專利名稱：大應(yīng)力碳化硅晶體的初加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅晶體，尤其是內(nèi)部具有大應(yīng)力的初加工方法，包括晶體的整形和切割方法。
背景技術(shù)：
碳化硅晶體是第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，和第一代硅、第二代砷化鎵半導(dǎo)體材料相比，具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率高、電子遷移率高、介電常數(shù)小、抗輻射性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，以及與硅集成電路工藝兼容等特點(diǎn)，優(yōu)良的性能使得碳化硅晶體成為制造高溫、高頻、大功率、抗輻射、不揮發(fā)存儲(chǔ)器件及光電集成器件的優(yōu)選材料，成為國(guó)際上新材料、微電子和光電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。同為第三代寬帶隙半導(dǎo)體的氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅等單晶材料雖然性能同樣優(yōu)異，但晶體生長(zhǎng)制備非常困難，而碳化硅單晶材料經(jīng)過(guò)多年的研究其生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)取得突破，為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
碳化硅晶體通常采用物理氣相傳輸法(physical vapor transport, PVT)進(jìn)行生長(zhǎng)，即高純(電子級(jí))的碳化硅粉料置于2000°C以上高溫處，沿碳化硅籽晶方向有一溫度梯度，使粉料與籽晶間有一個(gè)硅和碳組分的氣相輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)在籽晶上定向生長(zhǎng)碳化硅晶體。 采用PVT法生長(zhǎng)的碳化硅晶體，由于其在相應(yīng)尺寸的籽晶片上生長(zhǎng)，獲得的晶體的直徑和籽晶相近，同時(shí)，晶體一個(gè)端面即為籽晶，另一為生長(zhǎng)面，生長(zhǎng)面一般由于生長(zhǎng)工藝條件的影響，呈現(xiàn)微凸的形狀，有時(shí)也可能為凹面，此生長(zhǎng)面是初加工階段需要進(jìn)行整平的主要部分，而籽晶面一般偏差極小，有時(shí)不需要進(jìn)行加工。而在碳化硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，通常需要碳化硅晶體生長(zhǎng)界面呈微凸?fàn)睿@是為了擴(kuò)大單晶尺寸、提高碳化硅晶體質(zhì)量和減少碳化硅晶體缺陷等。由于生長(zhǎng)界面微凸，導(dǎo)致碳化硅晶體中心區(qū)域生長(zhǎng)速度要比邊緣區(qū)域生長(zhǎng)速度大，也就是中心區(qū)域軸向溫度梯度要大于邊緣區(qū)域軸向溫度梯度，結(jié)果就造成與籽晶平行的同一平面的碳化硅晶體生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)時(shí)間不同，進(jìn)而造成碳化硅晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，并且晶體生長(zhǎng)界面越凸，晶體內(nèi)部的應(yīng)力越大。尤其是在試驗(yàn)階段，若工藝參數(shù)不當(dāng)更易導(dǎo)致晶體內(nèi)部應(yīng)力大。
碳化硅晶體要制備成應(yīng)用于半導(dǎo)體材料及制造工程的碳化硅晶片，需要對(duì)其進(jìn)行加工，例如整形、切割、研磨及拋光等過(guò)程。通常將整形和切割過(guò)程稱為晶體的初加工過(guò)程， 在用傳統(tǒng)的整形工藝對(duì)晶體進(jìn)行加工時(shí)，磨床的高速旋轉(zhuǎn)的砂輪與碳化硅晶體之間會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間的硬接觸式磨削過(guò)程，碳化硅晶體中過(guò)大的殘余應(yīng)力會(huì)在整形過(guò)程中瞬間釋放，導(dǎo)致碳化硅晶體開(kāi)裂。另外，由于碳化硅晶體本身硬度高，加工困難，加之晶體內(nèi)部應(yīng)力大，使得晶體在整形的初加工階段更為困難，主要表現(xiàn)為晶體容易開(kāi)裂，導(dǎo)致晶體報(bào)廢。
