β-Ga2O3晶體金剛石線鋸切割的表面質(zhì)量研究

李 暉，高鵬程，程紅娟，王英民，高 飛，張 弛，王 磊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

0 引 言

β-Ga2O3單晶具有高達(dá)4.9 eV的禁帶寬度，在高功率器件和光電器件領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。目前，β-Ga2O3主要被研究用于制造氣敏傳感器、透明導(dǎo)電薄膜、薄膜晶體管、深紫外日盲探測(cè)器、高功率器件[1-3]。與碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等第三代半導(dǎo)體材料相比，可通過(guò)熔體法生長(zhǎng)的β-Ga2O3單晶具有更高禁帶寬度和更低的單晶制備成本，有望成為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料[4-5]。

切割工藝是晶片加工的第一道工序，通常采用純機(jī)械作用將晶錠切割成晶片，過(guò)強(qiáng)的機(jī)械作用將使晶片表面殘留較深的損傷層，導(dǎo)致晶片機(jī)械強(qiáng)度降低甚至破碎[6]。目前，半導(dǎo)體晶片切割工藝主要分為游離磨料線鋸切割技術(shù)和固結(jié)金剛石線鋸切割技術(shù)。如圖1(a)所示，游離磨料線鋸切割技術(shù)的原理是通過(guò)往復(fù)運(yùn)行的鋼絲將漿料中的SiC磨料帶入切縫并壓入工件表面，在磨粒的滾壓作用下完成材料去除，其優(yōu)點(diǎn)是磨料對(duì)晶片所造成的損傷小，表面粗糙度及損傷層深度低，但漿料難以進(jìn)入深度和長(zhǎng)度較大的切縫，造成漿料分布不均從而影響晶片面形，且游離磨料鋸切力較弱，切割效率較低。固結(jié)金剛石線鋸切割采用樹(shù)脂粘合或電鍍等方式將金剛石磨料鑲嵌在鋸絲表面，在鋸絲運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)金剛石的磨削和刻劃作用完成材料去除，鋸切力強(qiáng)且磨料利用率高，切割過(guò)程中鋸切力受切縫深度及長(zhǎng)度影響小，晶片面形一致性更好，切割效率高，是目前應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料切片工藝[7-9]。

圖1 線鋸切割工藝示意圖。(a)游離磨料線鋸切割技術(shù)；(b)固結(jié)金剛石線鋸切割技術(shù)Fig.1 Schematic diagram of wire saw cutting process. (a)Free abrasive wire saw cutting process; (b) fixed diamond wire saw cutting process

β-Ga2O3屬于單斜晶系，空間點(diǎn)群為c2/m，是一種各向異性較強(qiáng)的硬脆性材料。在晶片切割過(guò)程中，磨料的機(jī)械作用和產(chǎn)生的切削熱使晶片表面產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、層錯(cuò)、微裂紋以及斷裂凹坑等缺陷和損傷，形成晶片表面及亞表面損傷層。其中，金剛石顆粒對(duì)晶體切削時(shí)產(chǎn)生的徑向裂紋、橫向裂紋以及中位裂紋等微裂紋對(duì)晶片表面質(zhì)量的影響最大，徑向裂紋與橫向裂紋相互作用形成切屑完成材料去除，中位裂紋將沿金剛石荷載法向分量延伸，并殘留于晶片內(nèi)部形成亞表面損傷層。雖然表面缺陷和損傷層可通過(guò)研磨、拋光工藝去除，但較深的損傷層將增加磨拋工藝的成本及時(shí)間[10-11]。此外，晶片切割時(shí)造成的缺陷易使殘余應(yīng)力集中，增大晶片破碎的風(fēng)險(xiǎn)，從而限制β-Ga2O3的應(yīng)用前景。

