CN101970193A - 用于将锭线锯切片成晶片中的碳纳米管加强线锯梁 - Google Patents
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Abstract
一种用于从锭切晶片——例如从单晶锭或多晶硅锭切半导体晶片——的设备中的线锯梁。该线锯梁可由包括热固性聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料制成。
Description
技术领域
本发明的领域涉及提高线锯梁的热性能和结构性能，该线锯梁是单晶或多晶锭与锭保持架之间的中间胶结材料，该锭保持架用于锭或可切成晶片的其它材料的线锯切割中。
背景技术
半导体级晶片一般由单晶锭——例如单晶硅锭——制备而成。将锭切成单独的晶片，然后对该晶片进行大量的加工操作(例如研磨、蚀刻和抛光)，从而去除由切片操作引起的损坏，并产生相对光滑的具有均匀厚度和成品前表面的成品晶片。
可使用内圆(“ID”)锯或线型锯(“线锯”)从锭切硅晶片。与一次只能产生单个晶片的ID锯相比，线锯一般效率更高，因为线锯可一次将整个锭切片。
图1示出了用于将单晶硅锭切成单独的晶片的示例性的线锯切片设备，该设备整体上由参考标号21指示。在美国公开NO.2003/0170948中示出和描述了另一示例性的线锯切片设备，该公开的内容结合在本文中作为参考。市场上可获得的线锯切片设备包括例如瑞士HCT ShapingSystems of Cheseaux制造的Model 300E12-H。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它型号和类型的线锯切片设备。
该设备总体上包括一框架23，该框架安装有四个用于支承线网(wireweb)27的线引导件25(部分示出了2个)。该框架还安装有活动的滑动件或头部29，该滑动件或头部安装有锭30，该滑动件或头部相对于框架移动，从而将锭30推入网中。
线引导件25总体上是圆柱形的并具有多个外周槽(未示出)，所述外周槽用于接纳形成线网27的相应线部段，并以精确的间隔间隔开。槽之间的间隔决定了线部段之间的间隔，并从而决定了切成的晶片的厚度。线引导件25在支承件上转动，以沿纵向或轴向移动线部段。切割浆通过导管32导入到线网27上。
在用于生产硅晶片的晶片切片操作中，单晶硅锭安装在锭保持架53上，该保持架通过工作台51保持在线锯设备上。锭30粘附在线锯梁上。锭保持架53和锭30的表面通过合适的粘合剂粘附在线锯梁上。
在将锭和锭保持架保持在线锯梁上的粘合剂固化后，将组件倒置并安装在线锯上。锭逐渐下落到快速移动的超薄的线“网”中。切割动作通过将研磨浆注入到线网上产生，该线网实际上是从一个线轴绕到另一线轴的单线。在切片后立即在一系列化学浴中对切割的晶片进行清洗，以去除残留的浆液。然后，对晶片进行抛光和清洗。
线锯切片在代表切割位置的向前移动的前部产生摩擦热。虽然热量部分通过浆液对流，但是剩余的热量通过锭、线锯梁和锭保持架组件传导。在这三个中，传统上用于制造线锯梁的环氧树脂具有这样的材料性能：效率较低的减振性能、大的热膨胀系数(CTE)和最低的热导率。尤其在切片操作结束、当锭的刚度因为切片的原因显著降低时，线锯梁的环氧树脂的这些特征被认为对于影响切成的晶片的表面质量起到重要作用。
发明内容
因此，简要地说，本发明涉及一种用于线锯切片中的线锯梁，尤其是涉及一种由包括聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成的线锯梁。
本发明的一个方面涉及一种用于从单晶锭或多晶锭切半导体晶片的设备。该设备包含用于将锭切成晶片的线网。该设备还包含框架。该框架包含用于在切片过程中支承锭的头部。该头部包含锭保持架和线锯梁。该线锯梁由包括热固性聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成。
本发明的另一方面涉及一种用于从单晶锭或多晶锭切半导体晶片的设备中的组件。该组件包含锭保持架和线锯梁。该线锯梁由包括热固性聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成。
本发明的又一方面涉及一种与用于从单晶锭或多晶锭切半导体晶片的线锯一起使用的线锯梁。该线锯梁由包括热固性聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成。
