阅读说明：本技术 一种铌酸锂单晶的变速切割方法 (Variable-speed cutting method of lithium niobate single crystal ) 是由 王雄龙 杨洪星 张伟才 杨静 李聪 陈晨 索开南 庞炳远 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铌酸锂单晶的变速切割方法。基本步骤为：1、用胶水粘接铌酸锂单晶,保证晶向在合格范围内；2、聚乙二醇和碳化硅微粉按照一定比例配置成切割砂浆；3、将粘接好的铌酸锂单晶放入多线切割机的工作台工位中,将工作台的匀速进给切割过程改为按照切割位置分段的不同速度的进给切割；4、切割后的铌酸锂晶片进行脱胶、清洗、干燥。本发明采用的切割方法操作简单；一次切割可得到数百片晶片,切割效率高；切割后的几何参数优于定速多线切割后样片的几何参数；通过公式可以快速找到合适的切割速度,进而设置较为合理的切割程序,可以避免反复试验,节省了时间和物料。(The invention discloses a variable-speed cutting method of lithium niobate single crystals. The method comprises the following basic steps: 1. bonding the lithium niobate single crystal by glue to ensure that the crystal orientation is in a qualified range; 2. preparing cutting mortar from polyethylene glycol and silicon carbide micropowder according to a certain proportion; 3. placing the bonded lithium niobate single crystal into a working table station of a multi-wire cutting machine, and changing the constant-speed feeding cutting process of the working table into feeding cutting at different speeds according to the cutting position in a segmented mode; 4. and degumming, cleaning and drying the cut lithium niobate wafer. The cutting method adopted by the invention is simple to operate; hundreds of wafers can be obtained by one-time cutting, and the cutting efficiency is high; the geometric parameters after cutting are superior to those of the sample wafer after constant-speed multi-line cutting; can find suitable cutting speed fast through the formula, and then set up comparatively reasonable cutting procedure, can avoid the repetition test, save time and material.)

一种铌酸锂单晶的变速切割方法

技术领域

本发明涉及铌酸锂单晶的切割方法，尤其是涉及一种铌酸锂单晶的变速多线切割方法，特别涉及对几何参数要求较高的铌酸锂晶片的切割方法。

背景技术

铌酸锂晶片的加工工艺类似于硅片的加工工艺，需要在单晶片上应用光刻、镀膜等半导体工艺，做一层金属再进行图形化，然后划切，做成芯片。在整个工艺中，对铌酸锂晶片的几何参数要求比较高。为了得到高几何参数的铌酸锂晶片，从切割步骤开始就需要控制几何参数。

过去使用较多的切割方法为内圆切割或外圆切割，效率低下，损失较大，而目前采用较多的是多线切割工艺。多线切割工艺广泛应用于半导体行业、光伏行业，已经可以应用于硅、锗、砷化镓、磷化铟、水晶、蓝宝石、铌酸锂/钽酸锂等多种材料的切割。过去的多线切割是定速切割，切割线的进给速度固定，切割得到的晶片几何参数较差，弯曲程度较大，平整度低。研究人员认为主要原因在于：定速切割过程中，单位时间内切割线去除的单晶体积先增大后减小，切割产生的热量不均匀，对晶片平整度有影响。为了保证切割效果，目前主流的切割方式为变速切割，切割速度先快后慢再变快，单位时间内切割线去除的单晶体积基本相同，产生的热量比较均匀，切割效果较好。

目前半导体硅材料行业普遍采用的是变速切割方式。可以考虑将这种切割方式运用于铌酸锂单晶的切割。而目前还没发现有罐铌酸锂晶片的变速多线切割工艺的报导，因此，本发明对罐铌酸锂晶片的变速多线切割工艺进行了研究。

