專利名稱：劈割脆性材料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及劈割，并且更具體而言，涉及將脆性材料劈成薄切片(thin section )的方法和裝置。
技術(shù)背景半導(dǎo)體或類似材料的薄平"晶片"對(duì)于光電設(shè)備和其它固態(tài)電子 設(shè)備，以及用于各種系統(tǒng)例如微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的基片是很 有用的。目前，它們通常是將材料的晶塊或鑄造坯料鋸開然后將所得 薄片拋光得到的。鋸切方法會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物并且成本昂貴。這樣 的高成本限制了某些產(chǎn)品的市場(chǎng)，例如光電系統(tǒng)。打磨和拋光晶體以 獲得薄切片的傳統(tǒng)技術(shù)會(huì)給晶體帶來(lái)瑕疵和污染。依靠附加工藝制造 薄切片的可替代方法還未能證實(shí)可獲得高質(zhì)量材料。迄今為止設(shè)計(jì)出 的用于劈成薄片的方法，即在晶體上粘接延伸體，只對(duì)很小的切片適 用，并且去除粘合劑很麻煩而緩慢。傳統(tǒng)劈割很薄的切片的主要問(wèn)題 之一在于劈割時(shí)兩個(gè)部分極其不同的性狀。晶體的主體保持相當(dāng)?shù)膭?性，但是薄切片不能抵抗同樣的力，因此劈刀片向旁邊轉(zhuǎn)向，在達(dá)到 完全劈開前使薄切片斷裂。因此，需要改進(jìn)的劈割脆性材料的方法和裝置。發(fā)明內(nèi)容依據(jù)本發(fā)明的方面，提供了用于劈割脆性材料的棒料的切片的裝 置。所述裝置包括，適于將棒料的切片部分固持在待劈割位置的支撐 件；刀片；致動(dòng)器，該致動(dòng)器與刀片連接用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分通過(guò) 棒料以生成棒料的被劈割部分；和用于在劈割期間接合棒料端部的隨 動(dòng)器。還提供了用于劈割脆性材料棒料的方法。


圖l是側(cè)立面圖，示意性示出了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于劈割脆 性材料的裝置。圖2是放大的側(cè)立面圖，示意性示出了圖l裝置的處于第一位置 的刀片。圖3是側(cè)立面圖，示意性示出了處于第二位置的圖2裝置部分的 刀片。圖4是與圖2相似的處于第一位置的本發(fā)明用于劈割脆性材料的裝置的另一實(shí)施例的側(cè)立面圖。圖5是與圖3相似的處于第二位置的圖4的裝置部分的側(cè)立面圖。 圖6是與圖2相似的本發(fā)明用于劈割處于第一位置的脆性材料裝置的另外實(shí)施例的側(cè)立面圖。圖7是與圖3相似的圖6處于第二位置的裝置部分側(cè)立面圖。 圖8示意性示出了依據(jù)本發(fā)明一個(gè)方法的劈割過(guò)程的開始。 圖9示意性示出了依據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方法的劈割過(guò)程的開始。 圖IO示意性示出了依據(jù)本發(fā)明另外方法的劈割過(guò)程的開始。 圖11A示意性示出了在本發(fā)明另一個(gè)方法中的劈割過(guò)程的開始階段過(guò)程中處于第一位置的刀片。圖IIB示意性示出了在圖IIA中表示的劈割中處于第二位置的刀片。圖12A是與圖2相似的本發(fā)明處于第一位置的用于劈割脆性材料 裝置的另一實(shí)施例的側(cè)立面圖。圖12B是與圖3相似的處于第二位置的圖12A的裝置部分的側(cè)立 面圖。圖13A示意性示出了依據(jù)本發(fā)明方法劈割脆性材料的槽、刀片和 支撐板。圖13B示意性示出了依據(jù)本發(fā)明方法的劈割過(guò)程的開始。圖13C示意性示出了在依據(jù)本發(fā)明方法的圖13B所示步驟中引發(fā)的裂隙的擴(kuò)展(propagation )。圖13D示意性示出了依據(jù)本發(fā)明方法的劈割過(guò)程的擴(kuò)展。圖14A示意性示出了依據(jù)本發(fā)明方法劈割脆性材料棒料的刀片和支撐板。圖14B示意性示出了依據(jù)本發(fā)明方法的劈割過(guò)程的開始。 圖14C示意性示出了在依據(jù)本發(fā)明方法的圖14B所示步驟中引起 的裂隙的擴(kuò)展。圖14D示意性示出了依據(jù)本發(fā)明方法的劈割過(guò)程的擴(kuò)展。圖15是放大透視圖，示意性示出了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的刀片。
具體實(shí)施方式
在下文中參考附圖對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。要指出的是， 示圖不是按比例繪制的并且具有相似結(jié)構(gòu)或功能的部分在全部示圖中 以相同的參考數(shù)字表示。還要指出的是，正文和示圖只是要便于描述 本發(fā)明的具體實(shí)施例。并不是要將它們作為本發(fā)明的窮舉說(shuō)明或?qū)Ρ?發(fā)明范圍的限定。另外，結(jié)合本發(fā)明特定實(shí)施例描述的情況并非必須 限定于該實(shí)施例，而是可以在本發(fā)明的任何其它實(shí)施例中實(shí)施。依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置IO可以用于，例如，劈割出脆性材料棒 料的切片(見圖l)。