RU2167055C1

RU2167055C1 - Method for cutting of monocrystals and other brittle materials

Info

Publication number: RU2167055C1
Application number: RU99123304/03A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Дороговин; В.В. Мазулев; И.М. Филиппов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: mechanical treatment of solid brittle materials, in particular; methods for mechanical cutting of monocrystals into plates. SUBSTANCE: monocrystal is secured on a supporting structure, steel bands are fed installed on the machine frame and being in reciprocating motion, abrasive suspension is fed to the cutting zone, bars, whose axis is perpendicular to the direction of motion of the saw blades, and their height is larger than the height of the monocrystal to be cut, are installed on both sides of the monocrystal to be cut in the direction of motion of the saw blades. Use is made of bars of the rectangular or trapezoidal shape, where one lateral side facing the monocrystal to be cut is perpendicular to the bases, and the other is deflected from the first one by an angle of 5 to 10 deg, the bars are fastened to the supporting structure with the lesser base. EFFECT: enhanced accuracy of orientation of the plates to be cut relative to the crystallographic axes, improved planeness with the aim of production of highly qualitative semi-finished products of the supporting structures for acoustoelectronics, optics and semiconductor equipment. 5 cl, 2 dwg, 2 ex

Description

Изобретение касается механической обработки твердых хрупких материалов, а именно способов механической резки монокристаллов на пластины, и может быть использовано в полупроводниковой технике, производстве электронных и оптических деталей и компонентов. The invention relates to the machining of brittle hard materials, namely, methods for machining single crystals into wafers, and can be used in semiconductor technology, the production of electronic and optical parts and components.

Известен способ резки твердых хрупких материалов (пат. Японии, N 5-2489, МКИ: В 28 1/22), в котором используют кольцеобразное резательное полотно, имеющее режущие лезвия на внутренней кромке. Полотно приводят во вращение и одновременно из сопел, сформированных с обеих сторон полотна, выбрасывают сжатый воздух, чтобы не допускать изгиба полотна. Лезвие приводят в контакт со слитком и выполняют резку. Для ориентированной нарезки пластин из монокристалла в описанном способе требуются дополнительные затраты, а именно установление приспособления, регулирующего изгиб режущего полотна, использование сжатого воздуха, в то время как способ не отличается достаточной точностью ориентации отрезаемых пластин. A known method of cutting hard brittle materials (US Pat. Japan, N 5-2489, MKI: B 28 1/22), which use an annular cutting blade having cutting blades on the inner edge. The canvas is rotated and at the same time compressed air is ejected from the nozzles formed on both sides of the web to prevent the web from bending. The blade is brought into contact with the ingot and cut. For oriented cutting of single crystal wafers in the described method, additional costs are required, namely, the installation of a device that regulates the bending of the cutting blade, the use of compressed air, while the method does not differ in the sufficient accuracy of orientation of the cut wafers.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ ориентированной резки монокристаллов стальными полотнами (В.А.Мостяев, В. И. Дюжиков Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. - М., Ягуар, с. 80-82), совершающими возвратно-поступательные движения относительно прижимаемых снизу кристаллов, установленных на рабочем столе перпендикулярно или под определенным углом к направлению возвратно-поступательного движения полотен. Абразивная суспензия подается на равномерно натянутые в раме стальные полотна. Она, взаимодействуя с монокристаллом, вызывает его резку на пластины. Однако в таком способе возможен изгиб части резательных полотен и, как следствие, увеличивается увод плоскости реза, что не обеспечивает достаточную точность ориентации отрезаемых пластин относительно кристаллографических осей, ухудшает прямолинейность плоскости реза пластины. The closest technical solution to the proposed method is a method for oriented cutting of single crystals with steel sheets (V.A. Mostyaev, V. I. Dyuzhikov Technology of piezoelectric and acoustoelectronic devices. - M., Jaguar, pp. 80-82), reciprocating movements relative to the crystals pressed from below, mounted on the desktop perpendicularly or at a certain angle to the direction of the reciprocating movement of the paintings. The abrasive slurry is fed onto steel sheets uniformly stretched in the frame. It, interacting with a single crystal, causes it to be cut into plates. However, in this method, it is possible to bend part of the cutting blades and, as a result, the cut-off plane increases, which does not provide sufficient accuracy of the orientation of the cut plates relative to the crystallographic axes, and worsens the straightness of the cut plane of the plate.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности ориентации отрезаемых пластин относительно кристаллографических осей, улучшение плоскостности поверхности с целью получения высококачественных полуфабрикатов подложек для акустоэлектроники, оптики и полупроводниковой техники. The objective of the invention is to increase the accuracy of orientation of the cut wafers relative to the crystallographic axes, improve the flatness of the surface in order to obtain high-quality semi-finished substrates for acoustoelectronics, optics and semiconductor technology.

