CN101891194B

CN101891194B - 半导体晶圆片切割刃料的制备方法

Info

Publication number: CN101891194B
Application number: CN2010102108898A
Authority: CN
Inventors: 罗小军; 姜维海; 宋贺臣; 郝玉辉; 李要正
Original assignee: HENAN XINDAXIN MATERIALS CO Ltd
Current assignee: HENAN XINDAXIN MATERIALS CO., LTD.
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: CN101891194A

Abstract

本发明涉及一种半导体晶圆片切割刃料的制备方法。其以高纯度绿碳化硅、黑碳化硅为原料，经由颚式破碎并过筛、湿法球磨分级、酸洗、溢流分级、浓缩脱水、烘干、混配、精筛等步骤而制成的晶圆片切割刃料。本发明方法制备的碳化硅刃料为等积形且保持尖锐的棱角，切割能力强，可使晶硅片的TTV最小化；刃料颗粒具备大的比表面积和清洁的外表，与聚乙二醇等切削液有很强的的适配性；采用湿法球磨机进行粉碎的产品等积形多，且产量高，避免严重的过粉碎；本发明制备方法的成品率达到50％以上，且采用该工艺粉磨后的产品颗粒大小分布更均匀，可以达到更好的晶圆片切割效果。

Description

半导体晶圆片切割刃料的制备方法

技术领域

本发明涉及多线切割领域，具体涉及一种半导体晶圆片切割刃料的制备方法。

背景技术

随着集成电路行业的快速发展，高品质半导体晶圆片的需求与日俱增。半导体硅晶圆的加工是集成电路制造中的重要环节，而有效的硅片切割技术是获得高面型精度和表面质量硅晶圆的基本保证。采用传统的金刚石内圆切割时，随着晶圆直径的不断增大，刀片的基体厚度、刃口厚度以及刀片张紧难度随之增加，切割时切口材料损耗和刀片磨耗增加、硅片质量下降，难以进行大直径晶片的切割。多线切割是切割大直径硅单晶棒非常有效的方法之一。近几年异军突起的多线切割机(MuIti-Wire Saw，简称线锯)以其极高的生产效率和出片率，在大直径硅片加工领域有逐渐取代内圆切割机的趋势，多线切割机的切割机理完全不同于内圆切片机，首先它是

的金属线代替内圆刀片，将金属线缠绕在导线轮上，驱动导线轮和单晶棒作相对运动，砂浆磨削、冷却达到磨切晶片的目的。所切晶片与内圆切片工艺相比具有弯曲度小、翘曲度小、平行度好、总厚度公差(TTv)离散性小、刃口切割损耗小、表面损伤层浅、晶片表面粗糙度小等特性，被切割材料覆盖各类半导体材料，如硅、锗、铌酸锂、砷化镓、磷化铟、人造宝石、碳化硅等。经过近30年的完善和提高，多线切割机日渐成熟，目前的产品已经是第六或第七代。我国通过技术引进，多线切割技术的应用也越来越广泛。多线切割中使用的是一种具有流动性的混合研磨剂--砂浆，其作用非常重要，在切割过程中起主要作用。碳化硅微粉作为切割刃料在太阳能晶硅片和半导体晶圆片的生产领域有着广泛的应用，是晶硅片线切割生产过程中不可或缺的专用切割刃料或磨料。

