ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ СПОСОБ РЕЗКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН Российский патент 2006 года по МПК H01L21/34 B28D5/00 C30B33/00 B23H7/02 

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности к способам электроискровой резки полупроводниковых пластин типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃, обладающих низкой электропроводностью (порядка 1000 Ом·см^-1).

Известно, что для разрезания хрупких материалов широко применяется механический способ, включающий воздействие свободно подаваемого абразива и подвижного прочного элемента в виде проволоки на разрезаемый материал (например, патент RU № 2138372). Получаемые пластины не имеют вдоль реза одинаковой толщины вследствие уменьшающегося действия и количества абразива на проволоке при ее прохождении через блок.

В патенте SU № 1535087 раскрыты устройство и способ механической резки кристаллов с помощью устройства, содержащего режущую нить и датчик параметров резания с электродами, между которыми проходит режущая нить. О скорости выноса продуктов резания косвенно судят по изменению концентрации материала в рабочем растворе, что приводит к изменению общего сопротивления в межэлектродном пространстве датчика. Известный способ позволяет улучшить качество поверхности резания щелочно-галлоидных кристаллов, однако не удовлетворяет требованиям, предъявляемым при резке кристаллов типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃.

Из патента RU № 1798971 известен способ механической резки щелочно-галлоидных кристаллов на пластины с помощью устройства, содержащего смачиваемую режущую нить. Кристалл устанавливают на кристаллодержатель, которым регулируется высота отрезаемой пластины и угол относительно плоскости торца кристалла. Применение известного способа эффективно при распиловке кристаллов диаметром более 200 мм на пластины толщиной 5-10 мм. Локальные отклонения от плоскости распиловки не превышают 0,5 мм.

Анализ литературных данных показывает, что длительное время в производстве акустоэлектронной и оптический технике используется механический способ резки монокристаллов и других хрупких материалов на пластины стальными полотнами, имеющими режущие лезвия и совершающими возвратно-поступательные движения относительно прижимаемых кристаллов, установленных на рабочем столе перпендикулярно или под определенным углом к направлению движения полотен (Мостяев В.А., Дюжиков В.И. Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. - М.: Ягуар, стр.80-82). Известная технология ориентированной резки монокристаллов и других хрупких материалов стальными полотнами, раскрытая в патенте RU № 2167055, включает подачу абразивной суспензии на равномерно натянутые в раме стальные полотна и установку с обеих сторон от разрезаемого монокристалла по направлению движения стальных полотен брусков, ось которых перпендикулярна направлению движения полотен. Использование известных механических способов резки монокристаллов позволяет улучшить плоскостность пластин, однако известный способ имеет низкую скорость резки кристаллов - порядка 20-30 мм/ч.

Из патента RU № 2175597 известна технология резки электропроводных материалов, предусматривающая приложение к заготовке предварительного растягивающего усилия и подачу импульса тока в зону резки. Путем подачи противоположно направленных импульсов тока на размещенные в зоне резки две катушки индикатора создают разрывное усилие растяжения.

Известен ряд способов и устройств, предназначенных для высокоточной лазерной резки хрупких неметаллических материалов, в частности анизотропных материалов, включающих монокристаллы сапфира, кварца (RU, 2224648). Способ включает нанесение надреза по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента. В зависимости от направления резки анизотропного материала определяют коэффициент линейного термического расширения и задают соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения в зависимости от изменения значения коэффициента линейного термического расширения материала. Известный способ может быть использован для резки широкого класса анизотропных материалов на любую задаваемую толщину, однако он характеризуется высокой себестоимостью получаемых изделий за счет использования дорогостоящего оборудования. Кроме того, способ трудоемок, поскольку включает несколько стадий: нанесение надреза на пластине, фокусировка лазерного луча на надрез, лазерный разогрев надреза, охлаждение надреза.

