CN102581975B - 用于在线切割过程中冷却半导体材料制成的工件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于线切割过程中冷却由半导体材料制成的柱形工件的方法，该半导体材料例如硅、锗或砷化镓，在切割过程中，通过喷嘴将液体冷却剂施加到半导体材料工件上。承载在工件上的刮子防止液体冷却剂与切割悬浮体混合。

Description

用于在线切割过程中冷却半导体材料制成的工件的方法

技术领域

本发明涉及用于在线切割过程中冷却由半导体材料制成的柱形工件的方法，该半导体材料例如硅、锗或砷化镓，在所述切割过程中，通过喷嘴将液体冷却剂施加到半导体材料工件上。

背景技术

对于电子、微电子及微机电应用，对全局和局部平面度要求极高的半导体晶片被用作起始材料(基片)，需要以一侧为基准有局部平面度(纳米形貌)、粗糙度及清洁度。半导体晶片是半导体材料的晶片，尤其是诸如砷化镓的化合物半导体，以及诸如硅及有时候是锗的占主导地位的元素半导体。根据现有技术，半导体晶片在多个连续的方法步骤中生产：在第一步骤中，例如用Czochralski方法拉伸半导体材料的单晶(棒)，或者浇铸半导体材料的多晶块，在进一步的步骤中，通过线切割将得到的圆柱形或块状的半导体材料工件(锭)切割成单个的半导体晶片。

线锯被用来从由半导体材料制成的工件切割多个晶片。US-5,771,876描述了线锯的功能原理，所述线锯适用于半导体晶片的生产。这些线锯的主要部件包括机架、顺向进料装置和切割工具，所述切割工具由平行线区的网(线网)组成。

通常，线网由多个平行线区形成，所述线区在至少两个线导向辊之间拉紧，线导向辊安装成可旋转，并且其中至少一个是驱动辊。

线区可以属于有限长度的单线，所述线围绕辊系统盘旋引导，从存线辊展开到接收辊上。另一方面，专利说明书US 4,655,191公开了一种线锯，其中提供多个有限长的线，并且将线网的每个线区分配给这些线的一个。EP 522 542 A1也公开了一种线锯，其中多个无接头的线环(wireloop)围绕辊系统运行。

切割线可以用切割层覆盖。使用不含牢固结合的磨擦剂的锯线的线锯时，在切割过程中提供悬浮体(切割悬浮体、切割浆液、浆液)形式的磨擦剂。在切割的过程中，工件通过线网，其中锯线相互平行铺设、以线区的形式布置。通过顺向进料装置产生经过线网的通道，所述顺向进料装置使工件相对线网移动，线网相对工件移动，或工件和线网相互相对移动。

在从由半导体材料制成的工件切割半导体晶片时，传统上工件与切割垫板(sawing strip)连接，锯线在方法的最后切割到所述垫板里面。例如切割垫板可以为石墨垫板，其粘合或者胶合在工件的侧面上。带切割垫板的工件然后胶合在支承体上。切割之后，得到的半导体晶片像梳子的齿一样保持固定在切割垫板上，因此可以从线锯中移出。随后，留下的切割垫板与半导体晶片分离。

从由半导体材料制成的工件，例如从圆柱形的单晶棒或长方体多晶块生产半导体晶片对线切割产生了很大的需求。切割方法的目的通常是使每个切割的半导体晶片有尽可能平的侧面，并且彼此相互平行。所谓的晶片翘曲度(warp)是通常所知的对晶片实际形状与所要求的理想形状的偏差的测量。翘曲度通常应该累计最多几微米(μm)。这是由锯线区相对于工件的相对运动导致的，其在切割过程中发生在相对于工件的轴向。引起该相对运动的原因例如可以包括发生在切割过程中的切割力、线导向辊由于热膨胀产生的轴向位移、工件的轴承间隙或热膨胀。