Поставленная задача решается тем, что в способе резки монокристаллов и других хрупких материалов, включающем закрепление монокристалла на подложке, подачу его на стальные полотна, установленные на раме станка и совершающие возвратно-поступательные движения, подвод абразивной суспензии в зону резания, дополнительно с обеих сторон от разрезаемого монокристалла по направлению движения стальных полотен устанавливают на подложке бруски, ось которых перпендикулярна направлению движения стальных полотен, а высота их на 0,5-5,0 мм больше высоты разрезаемого монокристалла, причем устанавливают прямоугольного профиля бруски или бруски, имеющие трапецеидальный профиль, где одна боковая сторона, обращенная к разрезаемому кристаллу, перпендикулярна основаниям, а другая отклонена от первой на угол 5-10^o, и брусок закрепляют на подложке меньшим основанием. Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что с обеих сторон от разрезаемого монокристалла по направлению движения резательных стальных полотен устанавливают на подложке бруски, ось которых перпендикулярна направлению движения стальных полотен, а высота этих брусков на 0,5 - 5,0 мм больше высоты монокристалла, причем используют бруски прямоугольного профиля или трапецеидального профиля, где одна боковая сторона, обращенная к разрезаемому монокристаллу, перпендикулярна основаниям, а другая отклонена от первой на угол 5-10^o, брусок укрепляют на подложке меньшим основанием. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". В известных технических решениях, указанных в описании, не обеспечивается необходимая точность ориентации отрезаемых пластин, что необходимо для получения высококачественных полуфабрикатов для акустоэлектроники, оптики и полупроводниковой техники. Это достигается в заявляемом техническом решении.The problem is solved in that in the method of cutting single crystals and other brittle materials, including fixing the single crystal on a substrate, feeding it to steel sheets mounted on a machine frame and making reciprocating movements, supplying an abrasive slurry to the cutting zone, additionally on both sides of the cut single crystal in the direction of motion of the steel webs is set on the substrate bars, the axis of which is perpendicular to the direction of motion of the steel webs, and their height is 0.5-5.0 mm greater than the heights cut single crystal, wherein the set of the rectangular profile bars or blocks having a trapezoidal profile, where one lateral side facing the crystal being cut perpendicular to the bases, and the other is deviated from the first by an angle ^o 5-10, and the bar is fixed on the substrate smaller base. A comparative analysis of the proposed technical solution with the prototype shows that the claimed method differs from the known one in that on both sides of the cut single crystal in the direction of movement of the cutting steel sheets, bars are placed on the substrate, the axis of which is perpendicular to the direction of movement of the steel sheets, and the height of these bars is 0, 5 - 5.0 mm greater than the height of the single crystal, moreover, bars of a rectangular profile or trapezoidal profile are used, where one side facing the cut single crystal and is perpendicular to the bases, and the other is deviated from the first by an angle of 5-10 ^o , the bar is strengthened on the substrate with a smaller base. Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty." In the known technical solutions indicated in the description, the required accuracy of the orientation of the cut-off plates is not provided, which is necessary to obtain high-quality semi-finished products for acoustoelectronics, optics and semiconductor technology. This is achieved in the claimed technical solution.