Длительное время используется способ резки электропроводных материалов путем пропускания импульсов тока между проволокой и разрезаемым материалом (см., например, инструкцию по эксплуатации "Станок электроискровой 04 ИВ 200-2", паспорт А207.86 ПС, №0899). Способ обеспечивает высокую точность резки при высокой скорости - 300-400 мм/ч и нашел широкое применение в промышленности для резки металлов. Однако известный способ неприменим для резки кристаллов типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ из-за существенного отличия кристаллических решеток и физических свойств указанного материала и металлов (см. Дж.Годсмит. Сб. Материалы, используемые в полупроводниковых приборах. - Мир, 1968 г., стр.211).

Электропроводность используемых в термоэлектричестве кристаллов (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ равна 900-1050 1/Ом·см, в то время как электропроводность широко используемых металлов находится в пределах 6·10⁵-1·10⁴ 1/Ом·см. Плотность мощности, выделяемой при протекании электрического тока, равна ε=j²ρ (1), где j - плотность тока, ρ - удельное сопротивление материала. Из выражения (1) следует, что при электроискровой резке кристаллов (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ при прохождении импульса тока в зоне протекания тока плотность выделяемого тепла на два порядка превосходит плотность выделяемого тепла при обработке металла, что вызывает значительно большие тепловые напряжения в обрабатываемом кристалле. Кроме того, кристаллы (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ являются хрупким материалом: его предельная относительная деформация составляет доли процента, в то время как предельная относительная деформация широко используемых металлов колеблется в пределах 10-60%. Указанные отличия физических свойств сравниваемых материалов ведут к тому, что возникающие при прохождении импульса тока тепловые напряжения ведут к растрескиванию кристалла (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ на большую глубину (порядка 1 мм), в результате чего происходит не резка, а дробление кристалла при использовании известного способа электроискровой резки пластин.

В рамках данной заявки решается задача разработки способа, обеспечивающего высокоточную резку полупроводниковых пластин из кристаллов типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ в прямоугольной системе координат проволочным электродом при сохранении высокой скорости реза и плоскопараллельности пластин без скосов и т.д. Имеется потребность в разработке технологии с малой энергоемкостью производства.

Поставленная задача решается электроискровым способом резки полупроводниковых пластин из кристаллов типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ путем приложения двух электрических импульсов к промежутку между электродом и пластинами в жидкой диэлектрической среде, при этом передние фронты электрических импульсов совпадают во времени, напряжение первого импульса составляет не менее порогового напряжения пробоя промежутка, напряжение второго составляет ¹/₂ от порогового напряжения пробоя промежутка, длительности импульсов соотносятся как 1:2÷4 соответственно, а величины токов соответственно составляют 0,5÷2 А и 2÷10 А.

Предпочтительно плоскость реза задавать параллельно кристаллографической оси <111>.

В качестве жидкой среды целесообразно использовать дистиллированную деионизованную воду, а в качестве электрода использовать молибденовую проволоку диаметром 0,15÷0,25 мм.

Сущность данного способа состоит в обработке пластин из кристаллов типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ двумя электрическими импульсами, первый из которых осуществляет пробой промежутка между проволокой-электродом и разрезаемым кристаллом, а второй импульс проводит резку кристаллов сравнительно небольшой величиной тока - порядка 5-10 А.

Авторами экспериментально были установлены оптимальные технологические режимы электроискровой технологии резки полупроводниковых пластин из кристаллов типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ с использованием двух электрических импульсов при отсутствии известности общей закономерности выбора таких параметров импульсов, как напряжение, токи, длительность и кристаллографическая ориентация кристаллов данного типа.

Для лучшего понимания сущности данного изобретения ниже приведен конкретный неограничивающий пример электроискрового способа резки брусков пластин из кристаллов типа (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ на элементы в форме параллелепипедов.

Пример.