此處所用的脆性材料一般是指在折斷或破碎前只 能承受少量變形的材料。硅或其它常用的半導(dǎo)體/基片材料(例如砷化 鎵和藍(lán)寶石)通常是硬的和/或脆的。但是，在單晶狀態(tài)時(shí)，這些脆性 材料的薄片是可劈割的，并且可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制成。因此，此 處所用的"薄"片或"薄的"部分， 一般是指足夠薄從而在破碎前能 承受比材料為大塊時(shí)要大的適量的變形量的脆性材料的片或塊。通常， 依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，優(yōu)選小于200微米厚的硅的晶片是薄片。本發(fā)明 的其它實(shí)施例可使用更大或更小厚度的硅。在某些實(shí)施例中，生成具 有50-200微米厚度的硅晶片。在本發(fā)明的實(shí)施例中也可以生成其它 的厚度。裝置10包括底托元件或基座12和直立構(gòu)造，該直立構(gòu)造包括多個(gè)側(cè)部框架元件14和頂板16。雖然為了避免遮蔽本發(fā)明的圖示而未 在圖1中示出，裝置IO可包括一對(duì)顯微鏡用以幫助刀片定位和對(duì)準(zhǔn)。 在裝置10中還可以包括柔性帶、纜或鏈或齒條和小齒輪(未示出)以 便向線性運(yùn)動(dòng)移動(dòng)提供旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)器24。裝置10進(jìn)一步包括刀片18;致動(dòng)器20,該致動(dòng)器20與刀片18 連接用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分穿過(guò)脆性材料的棒料或晶塊(boule) 22 以生成該棒料的被劈割部分；和隨動(dòng)器24，用于在劈割期間接合棒料 22的端部26。裝置10可包括推進(jìn)機(jī)構(gòu)例如推桿28以供給脆性材料的 晶塊22。任何合適的致動(dòng)器或馬達(dá)，未示出，都可與推桿28連接用 于將晶塊22朝向裝置IO的切割機(jī)構(gòu)移動(dòng)。包括有前導(dǎo)向件30、后導(dǎo) 向件32和豎直導(dǎo)向件34的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)被設(shè)置用以引導(dǎo)晶塊22進(jìn)入用于 劈割的位置。設(shè)置了精細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置36，并且前導(dǎo)向件30被優(yōu)選 地固定在滑座36的一個(gè)或更多的固定位置上，而后導(dǎo)向件32被可滑 動(dòng)地安裝在滑座36上。具體地講，精細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置36可以調(diào)節(jié)晶 塊22的位置以確定切割深度，并且在一些實(shí)施例中，當(dāng)切割進(jìn)行時(shí)調(diào) 節(jié)刀片的位置(見圖14)。前導(dǎo)向件30可以是精細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置36 的一部分。后導(dǎo)向件32可以是晶塊推進(jìn)機(jī)構(gòu)28的一部分并且沿精細(xì) 調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置36行進(jìn)。精細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置36可以是線性運(yùn)動(dòng)臺(tái) (stage),其包括與基座12連接的固定軌道35和可移動(dòng)軌道37，該 可移動(dòng)軌道37由固定軌道35支撐并相對(duì)固定軌道35可移動(dòng)。在晶塊 22由推桿28輸送到粗略位置后，精細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置36為晶塊22相 對(duì)于刀片18的位置提供精細(xì)的并且是最終的調(diào)節(jié)。精細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置 36可以被馬達(dá)驅(qū)動(dòng)并被自動(dòng)控制。桿夾推桿38與桿夾致動(dòng)器或馬達(dá) 40連接以便牢固握持或夾緊晶塊22，使其向下并在導(dǎo)向件30和32 以及滑動(dòng)裝置36上處于適當(dāng)位置。墊片39可與桿夾推桿38的下部連 接用以接合晶塊22。板17被設(shè)置用以支撐刀片18和隨動(dòng)器調(diào)節(jié)組件 64,其將在下面描述。板17在直線軸承50上上下運(yùn)動(dòng)。刀片18優(yōu)選地足夠硬以抵抗劈割操作中的過(guò)度磨損。優(yōu)選地，刀 片18足夠堅(jiān)固以避免在劈割負(fù)載下?lián)锨?。作為示例，劈?0mm寬的硅平面的典型劈割負(fù)載為大約3 - 5牛頓。適合用于劈開脆性材料例 如硅的代表性材料包括帶有或不帶TIN涂層的淬硬工具鋼、氧化鋯、 碳化鴒和藍(lán)寶石。根據(jù)所需的力和刀片材料的強(qiáng)度，刀尖的厚度典型 地為近于20微米以避免撓曲。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，刀片18是磨成凹形的刀片，如圖l-6和 15所示。