发明内容

鉴于现有技术状况，本发明的目的在于提供一种铌酸锂单晶的变速多线切割方法。根据多线切割过程中铌酸锂单晶的界面位置不同，对应的切割长度也会不同，切割速度需要相应地变化，将多线切割机的工作台匀速进给改为变速进给。本方法包括砂浆配制、切割速度控制及脱胶方法等。采用本方法进行铌酸锂单晶的切割，可以得到几何参数较好的铌酸锂晶片。本发明使用变速切割方法，用砂浆型的多线切割机切割铌酸锂单晶，经过乳酸脱胶后可得到铌酸锂晶片。

本发明采取的技术方案是：一种铌酸锂单晶的变速切割方法，其特征在于，使用砂浆型多线切割机作为切割设备，使用聚乙二醇和碳化硅微粉配制的砂浆，使用变速切割工艺对铌酸锂单晶进行切割，所述方法步骤如下：

（一）、确定铌酸锂单晶的晶向，用胶水将铌酸锂单晶粘接到合适的树脂条上。

（二）、使用聚乙二醇和碳化硅微粉配制成砂浆，聚乙二醇和碳化硅微粉的质量比为（0.9~1.1）:1，砂浆密度为（1.6~1.65）kg/m³；将聚乙二醇和碳化硅微粉搅拌混合4小时以上作为多线切割机的切割砂浆使用；配制好的砂浆注入多线切割机的砂浆罐中，设备自动抽取砂浆并喷淋到切割线上，然后开始切割。

（三）、铌酸锂单晶的变速切割过程：切割线的线径为0.12~0.16μm，切割线的张力为20~23N，进给速度范围为0.135~0.5mm/min。

（四）、根据铌酸锂单晶的切割位置进行调整，将整个切割过程分为10~20段，保证单位时间内切割线的切割面积基本相同，切割速度由以下公式计算：

式中：v：切割速度；V：切缝损失体积；L：单晶长度；d _w ：切割线直径；d：槽间距；s：砂浆层厚度， R：单晶半径；h：切割位置。

（五）、切割过程完毕后，将铌酸锂单晶放入脱胶机中脱胶，脱胶过程采用乳酸溶液浸泡，乳酸溶液温度为室温~70℃，体积配比为乳酸：水=1：（0~3）。

（六）、之后放入清洗机进行清洗，洗去表面残留的砂浆颗粒和金属残留，清洗完毕后放在甩干机中甩干，得到铌酸锂晶片。

本发明所述步骤（二）中，碳化硅微粉的粒径为1500#。

目前半导体硅材料行业普遍采用的是变速切割方式。理论上，在单位时间内切割线经过相同的面积，产生的热量也相同。由于切割过程中切割线与单晶的接触面积先增大后减小，切割速度也需要调整为先快后慢。如果切割速度保持一个速度不变，则切割线在进给到单晶直径部分附近时，产生的热量最多，砂浆难以将大量热量带走，导致热量积聚。正是这些积聚的热量会作用在晶片本身，导致晶片产生翘曲和弯曲，几何参数变差。可以考虑将变速切割方式运用于铌酸锂单晶的切割。

本发明的作用原理：多线切割过程中，切割线与单晶的接触面积先增大后减小。为了保证单位时间内去除的体积基本相同，需要使切割线的速度由快变慢再变快。在切割过程中会产生热量，而且单位时间内去除的单晶体积越大，产生的热量越多。将切割速度调整后，在切割线到达单晶直径部分附近时，切割线与单晶接触面积最大，速度需要降到最慢；在切割线刚刚与单晶接触和切割过程即将结束时，切割速度可以调整为最快。

本发明具有如下有益效果：1、切割速度不是固定的值，可以减少在切割速度过快情况下的断线几率。2、切割后铌酸锂晶片的几何参数更好，后续加工工艺去除量更小。3、切割效率高，每次切割可以将整根单晶全部切成晶片，效率高于内圆切割和单线切割。4.切割速度可以根据公式给出，然后在实际生产中根据情况进行微调，快速找到合适的切割速度，避免了多次反复试验，节省了时间和物料。