目前，關(guān)于β-Ga2O3單晶在晶片切割過(guò)程中的材料去除機(jī)理和表面損傷的研究的報(bào)道較少。Wu和Gao等[12-13]通過(guò)金剛石壓痕及微米柱加載實(shí)驗(yàn)，探究了β-Ga2O3單晶在機(jī)械荷載下的微觀結(jié)構(gòu)變化。納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)荷載為0.2～10 mN時(shí)，β-Ga2O3晶體表面產(chǎn)生了塑性變形，并在塑性變形區(qū)的底部沿(100)晶面出現(xiàn)層錯(cuò)，沿(-201)晶面出現(xiàn)孿晶結(jié)構(gòu)，沿(101)晶面出現(xiàn)位錯(cuò)等缺陷，當(dāng)壓頭載荷為10 mN時(shí)，出現(xiàn)晶格彎曲現(xiàn)象，且沿(100)晶面出現(xiàn)微裂紋。β-Ga2O3微米柱加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較大載荷作用下，微裂紋沿(100)和(001)晶面擴(kuò)展，且沿(100)晶面發(fā)生材料斷裂。由此可見(jiàn)，β-Ga2O3單晶在機(jī)械作用下的塑形域加工窗口較小，且易沿(100)和(001)面兩個(gè)解理面產(chǎn)生微裂紋。

Nikolaev等[14]采用維氏壓痕法比較了氧化鎵不同物相下各晶面的顯微硬度和抗裂性。結(jié)果表明，在β-Ga2O3單晶的所有晶面中，(010)面的硬度最低。此外，還發(fā)現(xiàn)在壓痕荷載下，晶體表面僅出現(xiàn)兩條徑向裂紋，并提出了可用于表征β-Ga2O3單晶抗裂性的斷裂韌性模型。徐亞萌等[15]考慮了β-Ga2O3單晶的各向異性，通過(guò)納米壓痕及劃痕實(shí)驗(yàn)探究了晶片超精密加工的最佳切削方向及臨界切削深度。根據(jù)研究結(jié)論可知，在同一晶面上沿不同方向施加荷載，測(cè)試到的硬度和彈性模量均不同，表明β-Ga2O3單晶的各向異性使其不同晶面機(jī)械性質(zhì)不同，因此沿不同方向加工的晶片表面質(zhì)量不同。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)金剛石線鋸切割半導(dǎo)體晶片的研究主要集中于工藝參數(shù)對(duì)表面損傷層深度和粗糙度的影響。畢玉超等[16]研究了鋸絲切入方向?qū)Ω飨虍愋圆牧螷DP(磷酸二氫鉀)表面質(zhì)量的影響，提出切縫兩側(cè)晶片表面質(zhì)量與兩側(cè)材料性質(zhì)相關(guān)，切入方向兩側(cè)彈性模量差異越小，鋸絲偏移越小。Wang等[17]用金剛石線在SiC晶片表面進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明SiC存在無(wú)裂紋生成的塑性去除模式，而當(dāng)刻劃深度超過(guò)臨界值時(shí)，劃痕邊緣會(huì)出現(xiàn)徑向裂紋、碎片及剝落等現(xiàn)象。Gupta等[18]研究了鋸絲類型、鋸絲速度和進(jìn)給速度對(duì)藍(lán)寶石切片質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磨粒粒徑小、密度大，鋸絲線速度快且進(jìn)給速度慢時(shí)，單個(gè)磨粒荷載降低，切割表面更趨向于塑性形變，粗糙度和亞損傷層深度更低。本文將對(duì)β-Ga2O3單晶在線鋸切片過(guò)程中切割方向以及工藝參數(shù)變化對(duì)晶片表面質(zhì)量及損傷層深度的影響進(jìn)行探究。

1 實(shí) 驗(yàn)