半导体晶圆片切割刃料主要应用于半导体材料的切割，是半导体晶圆片线切割生产过程中不可或缺的专用材料。国内目前半导体晶圆片切割刃料参差不齐，与国外的同类产品相比，存在纯度较低、粒度不均、切割效率差等缺点。国内的企业生产设备落后老化，粉碎效果差，粒度分布过宽，产品缺乏市场竞争力。近几年，我国刃料生产技术取得一些进步，主要生产应用于太阳能晶硅片的晶硅片切割刃料。由于用于半导体的硅材料纯度一般在六个9以上，价格昂贵，所以对切割刃料的要求较高，一般的工艺难以生产该类产品。目前刃料主要有以下几种生产方式：气流磨粉碎的生产工艺，生产出的产品等积形较多达到90％以上，产率也较高，但气流磨的总体产量低，产出的颗粒形状较圆，锋利度较差，而且存在隐性裂纹，不利于切割；现有技术中也有采用雷蒙磨进行粉碎的，雷蒙磨虽然产量高，但是产率低，产出的产品等积形较少，占50％左右，且针状、片状等形状颗粒较多，切割效率差，不耐磨；现有技术中还有采用传统湿法球磨机进行粉碎的，其产品颗粒中虽然等积形多，锋利度好，但产量低，产率低，过粉碎严重；此外，现有一些刃料制备工艺还存在酸洗时间过长，耗水量多等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高产率、低能耗的半导体晶圆片切割刃料制备方法，其制得的刃料粒度集中、等积形多、锋利度好、清洁度高，与切削液的适配性强、切割能力强以及切得的晶圆片的TTV较低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种晶硅片切割刃料的制备方法，包括以下步骤，

(1)原料破碎选取纯度≥99％的绿碳化硅块料和黑碳化硅块料按照16～25∶1的质量比混合，进行颚式破碎并过筛，收集粒度≤3mm的碳化硅粒度砂；

(2)湿法球磨研磨、溢流分级对上述碳化硅粒度砂进行湿法球磨研磨，并进行溢流分级，得到所需粒度范围的料浆；

(3)酸洗脱水在酸洗池中引入上述碳化硅粉体料浆，调节其质量浓度至16～34％，再按所引入浆料中粉体质量的5％～10％加酸，搅拌反应4～10小时后脱酸以去除金属离子，再进行脱水；

(4)颗粒表面清洗采用电导率≤10us/cm的纯水对脱水料进行造浆、搅拌、清洗，以进一步去除颗粒表面的金属离子杂质；

(5)溢流分级将酸洗后的料浆引入溢流分级装置，根据不同的粒度分级要求，调节料浆浓度，进行水力溢流分级，分级采用水为电导率≤10us/cm的纯水；

(6)浓缩脱水对分级后的料浆进行浓缩脱水处理，使所得粉料的含水率≤8％；

(7)烘干将浓缩脱水后的粉料进行烘干干燥，使其含水率＜0.05％；可使用隧道式烘干设备或微波干燥设备等不引入杂质的常用干燥设备进行烘干；

(8)混配将烘干后的同一粒度段的不同批次的粉料送入干混机干混0.5～2小时；

(9)精筛以超声波振动筛精筛上步所得粉料，去除结团和大颗粒杂质后即得半导体晶圆片切割刃料。

所述步骤(2)可在湿法变频球磨分级装置中进行，所述湿法变频球磨分级装置包括立式筒体及匹配地安装于该筒体内搅拌螺旋体，该搅拌螺旋体由变速电机驱动，所述立式筒体上部设有倒锥台状缓冲过渡段，该立式筒体顶端安装有溢流槽，且在立式筒体的中上部设有进水口。所述搅拌螺旋体可采用常用的双螺旋搅拌体。