В качестве материала для резки используют пластины кристаллов (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ в форме брусков n-типа проводимости, электропроводностью 950 1/Ом·см. Бруски устанавливают в зажимы электроискрового станка так, чтобы кристаллографические оси брусков <111> были параллельны проволоке-инструменту. Станок снабжен генератором импульсов, включающем в себя задающий генератор и два генератора электрических импульсов: генератор импульсов напряжения с регулируемыми параметрами импульсов - напряжение 70-85 В, ток 0,5-3 А, длительность 1-5 мкс; и генератор импульсов тока с регулируемыми параметрами импульсов - напряжение 40 В, ток 2-10 А, длительность 2-15 мкс. Оба генератора электрических импульсов подключены к проволоке-электроду. В процессе резки используют два электрических импульса, передние фронты которых совпадают во времени. В качестве электродов используют молибденовую проволоку, а в качестве межэлектродной среды - дистиллированную деионизованную воду. Скорость резки набора брусков суммарной толщиной 70 мм при прямолинейном разрезании брусков кристаллов на элементы размерами 1,4×1,4×1,6 мм составляет не менее 6 мм/мин. Шероховатость поверхности реза не превышает 10 мкм, отклонение от параллельности не превышает 0,01 мм.

Перед началом работы в зажиме устанавливают 500 брусков размерами 41×1,4×1,6 мм по 50 брусков в ряду с образованием 10 рядов. Резку брусков осуществляют молибденовой проволокой диаметром 0,06 мм в следующем режиме: импульс, осуществляющий пробой промежутка между проволокой и бруском из полупроводникового материала (Bi_xSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃, имеет напряжение 80 В при величине тока 1 А и длительности 2 мкс. Импульс, с помощью которого осуществляют резку, имеет напряжение 40 В, ток 5 А и длительность 4 мкс. Плоскость реза имеет кристаллографическую ориентацию <111>. Получаемые при резке брусков элементы имеют шероховатость поверхности порядка 10 мкм.

Данный электроискровой способ резки хрупких полупроводниковых пластин позволяет получать так называемые термоэлектрические элементы в форме параллелепипедов с размерами ребер от 0,5 мм, применяемые для изготовления термоэлектрических модулей, и может быть использован в электронной промышленности, где имеется потребность в разрезании хрупких полупроводниковых пластин на точные элементы с плоскопараллельными поверхностями. Коммерческое преимущество данного способа состоит в снижении себестоимости пластин за счет повышения производительности процесса резки при сохранении качества изделий при низких энергозатратах.

Способ может быть использован при резке хрупких неметаллических материалов, в частности полупроводниковых пластин типа (Bi_хSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃, обладающих низкой электропроводностью. Два электрических импульса прикладывают к промежутку между электродом и пластинами в жидкой диэлектрической среде. Передние фронты электрических импульсов совпадают во времени. Напряжение первого импульса составляет не менее порогового напряжения пробоя промежутка, напряжение второго составляет ¹/₂ от порогового напряжения пробоя. Длительности импульсов соотносятся как 1:2÷4 соответственно, а величины токов соответственно составляют 0,5÷2 А и 2÷10 А. Способ обеспечивает малую энергоемкость, высокоточною резку пластин в прямоугольной системе координат проволочным электродом при сохранении высокой скорости реза и плоскопараллельности пластин. 4 з.п. ф-лы.

1. Электроискровой способ резки полупроводниковых пластин из кристаллов типа (Bi_хSb_1-x)₂(Te_ySe_1-y)₃ путем приложения двух электрических импульсов к промежутку между электродом и пластинами в жидкой диэлектрической среде, при этом передние фронты электрических импульсов совпадают во времени, напряжение первого импульса составляет не менее порогового напряжения пробоя промежутка, напряжение второго составляет ¹/₂ от порогового напряжения пробоя промежутка, длительности импульсов соотносятся как 1:2÷4 соответственно, а величины токов соответственно, составляют 0,5÷2 А и 2÷10 А.2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что длительность первого импульса составляет 1-5 мкс, а длительность второго 2-15 мкс.3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что плоскость реза параллельна кристаллографической оси <111>.4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве жидкой среды используют дистиллированную деионизованную воду.5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве электрода используют молибденовую проволоку диаметром 0,15-0,25 мм.