存在对本发明的上述方面中提到的特征的各种改进。其它特征也可结合在本发明的上述方面中。这些改进和附加特征可单独存在或以任何组合存在。例如，下列结合本发明的任何一个示出的实施例所讨论的各种特征可单独或以任何组合结合在本发明的上述方面中的任何一个中。
附图说明
图1示出了线锯切片设备；和
图2示出了通过线锯梁固定在锭保持架上的锭。
相应的参考标号在全部附图中表示相应的部件。
具体实施方式
本发明涉及用于线锯梁构成中的聚合物复合材料。该线锯梁与锭保持架共同用于单晶硅锭和由其它材料制备的锭的线锯切割中。现参考图2，线锯梁101用作锭保持架53和单晶锭30之间的中间连接件(interface)。该线锯梁101使用合适的粘合剂在锭保持架53和锭30之间保持就位。图2示出了在线锯切片操作发生后的锭30。
晶锭典型地是一单晶硅锭或一多晶硅锭，更典型地是一单晶硅锭。虽然单晶硅是用于半导体级晶片的优选材料，但是其它半导体材料也可使用。
图2中示出的锭保持架可由钢或其它材料——例如殷钢(INVAR)(由铁(64％)和镍(36％)以及一些碳和铬制成的合金)——构成。
根据一个实施例，用于构成线锯梁101的聚合物复合材料的特征是，与传统的线锯梁材料相比，其具有提高的减振(能量耗散)性能、提高的刚度、提高的热导率和降低的热膨胀系数。该聚合物复合材料可通过在线锯梁的制造过程中加入碳纳米管(CNTs)制备而成。在一个实施例中，包括碳纳米管的聚合物复合材料用作在锭保持架和硅锭之间的中间连接材料，其中，锭保持架用于硅锭的线锯切割中。具有在本文中描述的优良的物理性能的聚合物复合材料使得切成的晶片具有较好的表面质量。
根据一个实施例，线锯梁101由包括聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成。用于构成聚合物复合材料的合适的聚合物树脂包含热固性聚合物树脂。尤其合适的热固性聚合物树脂是环氧树脂。在一个实施例中，环氧树脂选自由双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、三苯酚甲烷三缩水甘油醚(triglycidyl ether of triphenomethane)、线性酚醛清漆多缩水甘油醚(polyglycidyl ether of novolac)、甲酚线性酚醛清漆多缩水甘油醚(polyglycidyl ether cresol novolac)、萘酚苯酚多缩水甘油醚(polyglycidylether of napthalenic phenol)及其甲基、乙基、丙基、丁基替代物和其混合物组成的群组。示例性的环氧树脂包含从液态环氧树脂得到的双官能双酚A/环氧氯丙烷(例如从Hexion Specialty Chemicals，Houston，TX获得的EPON Resin 828)、从环氧氯丙烷和双酚F得到的低粘度液态双酚F二缩水甘油醚环氧树脂(例如从Resolution Performance Products，Houston，TX获得的EPON Resin 862)和System 2000Epoxy LaminatingSystem(从Fibre Glast Development Corporation，Brookville，OH获得的)。
典型地，锭保持架和晶锭在刚度和强度方面是相当的。用于线锯梁的传统的环氧树脂典型的特征是，与锭保持架和晶锭相比，其刚度和强度较小。下表1示出了硅锭、钢制的锭保持架和传统的环氧树脂梁的一些性能。
| 在300K时的性能 | 硅锭 | 钢制的锭保持架 | 环氧树脂梁 |
| 密度(kg/mm3) | 2.30E-06 | 7.900E-06 | 1.587E-06 |
| 比热(J/kg-K) | 7.30E+02 | 5.000E+02 | 1.010E+03 |
| 热导率(W/mm·K) | 1.439E-01 | 1.500E-02 | 6.200E-04 |
| CTE(/K) | 2.568E-06 | 1.750E-05 | 6.600E-05 |
| 杨氏模量(kg/m·s2) | 1.300E+08 | 2.000E+08 | 7.068E+06 |
| 泊松比 | 2.785E-01 | 3.000E-01 | 3.243E-01 |
表1：硅锭、锭保持架和环氧树脂梁的材料性能
从表1可以明显地看出，传统的环氧树脂具有最低的热导率、最大的热膨胀系数和最小的杨氏模量(刚度指标)。尤其在切片操作结束、当锭的刚度因为切片的原因显著降低时，传统的环氧树脂梁的这些特征对切成的晶片的表面质量产生负面影响。