如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)采用導(dǎo)模法(edge-defined film-fed growth, EFG)生長(zhǎng)的無(wú)摻雜(001)晶面β-Ga2O3單晶(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所)作為研究材料，將其截?cái)喑?0 mm×20 mm×10 mm晶塊用于晶片切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用STX-1203B型往復(fù)式單線切割機(jī)(沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司)進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，設(shè)備工作原理如圖3所示，鋸絲緊密纏繞在繞線筒上，并由兩個(gè)張緊輪提供鋸絲張力，通過(guò)下側(cè)兩個(gè)導(dǎo)線輪使鋸絲與載物臺(tái)保持水平，工作時(shí)晶體沿垂直于鋸絲方向勻速進(jìn)給，通過(guò)鋸絲表面金剛石磨粒的高速刻劃完成切割。

圖2 導(dǎo)模法生長(zhǎng)的(001)晶面β-Ga2O3單晶Fig.2 (001) plane β-Ga2O3 single crystal grown by EFG

圖3 往復(fù)式單線切割機(jī)工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of reciprocating single wire cutting machine

圖4所示為金剛石線鋸切β-Ga2O3(001)晶面晶片過(guò)程，在鋸切β-Ga2O3晶體過(guò)程中鋸絲對(duì)晶體產(chǎn)生的法向荷載(沿進(jìn)給方向)使鋸絲底部鑲嵌的金剛石磨粒壓入晶體表面，導(dǎo)致材料脆性斷裂，并通過(guò)金剛石顆粒的刻劃作用產(chǎn)生的切向荷載(沿鋸絲運(yùn)動(dòng)方向)使斷裂產(chǎn)生的切屑脫落并被帶出，從而形成切縫。鋸絲側(cè)向金剛石磨粒則在鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)(001)晶面往復(fù)磨削從而形成切割面。

圖4 金剛石線鋸切割的(001)晶面β-Ga2O3晶片示意圖Fig.4 Schematic diagram of (001) plane β-Ga2O3 wafer cut by diamond wire saw

實(shí)驗(yàn)參數(shù)變量如表1所示，本實(shí)驗(yàn)主要探究各工藝參數(shù)對(duì)(001)晶面β-Ga2O3晶片亞表面損傷層深度、表面粗糙度的影響。晶片切割后采用HTC-SCA-13清洗液超聲清洗10 min后氮?dú)夂娓伞Ｊ褂肧EM及顯微截面法測(cè)量微裂紋長(zhǎng)度作為亞表面損傷層深度，具體方法見(jiàn)2.2小節(jié)；表面粗糙度Ra通過(guò)SJ-210粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量，測(cè)量時(shí)將傳感器放在工件被測(cè)表面上，探針沿被測(cè)表面做等速滑行，通過(guò)探針在表面的位移波動(dòng)產(chǎn)生模擬信號(hào)從而生成被測(cè)表面的粗糙度Ra值。測(cè)量時(shí)取樣長(zhǎng)度λc設(shè)置為0.8 mm，每片(001)面晶片選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以測(cè)量值的平均數(shù)作為晶片表面粗糙度值。探究工藝參數(shù)(鋸絲運(yùn)行速度、進(jìn)給速度)變化對(duì)晶片表面質(zhì)量的影響時(shí)，當(dāng)一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，另一個(gè)參數(shù)取表內(nèi)中間值。

表1 切割實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 1 Setup of cutting experimental parameter

2 結(jié)果與討論

2.1 切割方向?qū)|(zhì)量的影響

由于β-Ga2O3單晶各向異性較強(qiáng)，因此晶體不同方向或不同晶面的力學(xué)性質(zhì)不同。根據(jù)徐亞萌等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，使用金剛石壓頭對(duì)(100)和(010)晶面沿不同方向進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的彈性模量和硬度值不同。同理，切割(001)晶面β-Ga2O3晶片時(shí)不同的切割方向下晶片的力學(xué)性質(zhì)不同，因此若要探究切割工藝參數(shù)對(duì)(001)面β-Ga2O3晶片表面質(zhì)量的影響，首先需要確定切割方向。

