一种减小AlN晶体加工时切割应力的方法

一种减小aln晶体加工时切割应力的方法
技术领域
1.本发明涉及氮化铝晶体生长加工领域，具体涉及一种减小aln晶体加工时切割应力的方法。


背景技术：

2.aln晶体因具有超宽的禁带宽度(6.2ev)、高热导率(3.2w
·
cm-1
k-1
)、高电阻率及高表面声速(5600-6000m/s)等优异的物理性质，目前逐渐在激光器、hemt、光电子器件和声表面波器件中得到广泛应用。目前现有技术制备的aln晶体内部容易出现缺陷，当外部应力源作用于aln晶体时，其内部可能会出现裂纹扩展，从而导致晶片开裂，难以获得较大尺寸的aln晶体。常见的外部应力源包括晶片切割时金刚石线的高速运转对切割样品带来的横向摩擦力，当金刚石线与aln晶体接触时，晶体所承受的应力最大。如果晶体的结晶质量不高，如缺陷密度较大或内部存在微小裂纹，当承受外部应力较大时，可能会造成晶片的拉裂。
3.针对上述切割应力带来的晶片破裂问题，现有技术常采用施加大量的切割液进行润滑或者增大砂浆流量的方式进行缓解，虽然切割液和砂浆的润滑能在一定程度上减小金刚石线与aln晶体之间的磨擦力，但仍不足以克服切割时的大部分应力，因此晶片受损仍是晶体切割过程中亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.针对aln晶体切割过程中，晶体与金刚石线接触时高强应力导致晶体开裂的难题，本发明提供一种减小aln晶体加工时切割应力的方法。本发明通过在晶体外侧设置缓冲层，使得金刚石线与晶体样品接触时应力经过晶体外侧缓冲层逐渐过渡到晶体，应力达到最大释放，避免了直接应力对晶体造成的损伤，能够简单有效地保护晶体，防止晶体的开裂，其中缓冲层由外向内由不同硬度的材料构成。此外，缓冲层的存在避免了切割线与晶体的直接接触，降低了断线的概率，对切割出完整的aln晶圆具有重要作用。
5.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
6.一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，包括如下步骤：
7.s1：选取竖直放置的中空圆柱体，将aln晶体置于所述中空圆柱体中心位置，所述aln晶体高度小于所述中空圆柱体高度；然后将所述中空圆柱体底部和aln晶体均通过石蜡粘接到金属板上；
8.s2：向步骤s1的中空圆柱体内灌注胶水，使胶水完全包裹晶体；胶水凝固后，将金属板底部加热，石蜡融化后金属板脱落，得到待切割样品，所述中空圆柱体的莫氏硬度比所述胶水凝固后的莫氏硬度小2-3；
9.s3：将步骤s2的待切割样品横向置于切割机上，沿纵剖面进行切割，得到边部带有缓冲层的aln晶片；
10.具体操作步骤为：
11.由上至下将所述纵剖面分为入刀区、中间区和出刀区，三者的最大高度相同，aln晶体至少位于入刀区和中间区；所述入刀区、中间区、出刀区的进给速度分别为5-6mm/h、7-8mm/h、10mm/h；
12.s4：将步骤s3的边部带有缓冲层的aln晶片进行边部修整，得到规整的aln晶圆。
13.优选的，步骤s1所述中空圆柱体的材质选自聚氯乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯；所述金属板为铁板或铜板。
14.优选的，步骤s1中，所述中空圆柱体的内径与aln晶体最大外径之间的比值为12/11-6/5。
15.优选的，步骤s2中所述胶水为粘晶棒专用胶；所述胶水凝固后莫氏硬度为5-6.5。
16.进一步优选的，步骤s2灌注胶水的具体操作为：将粘硅棒专用胶的a胶与b胶按1:1混合均匀后倒入步骤s1的中空圆柱体内，直至完全覆盖aln晶体，并使得灌注胶水后的中空圆柱体的胶水表面保持水平，然后冷却40分钟。