磨擦剂切割工件时会释放出大量的热，这会在切割过程中导致工件加热，因此产生热膨胀。由此不但导致翘曲增加，而且导致切出的晶片有明显的波纹。在切割进工件后的最初几毫米的切割时会发生特别剧烈的温度升高。随着进入的长度增加，工件的温度进一步增加。在最大啮合长度区域，工件温度也达到其最高，随后轻微降低，切割热的下降也可归因于所得晶片的冷却翼效应。线切割过程中工件温度变化在+/-5℃时对翘曲和波纹的影响微不足道，但没有额外的费用支出(outlay)时这通常不能实现。

为了生产半导体晶片，因为工件在线切割过程中受热，因此要求在切割过程中对其进行连续冷却，以免产生热诱发的工件膨胀，因此可防止切割剖面的干扰弯曲。线切割过程中冷却工件的各种方法已为人们所知。在EP 2 070 653 A1中，对工件的冷却速率进行监控，并在锯线切割深度达到工件直径的2/3或更高时施加额外的冷却剂(冷却浆液、浆液)。EP 1097782 B1和DE 10122628 A1描述了一些方法，在这些方法中将热调节冷却剂施加到工件上。

上述方法的缺点是冷却剂流进切割区域，在切割区域与切割悬浮体混合。因此，合适冷却剂的选择受到极大限制，它必须与切割悬浮体有类似的组成。即使冷却剂和切割悬浮体使用完全相同的介质，仍存在冷却剂影响切割行为的问题。

不利影响是由于事实上为了使晶体得到最佳冷却，冷却剂的温度必须处于与切割悬浮体的温度不同的水平。然而，切割悬浮体的温度对其粘度很关键，这决定了磨擦剂的传输特性，因此反过来影响切割质量。所以，切割悬浮体的温度通常要准确调节，并且任选在切割过程中以可控的方法进行变化。尤其是使用乙二醇作为切割悬浮体中的载体介质时，粘度对温度有很大的依赖性。

此外，冷却剂流到切割网上也影响切割悬浮体的温度。这会导致线网温度不合要求的变化，结果导致切割质量的降低。

US 2010/163010 A1描述了一种方法，以试图避免该问题。在该情况中，冷却剂交替开和关，以使冷却剂只施加到切割线离开工件一侧的工件侧面上。其目的是为了防止冷却剂与进入切割切口的切割悬浮体直接混合。然而，冷却剂仍会到达线网上-虽然程度有所降低-所以仍会改变切割的热和机械条件。在该方法中，冷却剂和切割悬浮体必须使用完全相同的介质，因为否则切割悬浮体会被不可控地改变。

JP 2005 329506 A2公开了一种方法，其中冷却气体作为冷却剂吹到锯线上。以这样的方式，切割悬浮体的粘度同样会受损，所以切割质量也会下降。此外，气体适于冷却的程度非常有限，因为其热容相对较低，通常不能保证切割过程中产生的热量能够得到充分消散。

发明内容

本发明的一个目的是开发一种方法，所述方法能保证由半导体材料制成的工件在线切割过程中得到最佳冷却，同时又不影响切割悬浮体(切割浆液、浆液)的性能。

以下方法可实现该目的，所述方法用于在线切割过程中冷却由半导体材料制成的柱形工件，在切割过程中，由平行布置的线区组成的线网通过线区和工件的相反导向的相对运动穿透到工件中，且工件的温度在线切割过程中通过液体冷却剂来控制，其中工件上载有刮子(wiper)，液体冷却剂施加到高于载在工件表面上的刮子的工件上，并且用载在工件上的该刮子从工件表面上除去液体冷却剂。根据本发明的方法还可以以这样的方法冷却晶体，使得到的半导体晶片的翘曲度和纳米形貌产品特性得到改善。此外，根据本发明的方法，可以使用不取决于所选切割悬浮体的冷却剂。

