碳化硅晶体的砂浆切割工艺及碳化硅片材

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是涉及碳化硅晶体的砂浆切割工艺及碳化硅片材。

背景技术

碳化硅具有耐高温、耐磨损、重量轻、硬度高、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点，被广泛应用于电力电子领域以及光电子领域。

针对大尺寸的碳化硅晶体，通常先进行砂浆切割，即采用多组金属线带动砂浆，砂浆中的微粒与碳化硅晶体发生摩擦实现切割。在切割过程中，每条切缝的材料损耗等于切缝厚度与截面积的乘积，由于传统金属线的线径较粗，约为160μm，导致切缝厚度较高，因此，传统砂浆切割工艺中碳化硅损耗居高不下。另外，传统砂浆切割工艺中，金属线的最高线速度约为10m/s，对于直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，单刀切割时间高达130小时，切割效率极低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种碳化硅晶体的砂浆切割工艺及碳化硅片材；该砂浆切割工艺能够减少碳化硅的材料损耗，降低材料成本，同时提高切割效率；采用该砂浆切割工艺得到的碳化硅片材的表面质量优异，能够更好的应用于电力电子领域以及光电子领域。

本发明提供了一种碳化硅晶体的砂浆切割工艺，包括以下步骤：

利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割处理，其中，所述金属线的线径为30μm-140μm，所述进行砂浆切割处理的步骤中，所述金属线的线径为D，所述切割设备中张力调控机构输出的张力为F，所述金属线的最高线速度为V

在一实施方式中，所述D的取值范围为90μm-110μm，所述F的取值范围为15.5N-18N。

在一实施方式中，所述D的取值范围为90μm-110μm，所述V

在一实施方式中，所述进行砂浆切割处理的步骤中，采用的砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，所述金刚石颗粒的粒径为3μm-5μm。

在一实施方式中，所述金刚石颗粒在所述砂浆中的质量分数为10％-25％。

在一实施方式中，所述进行砂浆切割处理的步骤中，所述砂浆的流量为u，所述D与所述u满足以下条件：30μm：100L/min-140μm：30L/min。

在一实施方式中，所述D的取值范围为90μm-110μm，所述u的取值范围为70L/min-90L/min。

在一实施方式中，所述金属线包括母线以及包覆在所述母线外表面的镀层。

在一实施方式中，所述母线的材料选自合金钢、高碳钢或钨，所述镀层的材料选自铜或镍。

一种碳化硅片材，由碳化硅晶体经如上述的碳化硅晶体的砂浆切割工艺切片后得到，所述碳化硅片材的总厚度变化小于或等于15μm。

本发明的碳化硅砂浆切割工艺，采用线径小于160μm的金属线，由于金属线的线径降低，直接减小了切缝的厚度，因此原材料碳化硅晶体的损耗降低；同时，通过控制张力调控机构输出的张力对特定线径的金属线施加特定的张力，配合特定的最高线速度，能够在避免金属线绷断的同时使金属线保持绷直状态，从而实现切割，并且，金属线最高线速度的提高能够提高切割效率，对于直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，单刀切割时间能够控制在100小时以内。

采用本发明的碳化硅砂浆切割工艺，由于金属线的线径较细、切缝小，得到的碳化硅片材的表面质量更高，能够更好的应用于电力电子领域以及光电子领域，同时，料损降低，极大的节约材料，实现原料成本的降低。

附图说明

图1为切缝的结构示意图，W代表切缝的厚度。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下将对本发明提供的碳化硅晶体的砂浆切割工艺及碳化硅片材作进一步说明。

如图1所示，在砂浆切割处理的步骤中，切缝的体积主要取决于切缝的厚度W，而切缝的厚度W则主要取决于金属线的线径，然而，申请人在大量实验后发现，若仅仅降低金属线的线径，在砂浆切割处理过程中金属线极其容易崩断。

由此，本发明提供的碳化硅晶体的砂浆切割工艺，包括以下步骤：

利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割处理，其中，金属线的线径为30μm-140μm，进行砂浆切割处理的步骤中，金属线的线径为D，切割设备中张力调控机构输出的张力为F，金属线的最高线速度为V

可以理解的，本发明的碳化硅砂浆切割工艺以碳化硅晶体为原材料，在切割设备上进行，在一实施方式中，切割设备包括固定平台、切割平台以及张力调控机构等部件，进行砂浆切割处理的步骤中，将碳化硅晶体刚接金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，设置工艺参数，然后点击切割确认按钮进行开机，切割设备包括多组金属线，为多线切割设备。

本发明的碳化硅砂浆切割工艺，采用线径小于160μm的金属线，由于金属线的线径降低，直接减小了切缝的厚度，因此原材料碳化硅晶体的损耗降低。

典型但非限制性的，D为30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、70μm、100μm、110μm、120μm、130μm或140um，优选的，D的取值范围为90μm-110μm。

本发明通过控制张力调控机构输出的张力，对碳化硅砂浆切割工艺对特定线径的金属线施加特定的张力，配合特定的最高线速度，能够在避免金属线绷断的同时使金属线保持绷直状态，从而实现切割。