При ограничении разрезаемого монокристалла брусками-сателлитами, расположенными перпендикулярно направлению движения резательных стальных полотен, набор стальных лент, закрепленных в раме станка параллельно друг другу, врезается сначала в бруски-сателлиты, затем в кристалл. При этом прорези в брусках- сателлитах являются направляющими для стальных полотен, благодаря чему предотвращается соскальзывание резательных стальных полотен из-за неровностей поверхности монокристалла (например, були) в момент врезания. В то же время бруски-сателлиты таким образом устраняют неровность износа стальных полотен в зоне резки. В результате повышается точность ориентации реза и поверхности пластин относительно кристаллографических осей. Оптимальная высота брусков-сателлитов, на 0,5-5,0 мм больше высоты разрезаемого кристалла, выбрана опытным путем. Использование брусков-сателлитов высотой больше высоты разрезаемого монокристалла на величину менее 0,5 мм не обеспечивает желаемого результата, а именно точности реза, возможно явление соскальзывания резательных полотен с монокристалла, а использование брусков-сателлитов больше высоты разрезаемого монокристалла на высоту более 5,0 мм экономически нецелесообразно. Применение в способе брусков-сателлитов прямоугольного профиля позволяет снизить отклонение от кристаллографической ориентации между пластинами, разрезаемыми в одном цикле, до ± 30 с, улучшить плоскостность, уменьшить припуск по толщине, необходимый для последующей обработки. Использование брусков-сателлитов трапецеидального профиля, где одна боковая сторона, обращенная к разрезаемому монокристаллу, перпендикулярна основаниям, а другая отклонена от первой на угол 5-10^o, и укрепленных на подложке меньшим основанием. Позволяет не уменьшать амплитуду возвратно-поступательного движения набора стальных полотен, которую при обычном способе необходимо уменьшить из-за износа режущей кромки полотен в зоне реза - образования так называемой "ступеньки", которая увеличивается в течение резки, и может привести к сколам или к разрушению пластин. Оптимальный угол отклонения одной боковой стороны бруска-сателлита от другой, равный 5-10^o, выбран опытным путем. Изменение угла от этого значения в большую или меньшую сторону ухудшают условия резки на пластины.When restricting the cut single crystal to satellite bars located perpendicular to the direction of movement of the cutting steel sheets, a set of steel bands fixed in the machine frame parallel to each other, cuts into the satellite bars first, then into the crystal. In this case, the slots in the satellite bars are guides for steel sheets, which prevents the cutting of steel sheets from slipping due to surface irregularities of the single crystal (for example, boules) at the time of cutting. At the same time, satellite bars thus eliminate the unevenness of wear of steel sheets in the cutting zone. As a result, the accuracy of the orientation of the cut and the surface of the plates relative to the crystallographic axes is increased. The optimal height of the satellite bars, 0.5-5.0 mm greater than the height of the cut crystal, was selected experimentally. The use of satellite bars higher than the height of the cut single crystal by less than 0.5 mm does not provide the desired result, namely, the accuracy of the cut, the phenomenon of slipping of the cutting blades from the single crystal is possible, and the use of satellite bars is more than the height of the cut single crystal to a height of more than 5.0 mm not economically feasible. The use of a rectangular profile satellite bars in the method reduces the deviation from the crystallographic orientation between the plates cut in one cycle to ± 30 s, improves flatness, and reduces the thickness allowance necessary for subsequent processing. The use of satellite bars of a trapezoidal profile, where one side facing the cut single crystal is perpendicular to the bases, and the other deviated from the first by an angle of 5-10 ^o , and mounted on a substrate with a smaller base. Allows you to not reduce the amplitude of the reciprocating movement of a set of steel sheets, which in the usual way must be reduced due to wear of the cutting edge of the sheets in the cutting zone - the formation of the so-called "step", which increases during cutting, and can lead to chips or destruction plates. The optimal angle of deviation of one side of the satellite bar from the other, equal to 5-10 ^o , was selected empirically. Changing the angle from this value up or down worsens the cutting conditions on the insert.

На фиг. 1 изображена схема резки монокристаллов (кварца, сапфира, граната, лангасита) и других хрупких материалов в продольном разрезе; на фиг.2 - вид сверху. In FIG. 1 shows a diagram of the cutting of single crystals (quartz, sapphire, garnet, langasite) and other brittle materials in a longitudinal section; figure 2 is a top view.

Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Монокристаллы 1, например лантан-галлиевый силикат со средним диаметром 85 мм (фиг. 1), наклеивают клеем 2 под требуемым углом к кристаллографическим осям на стеклянную подложку 3 и подставку станка 4. С обеих сторон монокристалла наклеивают бруски-сателлиты 5 прямоугольного профиля перпендикулярно движению резательных стальных полотен, высота которых на 2 мм больше высоты разрезаемого монокристалла 1. Бруски изготовлены, например, из стекла. Набор стальных полотен 6, параллельных друг другу, закреплен на раме станка и совершает возвратно-поступательное движение с определенной амплитудой. Одновременно осуществляется подача в зону резки монокристаллов и брусков-сателлитов 5 с давлением, а также подача абразивной суспензии. При этом осуществляется ориентированная резка монокристалла на пластины для пьезоизделий. Причем в процессе резки амплитуду возвратно-поступательного движения постепенно уменьшают плавно или ступенчато для предотвращения сколов.Case Studies
Example 1. Single crystals 1, for example, lanthanum-gallium silicate with an average diameter of 85 mm (Fig. 1), are glued with glue 2 at the required angle to the crystallographic axes on the glass substrate 3 and the stand of the machine 4. On each side of the single crystal, the satellite bars 5 are glued profile perpendicular to the movement of cutting steel sheets, the height of which is 2 mm greater than the height of the cut single crystal 1. The bars are made, for example, of glass. A set of steel sheets 6, parallel to each other, mounted on the frame of the machine and performs a reciprocating movement with a certain amplitude. At the same time, single crystals and satellite bars 5 are fed into the cutting zone with pressure, as well as an abrasive slurry is supplied. In this case, oriented cutting of the single crystal into wafers for piezoelectric products is carried out. Moreover, during the cutting process, the amplitude of the reciprocating motion is gradually reduced smoothly or stepwise to prevent chips.

Пример 2. То же, что и в примере 1, но бруски-сателлиты 5 используют трапецеидального профиля, где одна боковая сторона, обращенная к монокристаллу, перпендикулярна основаниям, а другая отклонена от первой на угол 7^o. В этом случае амплитуда возвратно-поступательного движения резательных стальных полотен не изменяется до конца резки. Получаем высококачественные полуфабрикаты подложек.Example 2. The same as in example 1, but the bars-satellites 5 use a trapezoidal profile, where one side facing the single crystal is perpendicular to the bases and the other deviated from the first by an angle of 7 ^o . In this case, the amplitude of the reciprocating motion of the cutting steel sheets does not change until the end of the cutting. We get high-quality semi-finished substrates.

Использование предлагаемого способа резки монокристаллов и других хрупких материалов по сравнению с существующими способами позволяет повысить точность ориентации отрезаемых пластин относительно кристаллографических осей, улучшить плоскостность, снизить припуск и может быть использован в производстве акустоэлектронной, электронной и оптической техники. Using the proposed method of cutting single crystals and other brittle materials in comparison with existing methods can improve the accuracy of the orientation of the cut plates relative to the crystallographic axes, improve flatness, reduce the allowance and can be used in the production of acoustoelectronic, electronic and optical equipment.

Claims

1. A method of cutting single crystals and other brittle materials, including fixing the single crystal on a substrate, feeding it to steel sheets mounted on a machine frame and making reciprocating motion, supplying an abrasive slurry to the cutting zone, characterized in that it is additionally cut from both sides of the cut single crystal in the direction of movement of steel sheets set on the substrate bars, the axis of which is perpendicular to the direction of movement of steel sheets, and their height is 0.5-5.0 mm greater than the height of the cut okristalla.

2. The method according to claim 1, characterized in that the bars of a rectangular profile are installed.

3. The method according to claim 1, characterized in that the bars are installed having a trapezoidal profile, where one side facing the cut single crystal is perpendicular to the bases, and the other is deflected from the first by an angle of 5-10 ^o , the bar is mounted on a substrate with a smaller base .