上述湿法变频球磨分级装置可由市售湿法变频球磨机改造而成，即在立式筒体上部设置倒锥台状缓冲过渡段，并在其顶端安装常用的溢流槽，中上部加装向磨腔内注水的进水口。采用变频球磨可以根据粉碎的情况调节转速以提高研磨效率；在立式筒体中上部增加了进水管道，可以通过调节进水量及时地将达到粒度要求的微粉从研磨体系中分离出去；倒锥台状缓冲过渡段形成的缓冲斜坡能够使粒度较大的微粉在水流上升的过程中沉淀下来，回到研磨体系中进一步粉碎，避免了产品中大粒过多的情况出现；通过上述研磨、分级一体化装置可以使达到粒度要求的料浆及时地分离，进入下一道工序。可以具有以下优势：①采用耐磨双螺旋搅拌，粉碎介质有序滚动，大大减少无效功耗，提高粉碎效率和使用寿命；②筒体固定，中心驱动，搅拌螺旋受力平衡，最大限度提高机械效率；③采用内分级设计，尽可能减少过粉碎。在进行进行磨粉、分级时，按介质球：碳化硅粒度砂为3～6∶1的重量比加入介质球和碳化硅粒度砂，变频湿法球磨机前期(0.4～0.6h)转速为80～100rpm，中期(1.8～2.2h)转速为100～120rpm，后期(1.2～1.8h)转速为120～150rpm，进水量为200L/h～800L/h。控制进水管的进水量，使得达到粒度要求的微粉能够及时地通过溢流槽被分离出来，避免或减少微粉过度研磨以及微粉的棱角被磨平等不良情况发生，通过变频器的调节，可以提高生产效率和产品质量。此步为粗分级，对分级时的浆料浓度无严格要求，质量浓度大体控制在10～40％即可。

在所述步骤(3)中，酸洗所用酸为硫酸、盐酸、醋酸中的至少一种。

在所述步骤(3)中，酸洗后采用胶带真空压滤机进行脱酸以去除金属离子，使酸洗后料浆中的Fe₂O₃质量百分比＜0.15％。采用真空胶带压滤机能够缩短酸洗后水洗时间3/4，节水4/5。

在所述步骤(4)中，需用电导率小于10us/cm的纯水对脱水料进行反复洗3次以上使得料浆中的Fe₂O₃质量百分比＜0.10％，其他重金属总含量＜0.005％。

在所述步骤(5)中，溢流分级时进水流量控制为200～1000L/h，并使料浆质量浓度达到15～25％，得到所需要的粒度范围集中的料浆。

在所述步骤(6)中，采用刮刀离心机进行浓缩脱水，采用500～2000目的滤布，离心速度为500～2000rpm；采用刮刀离心机进行浓缩脱水，大大降低湿料的含水量，可降低70％的干燥能耗。

在所述步骤(9)中，超声波振动筛的能量档位调整为40～90％之间，所用筛网为500～1500目。

本发明具有积极有益的效果：

1.本发明制备出的碳化硅刃料为等积形，且保持尖锐的棱角(参见图2)，保证了碳化硅微粉作为切割刃料的均衡自锐性，切割能力强，使被切割半导体晶圆片的TTV最小化，具有硬度高、耐磨性强、抗高温性能好、热导率高等特性，其性能指标见表1；

2.产品颗粒具备大的比表面积和清洁的外表，与聚乙二醇等常用的切削液有很强的的适配性；

3.采用电导率小于10us/cm的纯水对脱水料进行反复洗脱，使得料浆中金属杂质含量极低，降低了半导体晶圆片切割时金属杂质对晶圆片的影响，对提高晶圆片的质量有着重要的作用；

4.采用湿法球磨机进行粉碎的产品等积形多，锋利度好等优点，避免了产量低，产率低，过粉碎严重等缺点；本发明制备方法的成品率达到50％以上，且采用该工艺粉磨后的产品颗粒大小分布更均匀，可以达到更好的晶圆片切割效果，行业内采用一般磨粉工艺的成品率(适用于晶圆片切割的粒度段)约为35％。