由于晶體內(nèi)部應(yīng)力大容易導(dǎo)致后續(xù)工藝中晶體開(kāi)裂，因此需要采用一些工藝降低晶體內(nèi)部應(yīng)力。例如，如上述，由于工藝參數(shù)不當(dāng)更易導(dǎo)致晶體內(nèi)部應(yīng)力大，CN101701358A 公開(kāi)一種著眼于改善PVT工藝，制備高品質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力低的碳化硅單晶的方法。又 CN101984153A則公開(kāi)了一種通過(guò)二次退火工藝來(lái)降低碳化硅晶體應(yīng)力該專利通過(guò)二次退火降低晶體與坩堝蓋之間以及碳化硅晶體內(nèi)部應(yīng)力，從而降低后續(xù)加工過(guò)程中碳化硅晶體破損率，提高碳化硅晶體產(chǎn)率。
然而，目前并無(wú)任何報(bào)道可在初加工過(guò)程中利用改善初加工的本身的工藝參數(shù)， 避免晶體在初加工過(guò)程中開(kāi)裂。發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明人意識(shí)到，對(duì)于在碳化硅晶體初加工過(guò)程大應(yīng)力碳化硅晶體容易開(kāi)裂的問(wèn)題，一方面是由于晶體本身內(nèi)部具有大應(yīng)力造成的，另一方面，也是由于在初加工過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)的砂輪與碳化硅晶體之間會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間的硬接觸造成的。因此本發(fā)明人經(jīng)過(guò)銳意的研究認(rèn)識(shí)到，若能降低砂輪與碳化硅晶體的接觸(例如降低兩者的接觸面)可有效、方便地解決上述技術(shù)問(wèn)題。
鑒于上述認(rèn)識(shí)，本發(fā)明提供一種大應(yīng)力碳化硅晶體的初加工方法，包括對(duì)碳化硅晶錠的頂部和底部進(jìn)行端面灌膠處理以使所述碳化硅晶錠的頂部和底部分別具有平整的表面的整形工序；將經(jīng)整形的晶錠滾圓至所需尺寸；以及將所得晶錠切割成所需尺寸的晶片的切割工序。
采用本發(fā)明，由于在整形工序中，首先利用灌膠處理對(duì)碳化硅晶錠的頂部和底部進(jìn)行處理，這樣所得的晶錠只有小部分露出，減小了晶錠與在整形工序中后續(xù)磨平及后續(xù)切割過(guò)程中采用機(jī)械處理工具，例如砂輪的接觸面，有效避免了在加工過(guò)程中應(yīng)力瞬間釋放導(dǎo)致的晶錠開(kāi)裂。而且由此切割得到的晶片也能順利進(jìn)行研磨、拋光等后續(xù)工藝，獲得完好晶片。本發(fā)明的方法利用簡(jiǎn)單的灌膠處理即能有效避免晶體在初加工過(guò)程中開(kāi)裂，操作簡(jiǎn)便、耗時(shí)短、成本低。
在本發(fā)明中，在所述整形工序中，對(duì)灌膠的端面進(jìn)行端面整平處理至晶錠有小面積端面露出為止，并利用露出的晶錠面進(jìn)行定向，磨平端面，并修正端面至所需定向偏差內(nèi)。
采用本發(fā)明，整形處理的晶錠只有小面積露出，大部分被膠包圍，有效減小了與后續(xù)采用的機(jī)械處理工序的接觸面。而且本發(fā)明可簡(jiǎn)單、方便地利用露出的小部分晶錠面即可進(jìn)行定向、進(jìn)行磨平處理。
在本發(fā)明中，所述整形工序中，可采用Q膠進(jìn)行端面灌膠處理。灌膠處理所用的膠成本低、且方便易得。
在本發(fā)明中，所述切割工序還可包括按需要對(duì)所得晶錠進(jìn)行加工定位邊，所述定位邊至少包括主定位邊。這樣可以利用所得的主定位作為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行后續(xù)切割工序中的定位。
在本發(fā)明中，在所述切割工序中，可以晶錠的主定位邊和圓周作為基準(zhǔn)，將晶錠固定于定型支架上，并將固定有晶錠的定型支架粘接到定型刀架上，然后將所述定型刀架置于切割機(jī)中，進(jìn)行切片。
又，所述切割機(jī)為多線切割機(jī)，在所述切割工序中，將多個(gè)晶錠依次固定在定型支架上一起進(jìn)行切割。這樣，可提高切割效率。
在本發(fā)明中，可采用粘結(jié)用膠將晶錠固定于定型支架上，以及將定型支架粘接到定型刀架上。其中，所述粘結(jié)用膠可為市售Q膠。又，其中，所述粘結(jié)用膠還可為在市售Q膠中摻入碳化硅粉形成的混合膠。采用混合了碳化硅的混合膠可提高粘結(jié)用膠的強(qiáng)度。一個(gè)優(yōu)選的例子是，所述混合膠中采用的碳化硅粉的粒徑為10 500 μ m，摻入量為0. 5 5g/10mLo