17.优选的，步骤s2中所述加热的温度为100-120℃，加热时间为10min。
18.优选的，步骤s2中金属板脱落后，将待切割样品中高于胶水表面的中空圆柱体削去，以免后期切割时掉料皮导致卡线。
19.优选的，步骤s3中所述切割机为金刚石线切割机。
20.本发明中，aln晶体是从上向下进行切割，切割线为直线，利用切割线与晶体之间的摩擦力进行切割。未加缓冲层时进行切割，晶圆与切割线的接触是从一个点开始，相应的应力来源也是从该点开始，因此应力极易扩散到晶体内部；设置缓冲层后，当切割到aln晶体上时，晶圆与切割线的接触是从晶体与缓冲层之间的面开始，因此应力大部分释放在胶层与晶圆的结合面处，这样会避免应力传递到晶体内部而导致晶体开裂。
21.本发明具有以下有益技术效果:
22.(1)本发明通过在aln晶体外侧设置缓冲层的方法来避免直接应力对晶体造成损伤；当切割线与晶体样品接触时产生高强应力，晶体外侧的缓冲层能够逐渐将应力释放，并将应力逐渐过渡到晶体上，能够简单有效地保护晶体，防止晶体开裂，有利于切割出完整的aln晶圆。
23.(2)本发明的方法中缓冲层的存在避免了切割线与晶体的直接接触，降低了切割线断线的概率，使得切割高效进行。
附图说明
24.图1为实施例1中聚氯乙烯管与aln晶体用石蜡粘接到铁板上的图片。
25.图2为实施例1中对聚氯乙烯管和晶体灌胶后的图片。
26.图3为实施例1中将带有缓冲层的晶体固定到切割机上的实物图。
27.图4为实施例1中切割进程中纵剖面的区域划分。
28.图5为实施例1中切割完成后的aln晶圆图片。
29.图6为对比例1中切割前的aln晶锭图片。
30.图7为对比例1中切割后导致晶体开裂的图片。
31.图8为对比例2中没有调整切割工艺前切割出的aln晶圆图片。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
33.实施例1
34.一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，包括如下步骤：
35.s1：选取最大外径为52mm、高度为10mm的圆柱状aln晶锭进行切割；并选择内径为60mm、高度为15mm、厚度为3mm的聚氯乙烯管中空圆柱体作为切割辅助件。
36.如图1所示，将聚氯乙烯管和aln晶体的底部均通过石蜡粘接到尺寸为100mm
×
100mm的铁板上，aln晶体位于聚氯乙烯管的中心。
37.s2:将粘硅棒专用胶的a胶与b胶按照1:1混合均匀后倒入聚氯乙烯管与aln晶体之间的缝隙中，直至完全覆盖住晶体顶端为止，并使胶水表面水平(如图2所示)，冷却固化40分钟；然后将铁板底部在120℃下加热10分钟，石蜡融化后，铁板自动脱落，得到待切割样品。将上述待切割样品中超出固化胶水表面的聚氯乙烯管及高于晶体部分的胶层削去，以备后续切割。
38.s3：如图3所示，将削去多余料皮的待切割样品横向置于金刚石线切割机上，沿纵剖面进行切割。如图4中所示，由上至下将所述纵剖面分为入刀区、中间区和出刀区，三者的最大高度相同，入刀区进给速度需要调整成5-6mm/h，中间区为8mm/h，出刀区为10mm/h。沿聚氯乙烯管切割面进行切割，得到由外向内依次为聚氯乙烯管、胶水、aln晶体的aln晶片，其中聚氯乙烯管和胶水构成缓冲层。
39.s4：将上述得到的aln晶片进行边部修整，即得规整的aln晶圆，如图5中所示。