附图说明

图1为本发明方法改进的湿法球磨机的结构示意图；

图2为本发明方法制备出的半导体晶圆片切割刃料的扫描电镜照片。

图中1为溢流槽，2为溢流槽出料口，3为倒锥台状缓冲过渡段，4为双螺旋体，5为立式筒体，6为底座，7为进水口，8为转轴，9为变速电机。

具体实施方式

实施例1一种半导体晶圆片切割刃料的制备方法，包括以下步骤：

(1)原料破碎选取纯度≥99％的绿碳化硅块料和黑碳化硅块料按照18∶1的质量比混合，进行颚式破碎并过筛，收集粒度≤3mm的碳化硅粒度砂；

(2)湿法球磨研磨、溢流分级在湿法变频球磨分级装置(参见图1)中进行磨粉、分级时，按介质球∶碳化硅粒度砂为4∶1的重量比加入介质球和碳化硅粒度砂，变频湿法球磨机前期0.5h转速为80rpm，中期2h转速为100rpm，后期1.5h转速为120rpm，进水量为600L/h；所述湿法变频球磨分级装置包括立式筒体5及匹配地安装于该筒体5内的双搅拌螺旋体4，该搅拌螺旋体4由变速电机9驱动，所述立式筒体5上部设有倒锥台状缓冲过渡段3，该立式筒体5顶端安装有溢流槽1，且在立式筒体5的中上部设有进水口7。

(3)酸洗真空脱水在酸洗池中引入上述碳化硅粉体料浆，再按所引入粉体质量的6％加酸，搅拌反应8小时后脱酸以去除金属离子，最后采用真空胶带过滤机进行脱水；

(4)颗粒表面清洗采用电导率小于10us/cm的纯水对脱水料进行造浆、搅拌、清洗，进一步去除颗粒表面的金属离子等杂质；

(5)溢流分级将酸洗后的料浆引入溢流分级装置，调节料浆浓度为20％，进行溢流分级，分级时进水流量为400L/h，得到1500#产品料浆，进水流量为700L/h，得到1200#产品料浆，分级采用水为去离子水；

(6)浓缩脱水采用刮刀离心机对分级后的料浆进行浓缩脱水处理，使所得粉料的含水率≤8％；采用刮刀离心机进行浓缩脱水，大大降低湿料的含水量，可降低70％的干燥能耗；

(7)烘干将浓缩脱水后的粉料送入隧道干燥窑进行干燥，使其含水率小于0.05％；

(8)混配将烘干后的同一粒度段的不同批次的粉料送入干混机干混2小时；

(9)精筛以超声波振动筛精筛上步所得粉料，去除结团和大颗粒杂质后即得半导体晶圆片切割刃料，超声波振动筛的能量档位设置为80％，采用的筛网为1000目，投料量为200kg/h。

所得半导体晶圆片切割刃料的性能指标见表2，其晶形晶貌见图2。

实施例2一种半导体晶圆片切割刃料的制备方法，包括以下步骤：

(1)原料破碎选取纯度≥99％的绿碳化硅块料和黑碳化硅块料按照19∶1的质量比混合，进行颚式破碎并过筛，收集粒度≤3mm的碳化硅粒度砂；

(2)湿法球磨研磨、溢流分级采用与实施例1相同的湿法变频球磨分级装置进行湿磨、分级，在进行磨粉、分级时，按介质球∶碳化硅粒度砂为5∶1的重量比加入介质球和碳化硅粒度砂，变频湿法球磨机前期0.6h转速为90rpm，中期1.9h转速为100rpm，后期1.6h转速为150rpm，进水量为500L/h；

(3)酸洗真空脱水在酸洗池中引入上述碳化硅粉体料浆，再按所引入粉体质量的8％加酸，搅拌反应10小时后脱酸以去除金属离子，最后采用真空胶带过滤机进行脱水；

(5)溢流分级将酸洗后的料浆引入溢流分级装置，调节料浆浓度为20％，进行溢流分级，分级时进水流量为400L/h，得到1500#产品料浆，进水流量为650L/h，得到1200#产品料浆，分级采用电导率≤10us/cm的纯水；

(7)烘干将浓缩脱水后的粉料送入隧道式烘干机种进行干燥，使其含水率小于0.05％；

所得半导体晶圆片切割刃料的性能指标见表3。

实施例3一种半导体晶圆片切割刃料的制备方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：在所述步骤(2)中，先以普通湿法变频球磨进行湿磨，再以常用的水力分级装置进行分级，得所需粒度范围的碳化硅粉体料浆。