提高线锯梁的这些和其它物理性能可通过使用碳纳米管(CNTs)加强传统的环氧树脂来实现。所添加的碳纳米管可以是包含单壁纳米管(SWNTs)、双壁纳米管(DWNTs)或多壁纳米管(MWNTs)的几种CNTs中的任何一种。上述类型的碳纳米管可在市场上从多种渠道获得。一个这种经销商是Helix Material Solutions(Richardson，TX)。
碳纳米管的类型可根据它们的直径和比表面积而不同。例如，SWNTs可具有在约1nm至约2nm之间的直径，典型地是在约1.2nm和约1.4nm之间，例如约1.3nm。DWNTs典型地具有约4nm的数量级的直径。MWNTs的直径可小于约10nm，在约10nm和约20nm之间，在约10nm和约30nm之间，在约20nm和约40nm之间，在约40nm和约60nm之间，以及在约60nm和约100nm之间。关于比表面积，SWNTs和DWNTs典型地具有在300m2/g和约600m2/g之间的表面积。MWNTs典型地具有在40m2/g和约300m2/g之间的表面积。所有类型的碳纳米管都可具有典型地在约0.5μm和约40μm之间的长度。纳米管可制备成具有更短长度，例如在约0.5μm和约3μm之间，或在约1μm和约2μm之间。
由于它们的刚度、抗拉强度和低密度，碳纳米管尤其适用于添加到用作线锯梁的聚合物复合材料中。例如，碳纳米管具有约1TPa(SWNTs)或甚至约1.25TPa(MWNTs)的理论杨氏模量。这比传统的环氧树脂材料的杨氏模量大约高2个数量级。而且，已生产出具有约60GPa的最大抗拉强度的碳纳米管。碳纳米管的密度典型地在约1.3x 10-6kg/mm3至约1.4x10-6kg/mm3之间，该密度小于环氧树脂材料的密度。因此，碳纳米管不会明显地增加线锯梁的重量。
为了获得提高的刚度、强度和减振这些有益的性能，可以向聚合物复合材料中添加按重量计约50％的量的碳纳米管。由于考虑到成本以及随着碳纳米管浓度的升高而减小的收益，碳纳米管的量优选较低。因此，向聚合物复合材料中添加的碳纳米管的量按重量计可以小于约20％，典型地按重量计小于约10％，更典型地按重量计小于约5％，例如按重量计小于约3％。所添加的碳纳米管的量按重量计至少约0.01％，以获得所希望的效果：提高的减振性能、提高的综合刚度、增大的综合热导率以及降低的热膨胀系数。因此，碳纳米管的浓度按重量计优选在约0.01％到约3％之间，例如按重量计在约1％和约2％之间。
在一个实施例中，线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约50％。在其它实施例中，线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约25％，按重量计从约0.01％到约10％，按重量计从约0.01％到约5％，按重量计从约0.01％到约3％，按重量计从约0.01％到约1％，或甚至按重量计从约0.01％到约0.1％。在另外的实施例中，线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.1％到约50％，按重量计从约1％到约50％，按重量计从约3％到约50％，按重量计从约5％到约50％，按重量计从约10％到约50％，或甚至按重量计从约25％到约50％。
因为CNTs的特征是尺寸极其小，所以必须特别小心，以确保它们在环氧树脂中均匀分布。在一个实施例中，在聚合反应前和/或在聚合反应过程中使用高剪切混合机将CNTs分散在环氧树脂基质中。除了添加碳纳米管外，环氧树脂基本上可根据制造者提供的说明书制备。可使用声处理(sonication)帮助CNTs在树脂中扩散。更进一步地，可以添加与树脂兼容的有机溶剂，例如丙酮，以提高在树脂基质中的均匀扩散。而且，也可在聚合反应过程中添加分散剂，例如表面活性剂。溶剂和分散剂可通过本领域已知的方法去除。
在聚合后，将包括碳纳米管和可选择的溶剂的软的液态环氧树脂材料注入到模型中。通过在设定到由环氧树脂制造商的说明书建议的温度的炉中烘烤使环氧树脂在模型中固化。固化后，从模型中取出包括固化的环氧树脂的线锯梁，并使用合适的粘合剂沿梁的主纵表面将线锯梁粘附在锭保持架上。
CNT加强基质的性能特征可通过使用标准的测试方法例如ASTM测试获得。
在具体描述了本发明后，显然可以在不脱离由所附的权利要求限定的本发明的范围的情况下进行修改和变型。
当介绍本发明的要素或其优选实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意指存在一个或多个这样的要素。术语“包括”、“包含”和“具有”是指包括在内的，并且可存在除了所列举的要素以外的另外的要素。