附图说明

图1是从单晶端面观察切割示意图；

图2是从单晶侧面主辊线槽观察切割示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步的说明。

假设在单位时间内切割近似相等的面积，则去除的单晶体积也应该是近似的，因此考虑确定单位时间内单晶去除体积，即切缝损失体积。根据图1可以看出，在一段很短的时间t内，切割线经过的面积的上下弦长基本相同，可认为经过的面积基本为矩形，矩形的宽度为v*t，长度为弦长。在某一切割位置h，可用三角函数可求出弦长。根据图2可知，单晶去除体积为切割线和砂浆层所占的部分。因此，单位时间内去除的单晶体积可看作高为v* t，长为弦长，宽为切割线及砂浆层厚度所占宽度的长方体。根据几何关系得出下式：

式中：v：切割速度；V：切缝损失体积；L：单晶长度；d _w ：切割线直径；d：槽间距；s：砂浆层厚度，一般取30μm；R单晶半径；h：切割位置。

实施例1：铌酸锂单晶的直径为4英寸，晶向为+Y方向，采用定速切割的方法。

1、用胶水粘接铌酸锂单晶，保证晶向在合格范围内。

2、聚乙二醇和碳化硅微粉按照一定比例配制成切割砂浆，碳化硅微粉的粒径为1500#，聚乙二醇和碳化硅微粉的质量比为（0.9~1.1）:1；

3、将粘接好的铌酸锂单晶放入多线切割机的工作台工位中，按照变速切割的切割进给速度开始切割，切割线的线径为0.14μm，切割线的张力为21N，进给速度为0.25mm/min。

4、切割过程完毕后，将铌酸锂单晶放入脱胶机中脱胶，脱胶过程采用乳酸溶液浸泡，温度低于40℃，配比为乳酸：水=1:1。之后放入清洗机进行清洗，洗去表面残留的砂浆颗粒和金属残留，清洗完毕后放在甩干机中甩干，得到铌酸锂晶片。

如果采用定速切割，得到的铌酸锂晶片的几何参数见下表

表1 定速切割后铌酸锂晶片几何参数

一般地，晶片的几何参数应尽可能小，表明晶片平坦度越好。铌酸锂晶片的几何参数标准为：TTV≤10μm，WARP≤50μm，LTV≤8μm。从表1中可以看出，定速切割得到的晶片不能满足下一道工序的使用要求。

实施例2：铌酸锂单晶的直径为4英寸，晶向为+Y方向，采用变速切割的方法。

1、用胶水粘接铌酸锂单晶，保证晶向在合格范围内。

2、聚乙二醇和碳化硅微粉按照一定比例配制成切割砂浆，碳化硅微粉的粒径为1500#，聚乙二醇和碳化硅微粉的质量比为（0.9~1.1）:1。

3、将粘接好的铌酸锂单晶放入多线切割机的工作台工位中，按照变速切割的切割进给速度开始切割，切割线的线径为0.14μm，切割线的张力为23N，根据公式，设定切缝损失体积V=200mm³/min，砂浆层厚度s=30μm，并限制最高速度不超过0.25mm/min，可求出进给速度范围为（0.135~0.25）mm/min；在程序中设置：当切割线到达表2中所列的位置时，将切割速度设置为表2中所列的值。

表2 切割速度与切割位置

4、切割过程完毕后，将铌酸锂单晶放入脱胶机中脱胶，脱胶过程采用乳酸溶液浸泡，温度为室温，乳酸：水=1:0。之后放入清洗机进行清洗，洗去表面残留的砂浆颗粒和金属残留，清洗完毕后放在甩干机中甩干，得到铌酸锂晶片。切割后得到的铌酸锂晶片的几何参数见表3。

表3变速切割后铌酸锂晶片几何参数

从结果可以看出，经过变速切割的铌酸锂晶片的几何参数得到了明显改善，TTV、WARP、LTV等参数都有明显下降，最终得到的晶片能够满足设定的几何参数标准：TTV≤10μm，WARP≤50μm，LTV≤8μm，可以满足下一步加工要求。