β-Ga2O3單晶存在(100)和(001)兩個(gè)解理面，且兩解理面夾角為76.2°，晶體沿<010>晶向生長(zhǎng)，被網(wǎng)格狀交叉的兩解理面分割成的纖維狀結(jié)構(gòu)相互結(jié)合組成，纖維狀結(jié)構(gòu)間的晶面結(jié)合力較弱，(010)晶面間距最小而結(jié)合力最強(qiáng)。因此，實(shí)驗(yàn)以材料進(jìn)給方向與<010>晶向夾角度數(shù)表示切割方向，以平行于<010>晶向?yàn)?°，分別測(cè)試了沿0°、30°、45°、60°、90°五個(gè)方向切割時(shí)晶片的表面狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，各圖中晶面及晶向均與圖5(a)一致。

圖5 不同方向切割(001)晶面β-Ga2O3晶片的表面質(zhì)量Fig.5 Surface quality of (001) plane β-Ga2O3 wafer cut with different directions

可見(jiàn)，當(dāng)切割方向?yàn)?°或90°時(shí)晶片表面無(wú)開(kāi)裂，而其他三個(gè)方向切割后晶片均產(chǎn)生不同程度的破損，晶片破損原因如圖6所示，以沿45°切割為例，若鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)鋸絲表面金剛石對(duì)晶體產(chǎn)生的摩擦力和刻劃作用力合力Ft沿圖示方向?yàn)檎颍纸鉃檠?010>晶向的Ft1和垂直于<010>晶向的Ft2。其中，F(xiàn)t2對(duì)晶片切割的作用效果與0°時(shí)相同，而Ft1對(duì)纖維狀結(jié)構(gòu)施加沿<010>方向的荷載。然而，反向切割時(shí)Ft1與<010>晶向?qū)⒊?0°，這導(dǎo)致往復(fù)切割過(guò)程對(duì)晶片的切削力不穩(wěn)定。正向切割過(guò)程中纖維結(jié)構(gòu)在Ft1荷載下發(fā)生彎曲、折斷，并擠壓周圍其他纖維結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生沿<010>晶向及45°分布的解理破損。同理，沿30°、60°切割時(shí)晶片也出現(xiàn)相似破損痕跡。

由圖5(a)、(e)可見(jiàn)，0°切割晶片表面平整，90°切割晶片表面線痕較深且沿鋸絲運(yùn)行方向存在凹凸不平現(xiàn)象。原因是沿0°切割時(shí)纖維結(jié)構(gòu)受到的切向作用力與<010>晶向正交，該作用力不會(huì)造成晶體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲并相互擠壓，且材料進(jìn)給提供的法向荷載不足以造成晶片破損。沿90°切割時(shí)，切縫處的纖維結(jié)構(gòu)在切向力Ft作用下被完全剝離從而防止結(jié)構(gòu)的相互擠壓造成破損。產(chǎn)生晶片表面線痕較深及不平現(xiàn)象的原因主要是切縫兩側(cè)材料機(jī)械性質(zhì)不同，進(jìn)給方向與(100)解理面呈76.2°，鋸絲易沿(100)面滑移形成凹凸形貌，導(dǎo)致晶片表面平整度差。因此，沿<010>晶向切割是最適合(001)晶面β-Ga2O3晶片切割的方向。

圖6 切割方向?yàn)?5°時(shí)晶片受力示意圖Fig.6 Schematic diagram of wafer stress cut with the direction of 45°

2.2 亞表面損傷層深度

如圖7所示，晶片切割主要通過(guò)鋸絲表面金剛石顆粒的刻劃作用造成材料脆性斷裂形成切屑，在此過(guò)程中，金剛石顆粒荷載下未完成釋放的橫向裂紋、徑向裂紋以及向晶片內(nèi)部延伸的中位裂紋將殘留在晶片表面形成亞表面損傷層。由于微裂紋向晶片內(nèi)部延伸，其長(zhǎng)度在晶片表面無(wú)法測(cè)量，因此采用顯微截面法觀測(cè)微裂紋延伸長(zhǎng)度。