圖1示意性地示出本發(fā)明方法中的整形工序； 圖2示意性地示出本發(fā)明方法中的所用的定型支架； 圖3示意性地示出本發(fā)明方法中的所用的定型刀架；圖4示意性地示出本發(fā)明方法中的將固定有晶錠的定型支架固定在定型刀架上的狀態(tài)。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖，并結(jié)合下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。應(yīng)理解附圖及下述實(shí)施方式僅是示例性地說(shuō)明本發(fā)明，并不是限定本發(fā)明，在本發(fā)明的宗旨和范圍內(nèi)，下述實(shí)施方式可有多種變更。
本發(fā)明所用的碳化硅晶錠可為單晶錠或多晶錠，其可采用常用的物理氣相傳輸法生長(zhǎng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行制備。采用的晶錠的尺寸可以各異，也可采用各種同質(zhì)異形體，例如采用3英寸4H碳化硅晶錠為例。但應(yīng)理解，其他尺寸或其他同質(zhì)異形體也是適用的。
利用上述方法制備的晶錠往往有些表面缺陷，例如接近籽晶部分的毛刺。因此可在對(duì)晶錠整形之前對(duì)其進(jìn)行毛刺修整處理。應(yīng)理解毛刺修平處理并不是必須的，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用改進(jìn)的方法制備出的高品質(zhì)無(wú)毛刺或毛刺較少的晶錠。
參見(jiàn)圖1，其示出本發(fā)明方法中的整形工序的示意流程圖。其中對(duì)晶錠1的頂部進(jìn)行灌膠處理首先可將晶錠1用合適尺寸套筒等套住，將生長(zhǎng)面(頂部)露出，將膠灌注進(jìn)去，形成膠層2，使其頂部成一平面(參見(jiàn)圖1(a))。這里采用的套筒的尺寸可以根據(jù)晶錠1 的尺寸來(lái)確定，例如可與晶錠1生長(zhǎng)方向垂直的方向上晶錠的寬度確定。膠的灌注量可以剛剛淹沒(méi)晶錠頂部為準(zhǔn)，但應(yīng)理解，也可稍稍過(guò)量。
待膠固化后，整平灌膠的端面直至有小面積的晶錠面露出，形成定向面3，并利用露出的小面積晶錠面進(jìn)行定向，然后磨平整個(gè)端面，并修整端面至所需定向偏差(參見(jiàn)圖1 (b))，例如修正到晶相偏差10'左右。
接著，可采用同樣的方法，整平晶錠1的底部，得到頂部端面和底部端面都經(jīng)過(guò)灌膠整形處理的晶錠1 (參見(jiàn)圖1 (C))。
上述的灌膠處理所用的膠可采用市售Q膠。
接著，可對(duì)經(jīng)整形處理的晶錠進(jìn)行滾圓處理至所需尺寸，例如Φ76. 2士0.2mm。應(yīng)理解，尺寸是按需滾圓，并不限于此。然后可對(duì)滾圓的晶錠加工定位邊，例如至少加工主定位邊。但應(yīng)理解，也可加工側(cè)面的副定位邊，用以在后續(xù)切割、拋光工藝中輔助定位。
然后，以晶錠的主定位邊和圓周作為基準(zhǔn)，用膠將晶錠固定于標(biāo)準(zhǔn)定型支架上。待膠固化后，再可用膠將粘了晶錠的定型支架粘接到定型刀架上(參見(jiàn)圖4)。然后將所述定型刀架置于切割機(jī)中，進(jìn)行切片。在這里，粘結(jié)用膠可用市售的Q膠。但應(yīng)理解，其他合適的膠也是適用的。例如，為了提供粘結(jié)用膠的強(qiáng)度，可在Q膠中加入一定量的SiC粉來(lái)，形成一種混合膠。其中，在一個(gè)示例中摻入的SiC粉的粒徑可為10 500// ，摻入量為0. 5 5g/ (10ml膠)，兩者均勻混合即可。
切割機(jī)可采用單線切割機(jī)，也可采用多線切割機(jī)。但為了提高切割效率，優(yōu)選多線切割機(jī)。例如，步驟中也可將多個(gè)經(jīng)整形、滾圓的好的晶錠依次固定于定型支架上，一起進(jìn)行切割，提高切片效率。
在這里，定型支架可采用標(biāo)準(zhǔn)的定型支架，例如參見(jiàn)圖2，其示意性地示出本發(fā)明方法中的所用的定型支架，其帶有臺(tái)階形狀的上部用于多個(gè)碳化硅晶錠的有序排列固定， 例如，利用主定邊固定在臺(tái)階的水平面上，將晶錠圓周面粘結(jié)在臺(tái)階的垂直面上以輔助定位。定型支架的下部的形狀應(yīng)適合于固定刀架。一個(gè)示例中，定型支架的下部的形狀呈倒梯形，這樣，與固定刀架的接觸面大，有利于將定型支架固定到固定刀架上。定型支架的上部?jī)?yōu)選具有加工精度高的上表面，這樣粘結(jié)多個(gè)晶錠后，可使各個(gè)晶錠的端面取向一致，以使其定向偏差達(dá)到切片定向要求。定型支架可由玻璃或陶瓷等材料制成，例如氧化鋁陶瓷。