柱形工件是表面由两个平行的平面(端面)和一个侧面组成的几何体，侧面由平行的直线形成。在圆形柱状体的情况下，端面为圆形，而侧面为凸面。在立方柱状体工件的情况，侧面为平面。

附图说明

图1所示为根据现有技术切割由半导体材料制成的圆柱形工件的结构。图1中描绘物体的附图标记与图2中描绘物体的附图标记相同，其将在图2的说明文字中讨论。

图2所示为参考半导体材料制成的圆柱形工件的实例，根据本发明的方法的优选的基本结构。

具体实施方式

根据本发明的方法的实施方案借助于图2进行以下说明：

在根据本发明的方法中使用传统的线锯。这些线锯的主要部件包括机架、顺向进料装置和切割工具，所述切割工具由平行线区的网组成。工件通常固定在固定板上，并在线锯中与它夹紧。

通常，线锯的线网由多个平行的线区6所形成，所述线区在至少两个(以及可选地三个、四个、或更多个)线导向辊7之间拉紧，线导向辊安装成可旋转，并且至少一个线导向辊是被驱动的。线区通常属于有限长度的单线，所述线围绕辊系统盘旋引导，并从存线辊展开到接收辊上。

切割悬浮体通过喷嘴5施加到线区。待切割的工件3通过切割垫板1固定在固定装置(未显示)上，这样端面3a能与线区6平行定位，所述工件3具有侧面10和两个端面3a。在切割过程中，顺向进料装置引起线区和工件的相反导向的相对运动。作为该顺向进料运动的结果，线切割通过工件形成平行的切割切口，切割悬浮体被施加到所述线上。

有两种线锯均适于根据本发明的方法，其中一种线锯其线网中的锯线含有牢固结合的磨擦剂，例如金刚石磨擦剂或碳化硅，另一种线锯不具有磨擦剂层，其切割能力由含磨擦剂的切割悬浮体提供，所述切割悬浮体在切割过程中或之前施加到锯线上。

根据现有技术的所有悬浮体均适合作为切割悬浮体。优选使用包括乙二醇、油或水作为载体材料以及碳化硅作为磨擦剂的切割悬浮体。

所有热容足以耗散切割过程中产生的热的液体介质均适合作为冷却剂。合适的冷却剂例如可以为水、乙二醇，或根据现有技术的切割悬浮体。

优选使用切割过程中采用的切割悬浮体作为冷却剂。

还优选热容高的介质，例如水，作为冷却剂。

特别优选用作切割悬浮体的载体介质(例如乙二醇、油或水)作为冷却剂。

线网的线区6优选在切割过程中深入到工件3低于刮子8的作用点。在切割过程中，冷却剂4通过喷嘴2施加到高于根据本发明的方法中所用刮子系统的工件3的侧面10上，刮子8还优选被承载在所述工件3的两侧上。在切割过程中，刮子系统通过固定装置引导，直到在待切割工件3中到达规定的线网水平切割位置，所述刮子系统优选由两个刮子8以及优选载在每个刮子8上的相应的收集槽9组成，所述固定装置由固定器11组成，这样两个刮子8载在侧面10上的左右两侧(相对于工件的轴)。流过侧面10的冷却剂4通过载在侧面10上的刮子8被清除到各自的收集槽9中。这可保证冷却剂4在切割过程中排出，不会与切割悬浮体12和位于刮子以下的线网的线区6接触。

在优选的实施方案中，工件的冷却在切割之前或切割开始时开始，也就是说在线网的锯线6接触工件3的表面的时候开始。

在切割过程中，优选高于载在工件3的侧面10上的刮子系统地将冷却剂4施加到柱形工件3的侧面10上。

在类似的本发明优选的构造中，在切割过程中将冷却剂4高于载在端面上的刮子系统施加到工件的端面3a上。

在本发明的另一个可能构造中，在工件3的下面使用切割垫板1，线网在切割过程中自上面穿透进入工件。在该实施方案中，刮子系统从工件的表面(侧面或端面)除去切割悬浮体，因此可防止切割悬浮体与从下面引导到表面上的冷却剂4混合，所述刮子系统在该实施方案中位于线网的下面。