应予说明的是，对于同种材料的金属线，F随着D的减小而减小，典型但非限制性的，D与F满足以下条件：40μm：4.5N、45μm：5.5N、50μm：6N、55μm：6.6N、60μm：8N、90μm：15N、90μm：15.5N、100μm：15N、100μm：15.5N、100μm：16N、100μm：17N、100μm：18N、110μm：15N、110μm：15.5N、110μm：16N、110μm：16.5N、110μm：17N或140μm：30N。

在一实施方式中，D的取值范围为90μm-110μm，F的取值范围为15.5N-18N，优选的，F的取值范围为15.5N-17.5N。

金属线最高线速度的提高能够提高切割效率，对于直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，单刀切割时间能够控制在100小时以内。

应予说明的是，随着D的减小，V

在一实施方式中，D的取值范围为90μm-110μm，V

应予说明的是，切割设备中张力调控机构输出的张力与金属线的最高线速度相互之间相互协同，能够在避免金属线绷断的同时使金属线保持绷直状态，从而实现切割，同时，为了提高切割效率，在进行砂浆切割处理的步骤中，金属线的线速度为金属线的最高线速度V

在一实施方式中，金属线包括母线以及包覆在母线外表面的镀层，为了更好的避免金属线在砂浆切割处理过程中绷断，优选的，镀层的材料包括铜或镍中的至少一种；更优选的，镀层的材料选自铜。

在一实施方式中，母线的材料选自合金钢、高碳钢或钨。

可以理解的，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，进行砂浆切割处理的步骤中，砂浆一方面起到切割的作用，另一方面，砂浆中金刚石颗粒的粒径也会影响切缝的厚度，在一实施方式中，金刚石颗粒的粒径为3μm-5μm。

金刚石颗粒的粒径降低，容易导致切割力变弱，由此，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数需要增加，在一实施方式中，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％-25％。

进行砂浆切割处理的步骤中，砂浆的流量为u，为了进一步提高切割效果，从而降低单刀切割时间，在一实施方式中，D与u满足以下条件：30μm：100L/min-140μm：30L/min；应予说明的是，随着D的降低，u的取值增大，典型但非限制的，D与u满足以下条件：30μm：100L/min、60μm-95L/min、90μm-90L/min、100μm：80L/min、110μm：70L/min、125μm：50L/min、140μm：30L/min。

在一实施方式中，D的取值范围为90μm-110μm，u的取值范围为70L/min-90L/min。

本发明还提供了一种碳化硅片材，该碳化硅片材由碳化硅晶体经如上述的碳化硅晶体的砂浆切割工艺切片后得到，碳化硅片材的总厚度变化(TTV

采用本发明的碳化硅砂浆切割工艺，于金属线的线径较细、切缝小，得到的碳化硅片材的表面质量更高，能够更好的应用于电力电子领域以及光电子领域，同时，料损降低，极大的节约材料，实现原料成本的降低。

以下，将通过以下具体实施例对碳化硅晶体的砂浆切割工艺及碳化硅片材做进一步的说明。

实施例1

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为100μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为30m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例2

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为110μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为17N，金属线的线速度为20m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例3

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为90μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为15.5N，金属线的线速度为35m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例4

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为30μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为3μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为25％，砂浆的流量u为100L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为3N，金属线的线速度为50m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例5

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为140μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为30L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为30N，金属线的线速度为10m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例6

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为140μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为30m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例7

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为120μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为30m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例8

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为80μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为30m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例9

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为40μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为30m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例10

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为100μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为50m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

实施例11

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为100μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为10m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

对比例1

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为20μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为3μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为25％，砂浆的流量u为100L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为3N，金属线的线速度为50m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，然而，切割过程中，金属线绷断。

对比例2

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为160μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为30L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为30N，金属线的线速度为10m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

对比例3

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为100μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为50N，金属线的线速度为30m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，然而，切割过程中，金属线绷断。

对比例4

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为100μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为2N，金属线的线速度为30m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

对比例5

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为100μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为70m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

对比例6

提供直径为150mm，长度为40mm的碳化硅晶体，利用装配有金属线的切割设备对碳化硅晶体进行砂浆切割，相邻金属线之间的间距为0.62mm，金属线的线径D为100μm，金属线包括合金钢母线以及包覆在合金钢母线外表面的铜镀层，砂浆中包括有砂浆油以及金刚石颗粒，其中，金刚石颗粒的粒径为5μm，金刚石颗粒在砂浆中的质量分数为20％，砂浆的流量u为80L/min。

将碳化硅晶体刚接触金属线的位置设为零点，开始切割位置的坐标为-0.5mm，设置喷淋方式与喷淋位置，喷淋方式采用溢流形式，切割设备中张力调控机构输出的张力F为16N，金属线的线速度为5m/s；启动切割设备进入砂浆切割处理，得到碳化硅片材。

汇总实施例1-11、对比例1-6中40mm长度碳化硅晶体的出片数，计算损耗率，并且参照GB/T 6618-2009测量碳化硅片材的总厚度变化，具体结果如表1所示。

表1

以上示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。