應(yīng)該理解，刀片18可以是任何適合的形式或形狀，例如V 形。如在圖15中更詳細(xì)地示出，磨成凹形的刀片18具有一前刃42 和從前刃42延伸出去的凹弧形表面44。在劈割過(guò)程中凹弧形表面44 引起被劈割材料彎曲。將凹弧形表面44的曲線選擇成可使給定厚度的 脆性材料彎曲而不折斷。凹弧形表面44的半徑取決于被劈割材料的強(qiáng) 度和被劈割切片的厚度。優(yōu)選地，刀片18的凹弧形表面44具有的孤 度近似于下面將描述的隨動(dòng)器24的凸起弧形表面78的弧度。所述弧 度可以延伸跨越刀片18的整個(gè)底表面，或延伸到至少與要劈割薄片的 寬度等長(zhǎng)的距離。例如，65微米厚的硅典型地具有大約62mm的最小 彎曲半徑。刀片18的切割表面可以是經(jīng)過(guò)處理的，例如通過(guò)永久性的 膜或潤(rùn)滑劑以便在刀片劈割時(shí)減少摩擦。致動(dòng)器20與刀片18連接，用于對(duì)刀片18施加作用力從而驅(qū)動(dòng)刀 片18朝向并優(yōu)選地通過(guò)晶塊22。壓力盒46與致動(dòng)器20相結(jié)合用以 測(cè)量施加在刀片18上的力?？扇〉氖且跃徛⑹芸氐姆绞津?qū)動(dòng)刀片 18以避免對(duì)刀片的損壞并減少錯(cuò)誤劈割的機(jī)會(huì)。象硅一樣硬的、脆性 材料在它們劈裂時(shí)其內(nèi)部具有相當(dāng)大的應(yīng)變，因此它們的劈裂速度， 即裂隙穿過(guò)材料行進(jìn)的速度，接近聲速或大約為每秒數(shù)公里。然而， 在切割薄切片時(shí)，薄切片中的應(yīng)變迅速釋放，將每個(gè)單獨(dú)的劈裂部分 限制在大約lmm的距離。這樣，為獲得所關(guān)心的切片(大約100平 方毫米)，就需要重復(fù)地預(yù)先做出裂隙。如果由于刀片和正被劈割材料 中的應(yīng)變突然釋放導(dǎo)致刀片在劈割時(shí)向前跳動(dòng)，刀片可能會(huì)使薄片/ 隨動(dòng)器系統(tǒng)過(guò)載，增加了裂隙在薄片中轉(zhuǎn)向的可能性，因此毀壞薄片。 以緩慢、受控的方式移動(dòng)刀片也是可取的，以便與隨動(dòng)器的位置相匹 配，將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。結(jié)構(gòu)支撐件(physical support)或支撐板48可在劈割期間，特 別是劈割初始階段(見圖1-2)，用于導(dǎo)向刀片18。支撐板48可由軸 承例如直線軸承50支撐，所述軸承可在導(dǎo)向件34上上下行進(jìn)。固定 件47可用于將支撐板48結(jié)合在軸承50上。作為示例，支撐板48可 包括表面49，該表面49基本垂直于晶塊22的頂表面52,因此支撐板 48在劈割期間對(duì)準(zhǔn)并支撐刀片18。支撐板48還可包括延伸到溝槽中 的一凸緣，將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。隨動(dòng)器24適于在劈割期間與晶塊22的端部26接合。隨動(dòng)器24 還可以起到在劈割期間以緩慢且受控的方式起引導(dǎo)刀片18的作用。隨 動(dòng)器24可通過(guò)任何適合的手段例如多個(gè)螺栓或其它緊固件55與聯(lián)接 件54相連，從而剛性地固定在聯(lián)接件54上。聯(lián)接件54可通過(guò)任何適 合的裝置與隨動(dòng)器支撐組件61相結(jié)合，并且如所示出的，通過(guò)延伸穿 過(guò)軸62下端的樞軸或銷60可樞轉(zhuǎn)地或可旋轉(zhuǎn)地與組件61結(jié)合。支撐 組件61包括軸62，固定在軸62上端的調(diào)節(jié)組件64,以及旋轉(zhuǎn)止動(dòng)調(diào) 節(jié)件66,其用于限定聯(lián)接件54和隨動(dòng)器24相對(duì)于軸62的角位移。 調(diào)節(jié)組件64用于通過(guò)例如桿63和螺栓65將軸62固定到板17上，并 用于通過(guò)螺栓67使得軸62高度被調(diào)節(jié)，從而使銷60的旋轉(zhuǎn)軸線處于 薄片彎曲發(fā)生的位置。組件64進(jìn)一步允許軸62且因此銷60和隨動(dòng)器 24在平行于刀片18的路徑上產(chǎn)生垂直移動(dòng)，并與刀片18協(xié)調(diào)一致。 隨動(dòng)器24依靠某些摩擦組合圍繞銷60轉(zhuǎn)動(dòng)，所述某些摩擦組合在隨 動(dòng)器表面76與晶塊22的端表面26之間，來(lái)自隨動(dòng)器24上部分上的、 即表面77上的薄片頂部的壓力，和/或顯式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)例如安裝在銷60 上帶有安裝在頂板16上的鏈、繩纜或柔性帶的皮帶輪，或安裝在銷 60上的小齒輪以及安裝在基座12上的齒條，或受控以使銷60在適當(dāng) 時(shí)間并以適當(dāng)速度轉(zhuǎn)動(dòng)的合適的馬達(dá)。表面44和78之間摩擦的控制 是依靠表面44和78之一或兩個(gè)上的抗摩擦涂層和/或?qū)㈦S動(dòng)器24上 部的尺寸定為相對(duì)于刀片18松弛地配合，以便不結(jié)合在刀片18上。 在刀片18前進(jìn)時(shí)，調(diào)節(jié)組件64也向下移動(dòng)，其使軸62向下移動(dòng)。