所用的定型刀架的上部的形狀應(yīng)與定型支架的下部匹配，例如定型刀架的上部具有梯形形狀(參見(jiàn)圖3)，以匹配具有倒梯形下部的定型支架。定型刀架可由不銹鋼、模具鋼或陶瓷等材料制成，并且可重復(fù)使用。
下面，進(jìn)一步例舉本發(fā)明的方法的實(shí)施例，同樣應(yīng)理解，下述實(shí)施例僅是示例性地說(shuō)明本發(fā)明，并不是限定本發(fā)明。
以切割加工3英寸4H碳化硅晶錠為例，將一定數(shù)量的碳化硅晶錠底部毛刺部分修平整；將生長(zhǎng)端面灌膠，待固化后整平端面至可定向；將端面修正到晶向偏差10’ 左右，對(duì)晶錠底部端面進(jìn)行灌膠處理，固化后將底面整平；將整好端面的晶錠滾圓至 φ76. 2士0. 2mm，并做好定位邊；將整好形的晶錠用Q膠依次粘于標(biāo)準(zhǔn)定型支架上；待Q膠測(cè)地固化后，將整個(gè)粘好晶錠的定型刀架置于切割機(jī)中切割即可。
采用本方法整形、切割后的晶錠與晶片開(kāi)裂情況如下表
權(quán)利要求
1.一種大應(yīng)力碳化硅晶體的初加工方法，其特征在于，包括對(duì)碳化硅晶錠的頂部和底部進(jìn)行端面灌膠處理以使所述碳化硅晶錠的頂部和底部分別具有平整的表面的整形工序；將經(jīng)整形的晶錠滾圓至所需尺寸；以及將所得晶錠切割成所需尺寸的晶片的切割工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的初加工方法，其特征在于，在所述整形工序中，對(duì)灌膠的端面進(jìn)行端面整平處理至晶錠有小面積端面露出為止，并利用露出的晶錠面進(jìn)行定向，磨平端面，并修正端面至所需定向偏差內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的初加工方法，其特征在于，所述整形工序中，采用Q膠進(jìn)行端面灌膠處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的初加工方法，其特征在于，所述切割工序包括按需要對(duì)所得晶錠進(jìn)行加工定位邊，所述定位邊至少包括主定位邊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的初加工方法，其特征在于，在所述切割工序中，以晶錠的主定位邊和圓周作為基準(zhǔn)，將晶錠固定于定型支架上，并將固定有晶錠的定型支架粘接到定型刀架上，然后將所述定型刀架置于切割機(jī)中，進(jìn)行切片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的初加工方法，其特征在于，在所述切割工序中，所述切割機(jī)為多線切割機(jī)，在所述切割工序中，將多個(gè)晶錠依次固定在定型支架上一起進(jìn)行切割。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的初加工方法，其特征在于，采用粘結(jié)用膠將晶錠固定于定型支架上，以及將定型支架粘接到定型刀架上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的初加工方法，其特征在于，所述粘結(jié)用膠為市售Q膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的初加工方法，其特征在于，所述粘結(jié)用膠為在市售Q膠中摻入碳化硅粉形成的混合膠。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的初加工方法，其特征在于，所述混合膠中采用的碳化硅粉的粒徑為10 500 μ m，摻入量為0. 5 5g/10mL。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大應(yīng)力碳化硅晶體的初加工方法，包括對(duì)碳化硅晶錠的頂部和底部進(jìn)行端面灌膠處理以使所述碳化硅晶錠的頂部和底部分別具有平整的表面的整形工序；將經(jīng)整形的晶錠滾圓至所需尺寸；以及將所得晶錠切割成所需尺寸的晶片的切割工序。本發(fā)明的方法利用簡(jiǎn)單的灌膠處理即能有效避免晶體在初加工過(guò)程中開(kāi)裂，操作簡(jiǎn)便、耗時(shí)短、成本低。
文檔編號(hào)B28D5/00GK102514110SQ20111045360
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者莊擊勇, 施爾畏, 楊建華, 王樂(lè)星, 陳輝, 黃維 申請(qǐng)人:上海硅酸鹽研究所中試基地, 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所