設(shè)備廠家也沒有生產(chǎn)和銷售，只有中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所正在對該設(shè)備進(jìn)行工藝驗(yàn)證與考核。此種切割方式還存在很多不足，如設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)后只能切割與標(biāo)準(zhǔn)樣片晶向相同的晶體，如果需要切割別的類型的晶體則需要再次用待切晶體的樣片進(jìn)行校準(zhǔn)，單臺(tái)設(shè)備不適合多種類晶體切割。但是，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，將來我們還將持續(xù)深入研發(fā)全自動(dòng)在線調(diào)晶檢測設(shè)備以及多角度檢測裝置來滿足切割領(lǐng)域不斷提出的新的切割要求。

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