專利名稱：大應力碳化硅晶體的初加工方法
技術領域：
本發明涉及晶體加工技術領域，具體涉及一種碳化硅晶體，尤其是內部具有大應力的初加工方法，包括晶體的整形和切割方法。
背景技術：
碳化硅晶體是第三代寬帶隙半導體材料，和第一代硅、第二代砷化鎵半導體材料相比，具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率高、電子飽和漂移速率高、電子遷移率高、介電常數小、抗輻射性能強、化學穩定性好等優良的物理化學性質，以及與硅集成電路工藝兼容等特點，優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、不揮發存儲器件及光電集成器件的優選材料，成為國際上新材料、微電子和光電子領域研究的熱點。同為第三代寬帶隙半導體的氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅等單晶材料雖然性能同樣優異，但晶體生長制備非常困難，而碳化硅單晶材料經過多年的研究其生長技術已經取得突破，為大規模產業化應用奠定了基礎。
碳化硅晶體通常采用物理氣相傳輸法(physical vapor transport, PVT)進行生長，即高純(電子級)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硅和碳組分的氣相輸運，實現在籽晶上定向生長碳化硅晶體。 采用PVT法生長的碳化硅晶體，由于其在相應尺寸的籽晶片上生長，獲得的晶體的直徑和籽晶相近，同時，晶體一個端面即為籽晶，另一為生長面，生長面一般由于生長工藝條件的影響，呈現微凸的形狀，有時也可能為凹面，此生長面是初加工階段需要進行整平的主要部分，而籽晶面一般偏差極小，有時不需要進行加工。而在碳化硅晶體生長過程中，通常需要碳化硅晶體生長界面呈微凸狀，這是為了擴大單晶尺寸、提高碳化硅晶體質量和減少碳化硅晶體缺陷等。由于生長界面微凸，導致碳化硅晶體中心區域生長速度要比邊緣區域生長速度大，也就是中心區域軸向溫度梯度要大于邊緣區域軸向溫度梯度，結果就造成與籽晶平行的同一平面的碳化硅晶體生長速度和生長時間不同，進而造成碳化硅晶體內部產生應力，并且晶體生長界面越凸，晶體內部的應力越大。尤其是在試驗階段，若工藝參數不當更易導致晶體內部應力大。
碳化硅晶體要制備成應用于半導體材料及制造工程的碳化硅晶片，需要對其進行加工，例如整形、切割、研磨及拋光等過程。通常將整形和切割過程稱為晶體的初加工過程， 在用傳統的整形工藝對晶體進行加工時，磨床的高速旋轉的砂輪與碳化硅晶體之間會有長時間的硬接觸式磨削過程，碳化硅晶體中過大的殘余應力會在整形過程中瞬間釋放，導致碳化硅晶體開裂。另外，由于碳化硅晶體本身硬度高，加工困難，加之晶體內部應力大，使得晶體在整形的初加工階段更為困難，主要表現為晶體容易開裂，導致晶體報廢。
由于晶體內部應力大容易導致后續工藝中晶體開裂，因此需要采用一些工藝降低晶體內部應力。例如，如上述，由于工藝參數不當更易導致晶體內部應力大，CN101701358A 公開一種著眼于改善PVT工藝，制備高品質內部應力低的碳化硅單晶的方法。又 CN101984153A則公開了一種通過二次退火工藝來降低碳化硅晶體應力該專利通過二次退火降低晶體與坩堝蓋之間以及碳化硅晶體內部應力，從而降低后續加工過程中碳化硅晶體破損率，提高碳化硅晶體產率。
然而，目前并無任何報道可在初加工過程中利用改善初加工的本身的工藝參數， 避免晶體在初加工過程中開裂。發明內容
鑒于現有技術存在的上述問題，本發明人意識到，對于在碳化硅晶體初加工過程大應力碳化硅晶體容易開裂的問題，一方面是由于晶體本身內部具有大應力造成的，另一方面，也是由于在初加工過程中，高速旋轉的砂輪與碳化硅晶體之間會有長時間的硬接觸造成的。因此本發明人經過銳意的研究認識到，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問題。
鑒于上述認識，本發明提供一種大應力碳化硅晶體的初加工方法，包括對碳化硅晶錠的頂部和底部進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。
采用本發明，由于在整形工序中，首先利用灌膠處理對碳化硅晶錠的頂部和底部進行處理，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磨平及后續切割過程中采用機械處理工具，例如砂輪的接觸面，有效避免了在加工過程中應力瞬間釋放導致的晶錠開裂。而且由此切割得到的晶片也能順利進行研磨、拋光等后續工藝，獲得完好晶片。本發明的方法利用簡單的灌膠處理即能有效避免晶體在初加工過程中開裂，操作簡便、耗時短、成本低。
在本發明中，在所述整形工序中，對灌膠的端面進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行定向，磨平端面，并修正端面至所需定向偏差內。
采用本發明，整形處理的晶錠只有小面積露出，大部分被膠包圍，有效減小了與后續采用的機械處理工序的接觸面。而且本發明可簡單、方便地利用露出的小部分晶錠面即可進行定向、進行磨平處理。
在本發明中，所述整形工序中，可采用Q膠進行端面灌膠處理。灌膠處理所用的膠成本低、且方便易得。
在本發明中，所述切割工序還可包括按需要對所得晶錠進行加工定位邊，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來進行后續切割工序中的定位。
在本發明中，在所述切割工序中，可以晶錠的主定位邊和圓周作為基準，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中，進行切片。
又，所述切割機為多線切割機，在所述切割工序中，將多個晶錠依次固定在定型支架上一起進行切割。這樣，可提高切割效率。
在本發明中，可采用粘結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，所述粘結用膠可為市售Q膠。又，其中，所述粘結用膠還可為在市售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用膠的強度。一個優選的例子是，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示意性地示出本發明方法中的整形工序； 圖2示意性地示出本發明方法中的所用的定型支架； 圖3示意性地示出本發明方法中的所用的定型刀架；圖4示意性地示出本發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。
具體實施方式
以下，參照附圖，并結合下述實施方式進一步說明本發明。應理解附圖及下述實施方式僅是示例性地說明本發明，并不是限定本發明，在本發明的宗旨和范圍內，下述實施方式可有多種變更。