圖7 (001)晶面β-Ga2O3晶片切割時(shí)橫截面示意圖Fig.7 Schematic diagram of cross section during (001) plane β-Ga2O3 wafer cutting

此外，(010)晶面在納米壓痕下的裂紋擴(kuò)展情況如圖8所示，可見(jiàn)(100)與(001)解理面的面間結(jié)合力不同，在0.6 N荷載下，長(zhǎng)、短裂紋長(zhǎng)度分別為0.174 9 mm和0.046 3 mm，長(zhǎng)裂紋長(zhǎng)度是短裂紋的3.78倍，可見(jiàn)(100)晶面的面間結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于(001)晶面。因此，切割(001)晶片時(shí)，裂紋主要沿(100)晶面擴(kuò)展。

圖8 不同維氏壓頭荷載下(010)晶面β-Ga2O3壓痕形貌圖像Fig.8 Indentation topography of (010) plane β-Ga2O3 under different loading with the Vickers indenter

圖9為觀測(cè)β-Ga2O3(001)面晶片的亞表面損傷層深度的顯微截面法示意圖，使用粘合劑將兩片表面粗糙度低于0.5 nm的(100)晶面拋光片的拋光面緊密粘合，沿兩晶片中線76.2°方向進(jìn)行切割。分離晶片后，腐蝕晶片表面露出晶片內(nèi)部裂紋，在SEM下觀察(100)晶面邊緣切割處，每個(gè)工藝參數(shù)下選取8條中位裂紋測(cè)量長(zhǎng)度并計(jì)算平均值La，由于(100)晶面與(001)晶面夾角為76.2°，因此實(shí)際亞表面損傷層深度(SSD)應(yīng)為SSD=La·sin(76.2°)。

圖9 顯微截面法測(cè)量亞表面損傷層深度示意圖Fig.9 Schematic diagram of the bonded interface sectioning technique for measuring the subsurface damage depth

圖10所示為顯微截面法觀測(cè)的β-Ga2O3晶片片內(nèi)微裂紋的SEM照片，可見(jiàn)晶片內(nèi)部存在未完全釋放的橫向裂紋及中位裂紋。可以看出切片過(guò)程中在金剛石磨粒的刻劃作用下形成了脆性材料在尖銳壓頭荷載下產(chǎn)生的裂紋系統(tǒng)，橫向裂紋呈圓弧狀并向晶片表面擴(kuò)展形成切屑并留下斷裂凹坑，中位裂紋垂直于晶片表面向晶片內(nèi)部擴(kuò)展，中位裂紋的長(zhǎng)度是衡量切片亞表面損傷層的主要因素，較多且深的中位裂紋會(huì)導(dǎo)致晶片機(jī)械強(qiáng)度降低從而導(dǎo)致晶片破碎等問(wèn)題。

圖10 (001)晶面β-Ga2O3晶片微裂紋SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM image of micro-cracks in the (001) plane β-Ga2O3 wafer

圖11為顯微截面法觀測(cè)到的不同工藝參數(shù)切割時(shí)測(cè)量的亞表面損傷層深度SSD的箱線圖，中心點(diǎn)為測(cè)量值的平均值，誤差棒表示SSD測(cè)量值的極大值和極小值，箱體上下邊分別表示測(cè)量值的四分位數(shù)。圖11(a)所示，當(dāng)鋸絲運(yùn)行速度vs在2.0～8.0 m/s逐漸增大時(shí)，可以觀測(cè)到損傷層深度逐漸減小，但在vs超過(guò)6.0 m/s之后，亞表面損傷層深度下降幅度逐漸減緩，亞表面損傷層深度從2.0 m/s時(shí)的17.28 μm下降至5 m/s時(shí)的2.03 μm。圖11(b)為β-Ga2O3單晶切割時(shí)亞表面損傷層深度隨進(jìn)給速度vf變化的測(cè)量結(jié)果，在進(jìn)給速度為0.20～0.50 mm/min時(shí)，SSD整體上隨晶體進(jìn)給速度的增大呈斜率逐漸減小的非線性增長(zhǎng)，亞表面損傷層深度由1.75 μm增大至19.37 μm。