鉴于以上内容，可以看出，已实现了本发明的几个目的，并且获得了其它有利的结果。
由于可以在不脱离本发明的范围的情况下对上述产品和方法进行各种修改，因此在上述说明中包含的和在附图中示出的所有内容都旨在被解释为示例性的而不是限制性的。
Claims (21)
1.一种用于从单晶锭或多晶锭切半导体晶片的设备，该设备包括：
用于将所述锭切成晶片的线网；和
框架，该框架包含用于在切片过程中支承所述锭的头部，该头部包括锭保持架和线锯梁，该线锯梁由包括热固性聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热固性聚合物树脂是环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述环氧树脂选自由双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、三苯酚甲烷三缩水甘油醚、线性酚醛清漆多缩水甘油醚、甲酚线性酚醛清漆多缩水甘油醚、萘酚苯酚多缩水甘油醚及其甲基、乙基、丙基、丁基替代物和其混合物组成的群组。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约50％。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约3％。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.1％到约50％。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约1％到约50％。
8.一种用于从单晶锭或多晶锭切半导体晶片的设备中的组件，该组件包括：
锭保持架，和
由包括热固性聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成的线锯梁。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述热固性聚合物树脂是环氧树脂。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述环氧树脂选自由双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、三苯酚甲烷三缩水甘油醚、线性酚醛清漆多缩水甘油醚、甲酚线性酚醛清漆多缩水甘油醚、萘酚苯酚多缩水甘油醚及其甲基、乙基、丙基、丁基替代物和其混合物组成的群组。
11.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约50％。
12.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约3％。
13.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.1％到约50％。
14.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约1％到约50％。
15.一种与用于从单晶锭或多晶锭切半导体晶片的线锯一起使用的线锯梁，其中，所述线锯梁由包括热固性聚合物树脂和碳纳米管的聚合物复合材料构成。
16.根据权利要求15所述的线锯梁，其特征在于，所述热固性聚合物树脂是环氧树脂。
17.根据权利要求16所述的线锯梁，其特征在于，所述环氧树脂选自由双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、三苯酚甲烷三缩水甘油醚、线性酚醛清漆多缩水甘油醚、甲酚线性酚醛清漆多缩水甘油醚、萘酚苯酚多缩水甘油醚及其甲基、乙基、丙基、丁基替代物和其混合物组成的群组。
18.根据权利要求15所述的线锯梁，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约50％。
19.根据权利要求15所述的线锯梁，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.01％到约3％。
20.根据权利要求15所述的线锯梁，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约0.1％到约50％。
21.根据权利要求15所述的线锯梁，其特征在于，所述线锯梁中的碳纳米管的量按重量计从约1％到约50％。
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