所得半导体晶圆片切割刃料的性能指标见表4。

实施例4一种半导体晶圆片切割刃料的制备方法，与实施例2基本相同，不同之处在于：步骤(1)中绿碳化硅块料和黑碳化硅块料按照17∶1的质量比混合。

实施例5一种半导体晶圆片切割刃料的制备方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中绿碳化硅块料和黑碳化硅块料按照24∶1的质量比混合。

表1半导体晶圆片切割刃料主要质量指标

表2半导体晶圆片切割刃料主要指标

表3半导体晶圆片切割刃料主要指标

表4半导体晶圆片切割刃料主要指标

Claims

1.一种半导体晶圆片切割刃料的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）原料破碎：选取纯度≥99%的绿碳化硅块料和黑碳化硅块料按照16～25：1的质量比混合，进行颚式破碎并过筛，收集粒度≤3mm的碳化硅粒度砂；

（2）湿法球磨研磨、溢流分级：在湿法变频球磨分级装置中对上述所得碳化硅粒度砂进行湿法球磨研磨，并进行溢流分级，得到所需粒度范围的料浆；以所述湿法变频球磨分级装置进行研磨、分级时，按介质球：碳化硅粒度砂为3～6：1的重量比加入介质球，变频湿法球磨机前期0.4～0.6小时内转速为80～100rpm，中期1.8～2.2小时内转速为100～120rpm，后期1.2～1.8小时转速为120～150rpm，进水流量为200L/h～800L/h；所述湿法变频球磨分级装置包括立式筒体及匹配地安装于该筒体内搅拌螺旋体，该搅拌螺旋体由变速电机驱动，所述立式筒体上部设有倒锥台状缓冲过渡段，该立式筒体顶端安装有溢流槽，且在立式筒体的中上部设有进水口；

（3）酸洗脱水：在酸洗池中引入上述碳化硅粉体料浆，调节其质量浓度至16～34%，再按所引入浆料中粉体质量的5%～10%加酸，搅拌反应4～10小时后脱酸以去除金属离子，再进行脱水；

（4）颗粒表面清洗：采用电导率≤10us/cm的纯水对脱水料进行造浆、搅拌、清洗，以进一步去除颗粒表面的金属离子杂质；

（5）溢流分级：将酸洗后的料浆引入溢流分级装置，进行水力溢流分级，溢流分级时进水流量控制为200～1000L/h，并使料浆质量浓度达到15～25%，得到所需要的粒度范围集中的料浆,分级用水为电导率≤10us/cm的纯水；

（6）浓缩脱水:对分级后的料浆进行浓缩脱水处理，使所得粉料的含水率≤8%；

（7）烘干:将浓缩脱水后的粉料进行干燥，使其含水率＜0.05%；

（8）混配:将烘干后的同一粒度段的不同批次的粉料送入干混机干混0.5～2小时；

（9）精筛:以超声波振动筛精筛上步所得粉料，去除结团和大颗粒杂质后即得半导体晶圆片切割刃料。

2.根据权利要求1所述半导体晶圆片切割刃料的生产方法，其特征在于，所述搅拌螺旋体为双螺旋搅拌体。

3.根据权利要求1所述半导体晶圆片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述步骤（3）中酸洗所用酸为硫酸、盐酸、醋酸中的至少一种。

4.根据权利要求1所述半导体晶圆片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，酸洗后采用胶带真空压滤机进行脱酸以去除金属离子，使酸洗后料浆中的Fe₂O₃质量百分比＜0.15%。

5.根据权利要求1所述半导体晶圆片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，用电导率小于10us/cm的纯水对脱水料进行反复洗3次以上，使得料浆中的Fe₂O₃质量百分比＜0.10%，其它重金属总含量＜0.005%。

6.根据权利要求1所述半导体晶圆片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述步骤（6）中，采用刮刀离心机进行浓缩脱水，采用500～2000目的滤布，离心速度为500～2000rpm。

7.根据权利要求1所述半导体晶圆片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述步骤（9）中，超声波振动筛的能量档位调整为40～90%之间，所用筛网为500～1500目。