圖11 不同工藝參數(shù)下亞表面損傷層深度的變化曲線Fig.11 Variation curves of subsurface damage depth with different process parameters

由于金剛石線鋸切割工藝是通過(guò)鋸絲表面金剛石的刻劃作用完成對(duì)材料的去除，提高鋸絲速度會(huì)增加單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)切縫的金剛石磨粒數(shù)量，在進(jìn)給速度固定的情況下，單位去除量下參與切割作用的磨粒數(shù)目增多，單個(gè)磨粒的荷載強(qiáng)度降低，從而降低了晶片內(nèi)部中位裂紋的長(zhǎng)度。然而，隨著鋸絲速度的提高，亞表面損傷層降低幅度逐漸減緩，原因是較快的鋸絲速度將增大切削熱，晶體內(nèi)部熱應(yīng)力增大而使片內(nèi)微裂紋發(fā)生擴(kuò)展。此外，鋸絲速度提高也會(huì)加劇鋸絲振動(dòng)，導(dǎo)致磨粒荷載的法向分量增大。

當(dāng)鋸絲運(yùn)行速度固定時(shí)，進(jìn)給速度增大將使鋸絲對(duì)晶體的壓力增大，導(dǎo)致金剛石顆粒的壓入深度增大，從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度增大。由圖可見(jiàn)，進(jìn)給速度較小時(shí)，亞表面損傷層深度隨進(jìn)給速度增大近似呈線性增加，而當(dāng)進(jìn)給速度增大至0.4 mm/min以上時(shí)，SSD上升趨勢(shì)減緩，原因是當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí)，鋸絲表面金剛石磨粒的荷載增大，直接造成微裂紋長(zhǎng)度增加。然而，磨粒壓入深度接近粒徑時(shí)，磨粒壓入深度隨進(jìn)給速度增大的幅度逐漸減小，亞表面損傷層深度增量減小，若進(jìn)給速度進(jìn)一步增大，將導(dǎo)致鋸絲線弓增大，甚至導(dǎo)致斷線故障。

2.3 表面粗糙度

圖12為使用SJ-210型粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量的(001)晶面β-Ga2O3晶片切割后表面粗糙度Ra隨鋸絲運(yùn)行速度vs和材料進(jìn)給速度vf變化的曲線，每個(gè)工藝參數(shù)切割后以步長(zhǎng)0.8 mm連續(xù)測(cè)量5點(diǎn)并計(jì)算平均值Ra。圖中的兩條曲線分別代表了沿鋸絲切入方向和鋸絲運(yùn)動(dòng)方向測(cè)試得到的表面粗糙度值和變化趨勢(shì)。一般認(rèn)為，往復(fù)式線鋸切片時(shí)線筒運(yùn)行至一端后會(huì)在短暫靜止后反向運(yùn)行，而此時(shí)晶體進(jìn)給速度不變，從而使少量材料在換向時(shí)堆積而形成線痕，影響表面粗糙度的測(cè)量從而影響對(duì)晶片表面破損情況的判斷。因此，實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了晶片表面沿鋸絲切入方向(垂直于線痕)和鋸絲運(yùn)動(dòng)方向(平行于線痕)的表面粗糙度。

圖12 不同工藝參數(shù)下(001)晶面β-Ga2O3晶片表面粗糙度的變化曲線Fig.12 Variation curves of surface roughness of (001) plane β-Ga2O3 wafer with different process parameters