隨 動(dòng)器表面和晶塊22的端面26之間的摩擦引起聯(lián)接件54和隨動(dòng)器24圍繞銷60轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)?shù)镀?8前進(jìn)時(shí)，隨動(dòng)器24向下移動(dòng)并靠脆 性材料的被劈割部分轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2和3所示，在劈割期間，隨動(dòng)器24 圍繞旋轉(zhuǎn)的軸線68轉(zhuǎn)動(dòng)，該旋轉(zhuǎn)軸線68由銷60的中心線限定。當(dāng)?shù)?片18前進(jìn)時(shí)，銷60的位置，從而也就是旋轉(zhuǎn)的軸線68，從圖2中所 示的第一位置68A向下移動(dòng)到圖3中所示的第二位置68B。在圖2和3中所示的一個(gè)實(shí)施例中，隨動(dòng)器24是滾動(dòng)隨動(dòng)器，其 具有至少一個(gè)與圓弧類似的凸起弧形表面。在優(yōu)選實(shí)施例中，隨動(dòng)器 24可包括適于與晶塊22的端部26接合的第一凸起弧形表面76，和在 劈割期間適于與刀片18接合的第二凸起弧形表面78。徑向延伸表面 77從第一凸起表面76延伸到第二凸起表面78。徑向延伸表面77與脆 性材料的一部分接合并具有與脆性材料所述部分的厚度大致相等的半 徑。第二凸起弧形表面78可設(shè)置有具有與刀片18的凹弧形表面44 的弧線相近似的弧線，并且優(yōu)選的是表面78延伸通過(guò)近似于刀片18 的弧44的長(zhǎng)度的弧。第一凸起弧形表面76具有第一半徑80，第二凸 起弧形表面78具有第二半徑82，其優(yōu)選地與表面44的半徑近似。第 一半徑80的長(zhǎng)度取決于正被劈割材料的強(qiáng)度和正被劈割部分的厚度。 表面76的弧的長(zhǎng)度優(yōu)選地要足夠長(zhǎng)從而能在隨動(dòng)器24的整個(gè)移動(dòng)區(qū) 域內(nèi)覆蓋晶塊22的部分84的表面。選擇第一和第二半徑80和82以 及被劈割部分84的厚度，從而使第二凸起孤形表面78與刀片18的凹 弧形表面44相接合，同時(shí)第一凸起弧形表面76與脆性材料的被劈割 部分84相接合。作為示例，第一半徑80比第二半徑82小，差距近似 于被劈割部分84的厚度。隨動(dòng)器24可具有其它實(shí)施方式并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，隨 動(dòng)器24可包括柔性薄片或條狀物86和可移動(dòng)部件，該可移動(dòng)部件對(duì) 條狀物86施加力從而推壓條狀物使其靠在晶塊上(見圖4 - 5 )。應(yīng)該 理解柔性薄片86是可選擇的而不是要求的?？梢苿?dòng)部件可以是任何合 適的類型，例如可旋轉(zhuǎn)輥88，如圖4-5所示，或滑塊卯，如圖6-7 所示并在下面描述。輥88以樞轉(zhuǎn)結(jié)合在軸62的下端，例如通過(guò)銷60， 并且通過(guò)與條狀物86的摩擦被可旋轉(zhuǎn)促動(dòng)，例如憑借輥88和條狀物86之間的有些粗糙的涂層或小傳動(dòng)裝置，因而當(dāng)輥88和刀片18在致 動(dòng)器20的作用力下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在圖4-5中，輥88圍繞軸線68沿 順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。輥88也可由齒條和小齒輪或帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出) 驅(qū)動(dòng)。柔性條狀物86可具有適于與脆性材料的被劈割部分84接合的 第一部分92,和適于與刀片18接合的第二部分94。第一部分92具有 第一厚度而第二部分具有第二厚度。作為示例，第一厚度比第二厚度 小，該差距近似于被劈割部分84的厚度。由于輥88在劈割期間向下 運(yùn)動(dòng)并圍繞軸線68旋轉(zhuǎn)，刀片18前進(jìn)而輥88壓迫柔性條狀物86使 與晶塊22和刀片18接合，從而控制脆性材料的被劈割部分84上的向 外的力并保持刀片18對(duì)準(zhǔn)以便正確劈割。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，隨動(dòng)器24的條狀物86包括沖擊波吸 收層96，如圖6-7中所示，其可以是彈性體層，緩沖來(lái)自每個(gè)連續(xù) 劈裂的沖擊波。在有些實(shí)施例中，彈性體層96被夾在第一和第二柔性 片例如第一和第二薄鋼片98和99之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一片體 98與圖4-5中所示的條狀物86相似，并具有第一和第二部分92和 94。可替代地，如果彈性體足夠堅(jiān)固，彈性體層96可與晶塊22直接 接合，在這種情況下彈性體層優(yōu)選地形成有第一和第二部分92和94。滑塊90可用于對(duì)柔性條狀物86施加作用力(見圖6-7)。在刀 片18下降時(shí)，滑塊90向下移動(dòng)并優(yōu)選地與軸62的下端連接，并且更 優(yōu)選地剛性固定在軸62的下端。支承表面91可被設(shè)置在滑塊90上并 由低摩擦系數(shù)塑料形成，用于滑動(dòng)地接合柔性條狀物86?？商娲?， 液壓支承或其它常用的平面支承或任何其它適合的裝置都可以被用作 形成滑塊卯的支承表面91。在操作中，桿夾38被提升以使脆性材料的晶塊22被推進(jìn)機(jī)構(gòu)例 如推桿28推動(dòng)或移動(dòng)到期望的位置以便劈割。