40.本实施例通过在晶体外侧设置缓冲层，将线与样品接触时产生的高强应力首先释放在晶体外侧的缓冲层中，继而逐渐过渡到晶体上，来避免直接应力对晶体造成的损伤。主要通过以下几点实现本发明目的：1)如图1所示，首先用石蜡将高于晶体5-7mm的聚氯乙烯管与aln晶体粘接到铁板上，晶体位于聚氯乙烯管中心位置。2)如图2所示，石蜡凝固后进行灌胶，胶水为粘晶棒专用ab胶，也可采用其他硬度在5-6之间的固化胶，硬度较小的固化后的胶液能够将切割张力逐渐过渡到晶体上，起到缓冲作用。3)胶水凝固后，将铁片加热到120℃，石蜡熔化即可取下铁板，如图3所示，将脱掉铁板的带有缓冲层的晶体固定到切割机上，进行切割工作。4)如图4所示，增加缓冲层后的晶体纵剖面以相同高度划分为三部分，分别为入刀区、中间区、出刀区，入刀区内，由于切割线最先与缓冲层和晶体接触，进给速度不宜过快，在5-6mm/h最佳；中间区内，由于入刀区起到了过渡作用，中间区可以适当进行加速切割，但较硬的晶体部分比例较大，不宜过快，进给速度可控制在7-8mm/h范围内；出刀区中晶体所占比例较小，缓冲层比例较大，切割物体较软，可再进行加速切割，速率控制在10mm/h。
41.通过以上工艺能够显著提高切割效率，减小切割应力对晶体的直接损坏，切出的晶圆如图5所示，由图5可以看出晶圆内部几乎无裂纹，并且形状极为规整，没有出现晶片开裂或者破碎的现象。
42.通过本发明的方法能够提高aln晶体的切割质量和切割效率，采用该方法，能够将
切割应力首先释放在晶体外侧的缓冲层中，从而避免直接应力对晶体造成的损伤，能够简单有效地保护晶体，防止晶体的开裂；同时缓冲层的存在避免了切割线与晶体的直接接触，降低了断线概率，能够高效切割出完整的aln晶圆。
43.对比例1
44.一种aln晶体切割加工的方法，包括如下步骤：
45.s1：选取尺寸最大外径为52mm，高度为10mm的圆柱状aln晶锭进行切割，如图6所示。
46.s2:将晶锭通过高强度ab胶粘接到石墨块上，再将石墨块粘接到料板上。
47.s3：在晶体外层裹满一层ab胶，等待30分钟，胶自然冷却后，将料板装到切割机上。
48.s4:按照实施例1中所述方式，将所述纵剖面划分为入刀区、中间区、出刀区，入刀区进给速度需要调整成5-6mm/h，中间区为8mm/h，出刀区为10mm/h。沿纵剖面进行切割，得到aln晶片。
49.通过这种方法切割出的晶锭由于外侧保护层较薄，无法在外层形成有效的保护，在切割过程中往往会在晶体内部产生很大的应力，导致裂纹数激增，裂纹增多会导致晶体开裂，如图7所示，甚至形成不了完整规则的晶圆，切出的晶片破碎的话，即相当于此次切割过程失败。
50.对比例2
51.一种aln晶体切割的方法，包括如下步骤：
52.s1：选取尺寸直径为52mm，高度为10mm的圆柱体aln晶锭进行切割；并选择直径为60mm，高度为15mm，厚度3mm的聚氯乙烯管中空圆柱体作为切割辅助件。
53.将聚氯乙烯管和aln晶体的底端均通过石蜡粘接到尺寸为100mm
×
100mm的铁板上，aln晶体位于聚氯乙烯管的中心。
54.s2:将粘硅棒专用胶的a胶与b胶按照1:1混合均匀后倒入聚氯乙烯管与aln晶体之间的缝隙中，直至完全覆盖住晶体顶端为止，并使胶水表面水平，冷却固化40分钟；然后将铁板底部在120℃下加热10分钟，石蜡融化后，铁板自动脱落，得到待切割样品，将上述待切割样品中超出固化胶水表面的聚氯乙烯管和高于晶体部分的不规则胶层削去。
55.s3：然后将待切割样品横向置于切割机上以10mm/h的进给速度进行匀速纵切，得到的aln晶片如图8中所示。
56.通过这种方法切出的晶锭，因为晶锭裹胶后整体呈圆柱形，前期切割线与晶体相接触时应力最大，采用10mm/h的切割速度过快会导致内部裂纹扩展，加速晶体内部开裂，当切割到晶锭中部时，由于切割的直径变大，与线接触的切割面面积也变大，采用相同的较快给进速度极易导致产生线弓，线弓过大会导致切割机断线，同时晶圆表面也会产生大量的波浪条纹，影响后续的加工。