對(duì)于硬脆性單晶材料，在金剛石線鋸切過(guò)程中主要以脆性斷裂方式去除為主，切縫處材料斷裂產(chǎn)生切屑時(shí)在晶片表面形成的斷裂凹坑，鋸絲表面金剛石磨粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的劃痕，以及鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的線痕是影響晶片表面粗糙度的主要因素。圖12(a)為鋸絲運(yùn)行速度變化對(duì)(001)晶面β-Ga2O3晶片表面粗糙度的影響，可見(jiàn)隨鋸絲速度增大，晶片表面粗糙度逐漸減小，表明切割表面峰谷高度差越小，斷裂凹坑的體積和數(shù)量均減小。圖12(b)為材料進(jìn)給速度變化對(duì)晶片表面粗糙度的影響，與鋸絲速度增大造成的影響相反，進(jìn)給速度越大，表面粗糙度越大，表明此時(shí)鋸絲表面金剛石磨粒對(duì)切縫處材料的荷載增大，晶片表面產(chǎn)生斷裂凹坑的情況更嚴(yán)重。

此外，無(wú)論在鋸絲速度或是進(jìn)給速度變化的情況下，沿切入方向測(cè)量得到的表面粗糙度均高于沿鋸絲運(yùn)動(dòng)方向的測(cè)量值，且兩方向測(cè)量值的差值隨鋸絲速度的增大以及進(jìn)給速度的減小而逐漸增大。根據(jù)材料去除機(jī)理可知，增大鋸絲速度、減小進(jìn)給速度均可降低單個(gè)磨粒的荷載，從而減小表面微凹坑的體積。此外，切割晶片的表面粗糙度為線痕和斷裂凹坑的累加結(jié)果，且沿切入方向測(cè)量時(shí)受表面線痕影響更大。因此，在鋸絲速度提高至8.0 m/s或進(jìn)給速度降低至0.20 mm/min時(shí)，微凹坑體積小，此時(shí)線痕為影響表面粗糙度的主要因素，因此沿兩方向測(cè)量值差別較大；而當(dāng)鋸絲速度降低至2.0 m/s或進(jìn)給速度增大至0.50 mm/min時(shí)，微凹坑較大，與線痕造成的影響接近，因此沿兩方向測(cè)量值差別小。

綜上所述，表面粗糙度的變化趨勢(shì)表明增大鋸絲速度或者降低進(jìn)給速度均可有效降低β-Ga2O3單晶切割后微凹坑數(shù)量和體積，改善晶片的表面質(zhì)量，提高晶片的機(jī)械強(qiáng)度，降低晶片在后續(xù)加工中損壞的可能性。

3 結(jié) 論

本文探究了往復(fù)式金剛石線鋸切割的工藝參數(shù)對(duì)β-Ga2O3單晶沿(001)晶面切片時(shí)表面質(zhì)量的影響，通過(guò)晶片切割實(shí)驗(yàn)探究了晶片切割方向、鋸絲運(yùn)行速度以及材料進(jìn)給速度對(duì)切割(001)晶面β-Ga2O3晶片表面質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，(001)晶面β-Ga2O3單晶受各向異性影響沿不同方向切割時(shí)晶片受損程度不同，沿<010>晶向切割后，(001)晶片表面破損程度最低，且平整度最高。鋸絲運(yùn)行速度和進(jìn)給速度變化對(duì)β-Ga2O3晶片表面質(zhì)量的影響比較明顯，亞表面損傷層深度和表面粗糙度隨鋸絲運(yùn)行速度增大或進(jìn)給速度降低均呈非線性下降趨勢(shì)，表明工藝參數(shù)的優(yōu)化不僅可以減小亞表面損傷層的深度，且有利于提高晶片表面質(zhì)量，對(duì)提高晶片強(qiáng)度和后續(xù)研磨拋光工藝的效率具有重要意義。