這樣的推動(dòng)可以由前、 后晶塊導(dǎo)向件30和32引導(dǎo)。晶塊22的位置可通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置 36進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)晶塊22處于被劈割位置時(shí)，其端面26被推靠在隨動(dòng) 器24上處于相對(duì)刀片18合適的位置，以便確定期望的切割進(jìn)度，即 被劈割晶塊部分的期望厚度。然后起動(dòng)桿夾馬達(dá)40，使得桿夾38與晶塊22接合并將晶塊保持 在期望位置以便劈割。如果需要或期望在晶塊22和隨動(dòng)器24之間有 一些空間以供劈割，可將精細(xì)調(diào)節(jié)滑座36向后(離開刀片18)移動(dòng) 以提供此空間。桿夾推桿38的長(zhǎng)度和柔韌度可使晶塊22保持被牢固 地夾持。劈割致動(dòng)器20被起動(dòng)并向下驅(qū)動(dòng)刀片18,直至開始裂隙。這可 以通過(guò)刀片上的作用力放松而觀察到。然后精細(xì)調(diào)節(jié)滑座36被進(jìn)一步 向后移動(dòng)，以使刀片18背面沿初始的劈裂行進(jìn)?，F(xiàn)在刀片18進(jìn)一步 前進(jìn)。在刀片18前進(jìn)時(shí)，隨動(dòng)器調(diào)節(jié)組件64也向下移動(dòng)，其將隨動(dòng) 器軸桿62下移，通過(guò)任何上述手段轉(zhuǎn)動(dòng)銷60上的隨動(dòng)器，從而轉(zhuǎn)動(dòng) 隨動(dòng)器24。在劈割的最后，薄片可以通過(guò)兩種方法中的一種移除。從上面， 可使用攜帶裝置Uffordance)例如真空鑷子來(lái)抓取薄片。精細(xì)調(diào)節(jié) 滑座36進(jìn)一步向后移動(dòng)以釋放薄片，因而薄片被取出。從下面，刀片 18回退，然后精細(xì)調(diào)節(jié)滑座36進(jìn)一步向后移動(dòng)，從而將薄片釋放。 這些技術(shù)的組合或其它移去技術(shù)也可以使用。另一方面，本發(fā)明提供了劈割脆性材料棒料的方法。大體上，該 方法包括在棒料中引發(fā)裂隙和驅(qū)動(dòng)刀片穿過(guò)棒料而從棒料末端移去脆 性材料的一部分。在圖8中示出了劈割過(guò)程，其中刀片18依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例劈割脆 性材料棒料22。在這個(gè)實(shí)施例中，劈刀18在晶面上、優(yōu)選為弱晶面 上對(duì)脆性材料產(chǎn)生影響。例如，已知對(duì)于硅，(lll)面是最弱的，(110) 面幾乎一樣。劈割操作以可控的速度在脆性材料中進(jìn)行。迅速的裂隙擴(kuò)展可由 預(yù)期的斷裂面產(chǎn)生，典型地導(dǎo)致一系列微小的、增長(zhǎng)的裂隙。劈刀18 應(yīng)該足夠硬、足夠堅(jiān)固，并適當(dāng)?shù)爻尚鸵员銖牟牧系陌袅现袆冸x預(yù)期 的材料薄片。在一些實(shí)施例中，面對(duì)棒料22主體部分的刀片18的后側(cè)或表面 19基本上垂直于劈割面，該劈割面與晶塊的頂表面52平行，因此很少有或沒(méi)有力作用在刀片上將其推入被劈割的薄片中。在優(yōu)選實(shí)施例中，刀片的另 一側(cè)或相對(duì)表面21被做成足夠的角度從而足夠堅(jiān)固能夠 承受作用力，但是角度不要過(guò)大，否則被劈割薄片會(huì)承受過(guò)度的彎曲 從而折斷。為了確立適當(dāng)?shù)呐钇鹗键c(diǎn)，溝槽IOO被優(yōu)選地形成在要劈割的 棒料22中，如圖9所示。溝槽100可用于定位刀片18,這樣可在面 對(duì)大部分脆性材料刀片18的表面19下形成裂隙，從而防止或最小化 刀片的向外彎曲，所述向外彎曲可引起劈割偏離并損毀薄片。起始溝 槽還可減小刀片最頂端的壓力，減小了所需強(qiáng)度并增加了刀片(鋒利 度)壽命。在一些實(shí)施例中，起始溝槽可由面對(duì)被劈割棒料端部的豎直表面 101和面對(duì)大部分棒料的傾斜表面103形成。起始溝槽可采用的形式 為尖銳缺口、 V形或"鑰匙孔"缺口。圖9中所示的"鑰匙孔"缺口 IOO具有擴(kuò)大的底部或頂尖缺口 102,因而裂隙在豎直側(cè)面下開始。圖 10中所示的尖銳缺口 105依靠缺口尖端的應(yīng)力集中使得裂隙從豎直側(cè) 面下開始。本發(fā)明的缺口可以通過(guò)機(jī)械、化學(xué)或其它方式產(chǎn)生。例如， 起始溝槽所期望的形狀用金剛石車刀或用反應(yīng)離子刻蝕生成。除了棒料頂表面上的起始溝槽外，在棒料的側(cè)面和底部做出溝槽 以幫助更可靠地引導(dǎo)裂隙是有益的。在圖11A-11B中示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中在裂隙107被引 入棒料22中以后調(diào)節(jié)刀片18。在此實(shí)施例中，刀片18具有對(duì)稱的V 形，用于使開辟裂隙的刀片的強(qiáng)度最大化用于開始裂隙。在裂隙生成 后，刀片18靠向或傾向棒料22的端部，如圖11B中所示，使得面向 大部分的脆性材料的刀片表面19與棒表面26平行。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，形成于棒料22中的溝槽100間隔50 至100微米。