57.上面所述只是为了说明本发明,应该理解为本发明并不局限于以上实施例,符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：选取竖直放置的中空圆柱体，将aln晶体置于所述中空圆柱体中心位置，所述aln晶体高度小于所述中空圆柱体高度；然后将所述中空圆柱体底部和aln晶体均通过石蜡粘接到金属板上；s2：向步骤s1的中空圆柱体内灌注胶水，使胶水完全包裹晶体；胶水凝固后，将金属板底部加热，石蜡融化后金属板脱落，得到待切割样品，所述中空圆柱体的莫氏硬度比所述胶水凝固后的莫氏硬度小2-3；s3：将步骤s2的待切割样品横向置于切割机上，沿纵剖面进行切割，得到边部带有缓冲层的aln晶片；具体操作步骤为：由上至下将所述纵剖面分为入刀区、中间区和出刀区，三者的最大高度相同，aln晶体至少位于入刀区和中间区；所述入刀区、中间区、出刀区的进给速度分别为5-6mm/h、7-8mm/h、10mm/h；s4：将步骤s3的边部带有缓冲层的aln晶片进行边部修整，得到规整的aln晶圆。2.如权利要求1所述的一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，步骤s1所述中空圆柱体的材质选自聚氯乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯；所述金属板为铁板或铜板。3.如权利要求1所述的一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，步骤s1中，所述中空圆柱体的内径与aln晶体最大外径之间的比值为12/11-6/5。4.如权利要求1所述的一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，步骤s2中所述胶水为粘晶棒专用胶；所述胶水凝固后莫氏硬度为5-6.5。5.如权利要求4所述的一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，步骤s2灌注胶水的具体操作为：将粘晶棒专用胶的a胶与b胶按质量比1:1混合均匀后倒入步骤s1的中空圆柱体内，直至完全覆盖aln晶体，并使得灌注胶水后的中空圆柱体的胶水表面保持水平，然后冷却40分钟。6.如权利要求1所述的一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，步骤s2中所述加热的温度为100-120℃，加热时间为10min。7.如权利要求1所述的一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，步骤s2中金属板脱落后，将待切割样品中高于胶水表面的中空圆柱体削去。8.如权利要求1所述的一种减小aln晶体加工时切割应力的方法，其特征在于，步骤s3中所述切割机为金刚石线切割机。

技术总结
本发明涉及氮化铝晶体生长加工领域，具体涉及一种减小AlN晶体加工时切割应力的方法。所述方法为：将作为缓冲层的中空圆柱体和AlN晶体均通过石蜡粘接到金属板上；然后向中空圆柱体内灌注胶水，使胶水完全包裹晶体；胶水凝固后，将金属板底部加热，石蜡融化后金属板脱落，得到待切割样品；对样品进行切割和边部修整，得到规整的AlN晶圆。本发明通过在AlN晶体外侧设置缓冲层来避免应力对晶体造成损伤；当切割线与晶体接触时产生高强应力，缓冲层能够逐渐将应力释放，并将应力逐渐过渡到晶体上，能够简单有效地保护晶体，防止晶体开裂，有利于切割出完整的AlN晶圆；缓冲层避免了切割线与晶体的直接接触，降低了切割线断线的概率，使得切割高效进行。使得切割高效进行。使得切割高效进行。


技术研发人员：张雷 曹文豪 王国栋 王守志 俞娇仙 刘光霞 徐现刚
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/9