本發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。本領域技術人員可以根據現有技術的相關技術進行制備。采用的晶錠的尺寸可以各異，也可采用各種同質異形體，例如采用3英寸4H碳化硅晶錠為例。但應理解，其他尺寸或其他同質異形體也是適用的。
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。因此可在對晶錠整形之前對其進行毛刺修整處理。應理解毛刺修平處理并不是必須的，例如，本領域技術人員可采用改進的方法制備出的高品質無毛刺或毛刺較少的晶錠。
參見圖1，其示出本發明方法中的整形工序的示意流程圖。其中對晶錠1的頂部進行灌膠處理首先可將晶錠1用合適尺寸套筒等套住，將生長面(頂部)露出，將膠灌注進去，形成膠層2，使其頂部成一平面(參見圖1(a))。這里采用的套筒的尺寸可以根據晶錠1 的尺寸來確定，例如可與晶錠1生長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晶錠頂部為準，但應理解，也可稍稍過量。
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行定向，然后磨平整個端面，并修整端面至所需定向偏差(參見圖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過灌膠整形處理的晶錠1 (參見圖1 (C))。
上述的灌膠處理所用的膠可采用市售Q膠。
接著，可對經整形處理的晶錠進行滾圓處理至所需尺寸，例如Φ76. 2士0.2mm。應理解，尺寸是按需滾圓，并不限于此。然后可對滾圓的晶錠加工定位邊，例如至少加工主定位邊。但應理解，也可加工側面的副定位邊，用以在后續切割、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，用膠將晶錠固定于標準定型支架上。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(參見圖4)。然后將所述定型刀架置于切割機中，進行切片。在這里，粘結用膠可用市售的Q膠。但應理解，其他合適的膠也是適用的。例如，為了提供粘結用膠的強度，可在Q膠中加入一定量的SiC粉來，形成一種混合膠。其中，在一個示例中摻入的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。
切割機可采用單線切割機，也可采用多線切割機。但為了提高切割效率，優選多線切割機。例如，步驟中也可將多個經整形、滾圓的好的晶錠依次固定于定型支架上，一起進行切割，提高切片效率。
在這里，定型支架可采用標準的定型支架，例如參見圖2，其示意性地示出本發明方法中的所用的定型支架，其帶有臺階形狀的上部用于多個碳化硅晶錠的有序排列固定， 例如，利用主定邊固定在臺階的水平面上，將晶錠圓周面粘結在臺階的垂直面上以輔助定位。定型支架的下部的形狀應適合于固定刀架。一個示例中，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。定型支架的上部優選具有加工精度高的上表面，這樣粘結多個晶錠后，可使各個晶錠的端面取向一致，以使其定向偏差達到切片定向要求。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，并且可重復使用。
下面，進一步例舉本發明的方法的實施例，同樣應理解，下述實施例僅是示例性地說明本發明，并不是限定本發明。
以切割加工3英寸4H碳化硅晶錠為例，將一定數量的碳化硅晶錠底部毛刺部分修平整；將生長端面灌膠，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，對晶錠底部端面進行灌膠處理，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膠依次粘于標準定型支架上；待Q膠測地固化后，將整個粘好晶錠的定型刀架置于切割機中切割即可。
采用本方法整形、切割后的晶錠與晶片開裂情況如下表
權利要求
1.一種大應力碳化硅晶體的初加工方法，其特征在于，包括對碳化硅晶錠的頂部和底部進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.根據權利要求1所述的初加工方法，其特征在于，在所述整形工序中，對灌膠的端面進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行定向，磨平端面，并修正端面至所需定向偏差內。
3.根據權利要求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膠進行端面灌膠處理。
4.根據權利要求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所得晶錠進行加工定位邊，所述定位邊至少包括主定位邊。
5.根據權利要求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，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中，進行切片。
6.根據權利要求5所述的初加工方法，其特征在于，在所述切割工序中，所述切割機為多線切割機，在所述切割工序中，將多個晶錠依次固定在定型支架上一起進行切割。
7.根據權利要求5所述的初加工方法，其特征在于，采用粘結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.根據權利要求7所述的初加工方法，其特征在于，所述粘結用膠為市售Q膠。
9.根據權利要求7所述的初加工方法，其特征在于，所述粘結用膠為在市售Q膠中摻入碳化硅粉形成的混合膠。
10.根據權利要求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
本發明涉及一種大應力碳化硅晶體的初加工方法，包括對碳化硅晶錠的頂部和底部進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。本發明的方法利用簡單的灌膠處理即能有效避免晶體在初加工過程中開裂，操作簡便、耗時短、成本低。
文檔編號B28D5/00GK102514110SQ20111045360
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者莊擊勇, 施爾畏, 楊建華, 王樂星, 陳輝, 黃維 申請人:上海硅酸鹽研究所中試基地, 中國科學院上海硅酸鹽研究所