起始溝槽IOO在刀片18下面對(duì)準(zhǔn)，然后將棒料22夾持 在適當(dāng)位置。此后對(duì)刀片18施加作用力。當(dāng)被劈割的薄片分離時(shí)，以 任何適當(dāng)?shù)姆绞綄⑵鋻穑缭谀承?shí)施例中是通過(guò)吸棒(suction wand)或氣體噴射。所述過(guò)程一直重復(fù)直至棒料22太短以至不能支持進(jìn)一步的劈割。然后可將另一棒料定位用于劈割。在圖12中示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中隨動(dòng)器24與棒料22的端 部26接合以限制薄片的被劈割部分上的向外作用力。隨動(dòng)器24,其 包括任何適合的可移動(dòng)部件例如輥88，在以緩慢和受控方式劈割的過(guò) 程中還引導(dǎo)刀片18。輥88在劈割點(diǎn)上支撐被劈割材料，從而限制離 開棒料22主體的力并協(xié)助防止薄片破碎或折斷。在本發(fā)明的另 一實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)支撐件或支撐板48被用于引導(dǎo)刀 片18(見圖13A-13D)。關(guān)于這一點(diǎn)，當(dāng)V形溝槽被形成在棒料22 中時(shí)，支撐板48可包括依靠凸緣104,該依靠凸緣104延伸到溝槽100 中，優(yōu)選為V形，提供暫時(shí)豎直表面106。暫時(shí)豎直表面106使刀片 18對(duì)準(zhǔn)形成V形溝槽IOO底部的尖點(diǎn)。當(dāng)?shù)镀?8下降時(shí)，支撐板48 支撐刀片18。在有些實(shí)施例中，腐蝕劑可被用于優(yōu)先破壞脆性材料的張緊結(jié)合 的溝槽和/或裂隙。因此，腐蝕劑可被用于減少所需作用力并使得裂開 速度被限制成比聲速小得多，從而產(chǎn)生更易控制的開裂。任何適合的 腐蝕劑都可以使用。例如，氫氧化鉀(KOH)溶液可用作硅的腐蝕劑。 可替代地，電化學(xué)反應(yīng)可被用于破壞脆性材料的緊結(jié)合。這可以通過(guò) 放入刀片中的導(dǎo)電層完成。在本發(fā)明的另外實(shí)施例中，刀片18的位置可以在引發(fā)裂隙后進(jìn)行 調(diào)整或移位。如圖14A-14D所示，可沿線110形成裂隙，該線110 不同于虛線112，在刀片18的豎直表面下方向下延伸到棒料22中。 在裂隙被生成和刀片刺入棒料22后，刀片18可以象圖14B過(guò)渡到圖 14C所示的那樣稍向薄片移位，因此當(dāng)?shù)镀?8繼續(xù)其向下的路徑時(shí)， 刀片18不向外壓。已經(jīng)通過(guò)各種實(shí)施例和方法對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，其中脆性材料 薄切片從脆性材料棒料的一個(gè)端部開始被劈割。將會(huì)理解，本發(fā)明還 適用于平分劈割，其中棒料沿垂直于晶塊22的縱軸線21(見圖l)的 路徑被連續(xù)地劈割。當(dāng)平分部分變得非常薄時(shí)，它們太脆弱以致于不 能通過(guò)傳統(tǒng)方法支持劈割。第一隨動(dòng)器可用于接合薄平分部分的一個(gè)端面，并且第二隨動(dòng)器可用于接合薄平分部分的相對(duì)端部。如上所述 的刀片、隨動(dòng)器和溝槽在平分劈割的后期階段是同樣可適用的，能夠 獲得比單獨(dú)使用傳統(tǒng)劈割方法薄得多的切片。在本發(fā)明的一個(gè)方面，用于劈割具有端部的脆性材料棒料切片的 裝置可被提供并包括適于將棒料的切片部分固持在待劈割位置的支撐 件、刀片、致動(dòng)器，該致動(dòng)器與刀片結(jié)合用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分通過(guò) 棒料以生成棒的被劈割部分，以及用于在劈割期間接合棒料的端部的 隨動(dòng)器。刀片可具有前刃和從該前刃延伸離開的凹弧形表面。刀片的凹弧 形表面可設(shè)置有孤線，并且隨動(dòng)器可具有凸起弧形表面，該凸起弧形 表面設(shè)置有與刀片的凹弧形表面的弧線近似的弧線。隨動(dòng)器可具有另 外的凸起弧形表面，并且徑向延伸表面可從首次指定的凸起弧形表面 延伸到另外的凸起弧形表面。棒料的被劈割部分可具有一厚度，并且 首次指定的凸起弧形表面可具有第一半徑，而另外的凸起弧形表面可 具有第二半徑，該第二半徑比第一半徑小，小的差距近似為棒料的被 劈割部分的厚度。棒料的被劈割部分可具有一厚度，并且隨動(dòng)器可包 括可移動(dòng)部件和固定在該可移動(dòng)部件上的至少一層材料，該至少一層 材料具有設(shè)置有第 一厚度的第 一部分和設(shè)置有第二厚度的第二部分， 該第二厚度比第一厚度小，小的差距近似為棒料的被劈割部分的厚度?？梢苿?dòng)部件可具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線能夠旋轉(zhuǎn)的部件。致動(dòng)器可沿行進(jìn)方 向驅(qū)動(dòng)刀片，并且可移動(dòng)部件可以是在平行于刀片行進(jìn)方向的方向上 可轉(zhuǎn)移的部件。所述至少一層材料可包括彈性體層。棒料的端部可具 有橫切棒料延伸的平的表面，并且隨動(dòng)器可包括平的表面，該表面從 凸起弧形表面延伸并且平行于棒料的端部的平的表面.在本發(fā)明的另 一個(gè)方面，用于劈割脆性材料棒的切片的裝置可被 設(shè)置并包括適于將棒料的切片部分固持在待劈割位置的支撐件，具有 前刃和凹區(qū)域的刀片，所述內(nèi)凹區(qū)域延伸離開前刃，以及致動(dòng)器，該 致動(dòng)器與刀片結(jié)合用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分通過(guò)棒料以生成棒料的被劈 割部分。凹區(qū)域可由凹弧形表面形成。在本發(fā)明的另 一個(gè)方面，劈割裝置可被設(shè)置并包括具有將被劈割 的切片的脆性材料棒，用于將棒料的切片部分固持在待劈割位置的支 撐件，刀片和致動(dòng)器，該致動(dòng)器與刀片結(jié)合用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分通 過(guò)棒料以生成棒料的被劈割部分。用于在劈割期間接合棒料端部的隨 動(dòng)器可被包括在內(nèi)。在本發(fā)明的另一個(gè)方面，劈割具有端部的脆性材料棒料的方法被 提供并包括，在棒料中引發(fā)裂隙并驅(qū)動(dòng)刀片通過(guò)棒料，以便從棒料的 末端移除脆性材料的一部分。驅(qū)動(dòng)步驟可包括以受控的速度驅(qū)動(dòng)刀片通過(guò)棒。引發(fā)步驟可包括在離棒料端部50-200微米的距離引發(fā)裂隙。脆性材料可包括晶體材 料。脆性材料可從硅、砷化鎵、鍺、硅-鍺和藍(lán)寶石中選擇。引發(fā)步 驟可包括驅(qū)動(dòng)刀片進(jìn)入脆性材料的棒中。所述方法可進(jìn)一步包括，在 驅(qū)動(dòng)刀片進(jìn)入棒料中引發(fā)裂隙之前，沿結(jié)構(gòu)支撐件引導(dǎo)刀片。所述方 法可進(jìn)一步包括，在沿裂隙驅(qū)動(dòng)刀片之前將刀片對(duì)準(zhǔn)裂隙。所述方法 可進(jìn)一步包括，在引發(fā)步驟之前，在棒料表面形成溝槽。所述形成步 驟可包括沿脆性材料的晶面形成溝槽。溝槽可設(shè)置有基本垂直于棒表 面延伸的一表面。溝槽可以是鑰匙孔狀溝槽。所述方法可進(jìn)一步包括 沿結(jié)構(gòu)支撐件引導(dǎo)刀片，結(jié)構(gòu)支撐件的至少一部分延伸到溝槽中以提 供基本垂直于棒料表面的引導(dǎo)表面。所述方法可進(jìn)一步包括對(duì)棒料端 部施加作用力。所述施加步驟可包括沿棒料端部移動(dòng)隨動(dòng)部件。由本發(fā)明提供的裝置和方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可將脆性材料劈割成 薄切片而沒(méi)有鋸屑。由上述內(nèi)容可以理解，雖然為了舉例說(shuō)明的目的在此對(duì)本發(fā)明的 具體實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但是在不偏離本發(fā)明的宗旨和范圍的情況下 可以做出各種修改變型。
權(quán)利要求
1. 一種裝置，其用于劈割具有端部的脆性材料棒料的一切片，該裝置包括適于將棒料的所述切片固持在要切割的位置的支撐件、刀片和致動(dòng)器，該致動(dòng)器與刀片結(jié)合用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分地通過(guò)棒料以生成棒料的被劈割部分；以及用于在劈割期間用于接合棒料的端部的隨動(dòng)器。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，刀片具有前刃和從該 前刃延伸離開的凹弧形表面。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，刀片的凹形弧形表面 設(shè)置有弧線，并且隨動(dòng)器具有凸起弧形表面，該凸形弧形表面設(shè)置有 與刀片的凹形弧形表面的弧線相近似的弧線。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，隨動(dòng)器具有另外的凸 形弧形表面及徑向延伸表面，徑向延伸表面從首次指定的凸形弧形表 面延伸到所述另外的凸形弧形表面。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，棒料的被劈割部分具 有一厚度，并且其中首次指定的凸形弧形表面具有第一半徑，而另外 的凸形孤形表面具有第二半徑，該第二半徑比第一半徑小，其小的差距近似為棒料的被劈割部分的厚度。
6. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，棒料的被劈割部分具 有一厚度，隨動(dòng)器包括可移動(dòng)部件和被該可移動(dòng)部件壓靠在棒料上的 至少一層材料，該至少一層材料具有設(shè)置有第一厚度的第一部分和設(shè) 置有第二厚度的第二部分，該第二厚度比第一厚度小，該小的差距近似為棒料的被劈割部分的厚度。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，可移動(dòng)部件是可圍繞 旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的部件。
8. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，致動(dòng)器沿行進(jìn)方向驅(qū) 動(dòng)刀片，可移動(dòng)部件是沿平行于刀片行進(jìn)方向可移動(dòng)的部件。
9. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述至少一層材料包 括彈性體層。
10. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，棒料的端部具有橫 向于棒料延伸的平面的表面，隨動(dòng)器包括有平面的表面，該隨動(dòng)器包
11. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，脆性材料的棒料具 有另一端部，其與首次指定的端部相對(duì)，所述裝置包括適于接合棒料 另一端部的另外的隨動(dòng)器。
12. —種用于劈割脆性材料的棒料的切片的裝置，包括支撐件， 其適于將棒料的所述切片固持在要劈割位置；刀片，其具有前刃和從 前刃延伸離開的凹形區(qū)域；以及致動(dòng)器，其與刀片結(jié)合用于驅(qū)動(dòng)刀片 至少部分地通過(guò)棒料以生成棒料的被劈割部分。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，凹形區(qū)域由凹形弧形表面形成o
14. 一種劈割裝置包括具有要被劈割切片的脆性材料棒料；用 于將棒料的所述切片部分固持在要劈割位置的支撐件、刀片以及致動(dòng) 器，該致動(dòng)器與刀片結(jié)合用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分地通過(guò)棒料以生成棒料的被劈割部分。
15. 如權(quán)利要求14所述的劈割裝置，進(jìn)一步包括隨動(dòng)器，用于在 劈割期間接合棒料的端部。
16. —種用于劈割具有端部的脆性材料的棒料的方法，包括在棒 料中引發(fā)裂隙，并驅(qū)動(dòng)刀片穿過(guò)棒料以便從棒料的端部移除脆性材料 的一部分。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，驅(qū)動(dòng)步驟包括以受 控的速度驅(qū)動(dòng)刀片穿過(guò)棒料。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，引發(fā)步驟包括，在 離棒料端部50 - 200微米的距離引發(fā)裂隙。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，脆性材料包括晶體 材料。
20. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，脆性材料選自硅、 砷化鎵、鍺、硅-鍺和藍(lán)寶石。
21. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，引發(fā)步驟包括，驅(qū) 動(dòng)刀片進(jìn)入脆性材料的棒料中。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括，在驅(qū)動(dòng)刀片進(jìn)入棒 料引發(fā)裂隙之前，沿結(jié)構(gòu)支撐件引導(dǎo)刀片。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括，在沿裂隙驅(qū)動(dòng)刀片 之前將刀片對(duì)準(zhǔn)裂隙。
24. 如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括，在引發(fā)步驟之前在 棒料的表面中形成槽。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，形成步驟包括沿脆 性材料的晶平面形成槽。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，溝槽設(shè)置有基本垂 直于棒料表面延伸的表面。
27. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，溝槽是鑰匙孔形槽。
28. 如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括，沿結(jié)構(gòu)支撐件引導(dǎo) 刀片，其中結(jié)構(gòu)支撐件的至少一部分延伸到槽中以提供基本垂直于棒料表面的引導(dǎo)表面。
29. 如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)棒料的端部施加作 用力。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，施加步驟包括沿棒 料的端部移動(dòng)隨動(dòng)部件。
31. 如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括，在槽中施用腐蝕劑 用于破壞脆性材料的拉緊的結(jié)合。全文摘要
提供了一種用于劈割脆性材料棒料的切片的裝置。該裝置包括適于將棒料的切片部分固持在劈割位置的支撐件；刀片；和致動(dòng)器，該致動(dòng)器與刀片連接用于驅(qū)動(dòng)刀片至少部分通過(guò)棒料以生成棒料的被劈割部分；以及用于在劈割期間接合棒料端部的隨動(dòng)器。還提供了劈割脆性材料棒料的切片的方法。該方法包括，在棒料中引發(fā)裂隙和驅(qū)動(dòng)刀片穿過(guò)棒料以便從棒料的端部移除脆性材料的一部分。在一個(gè)實(shí)施例中，刀片以受控速度驅(qū)動(dòng)穿過(guò)棒料。
文檔編號(hào)H01L21/304GK101267920SQ200580023276
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者G·歐文斯 申請(qǐng)人:歐文斯科技公司