用于刮子系统的固定装置可以优选由移动的固定器11组成，所述固定器11例如可以相对于线网倾斜和/或水平移动。

在本发明的一个优选实施方案中，用于刮子系统的固定装置由两个可移动的(优选可倾斜)固定器11组成，所述固定器优选通过弹簧13连接。在导向工件的两个固定器的每一个末端上，有刮子8和载在刮子8上的收集槽9。固定装置稳固地连接到线锯装置，这样侧面10或端面3a上的刮子8的作用点与线网之间的垂直距离保持不变，直到在待切割工件中达到规定的、可自由选择的水平切割位置或线网的穿透深度。例如，当线网的线区6切入切割垫板1时，可以达到规定的点。

当线网在切割垫板1中切割时，因为切割长度短，切割产生的热已经相对较少，所以不再要求冷却。此外，直到此时才通过切割方法而产生的晶片的面起到了冷却翼的作用。

直到达到规定的点，刮子8在切割过程中载在侧面10或端面3a上。当达到该规定的点时，结束向侧面10或端面3a上施加冷却剂4，并且用固定器11从侧面10或端面3a移去刮子系统。

从工件3的侧面10或端面3a移去两侧的刮子8优选以机械方式进行，可以使用与线网的顺向进料运动联动的合适的止动装置。止动装置优选触发刮子从工件3的侧面10或者端面3a折叠开。同样优选地，可以在相对于线网的平面水平延伸的轨道上执行从工件3的侧面10或端面3a移去两侧的刮子。

尤其优选借助伺服电动机，使用传感器控制执行从工件3的侧面10或端面3a移去两侧的刮子8。

刮子系统的固定器11优选设计成(为清晰的原因未在图2中绘出)能保证即使在具有凸侧面10的圆柱形工件3的情况下，在根据现有技术的切割过程中，刮子8也连续地载在侧面10的双侧，直到达到规定的点，这样可保证冷却剂4流进收集槽9，直到移去刮子。

在切割过程开始时，在具有凸侧面10的圆柱形工件3的情况下，刮子8的两个作用点的间隔与工件3的直径相比较小，在切割过程中该间隔增加直至工件3的直径，然后再次(相对于工件3的直径)减少。达到规定的点时，刮子8和收集槽9被一起从侧面10移去。从切割过程开始直到达到规定的点，优选通过弹簧13的张力和固定器11的设计来保证刮子8连续载在凸侧面10上。

在块状工件的情况下，其中侧面由垂直于端面的平行直线形成，类似地固定器11和弹簧13一起保证在切割过程中、在达到规定的点之前，刮子8和收集槽9一起载在冷却剂4被施加到的侧面10上。

在同样优选的本发明的实施方案中，移动的(优选可倾斜的)固定器11连接到线锯装置，以使固定器可以在线网的线区6的切割方向平行移动，例如在轨道上，以便例如在切割过程中能够补偿在侧面10上刮子的作用点的不同间距。

优选地，通过弹簧13的力保证刮子8载在工件3的侧面10或端面3a上。

在另一个优选的实施方案中，通过传感器控制刮子系统的承载。以机械方式通过电机执行切割过程中固定装置的固定器11的运动，所述运动由待切割工件的外形决定，这样刮子8在切割过程中以恒定的压力载在侧面10或端面3a上，直到达到规定的点。

相应的收集槽9优选载在每个刮子8上，如图2中所描绘。同样优选的是收集槽9位于刮水器下面但不载在刮水器8上。在该实施方案中，流开的介质优选通过刮子经通道或斜坡引导进入收集槽9。

收集槽9优选设计成能使收集在收集槽9中的液体介质不会不受控制地涌出。这可以优选通过集成在收集槽9中的出口装置(图2中未绘出)实现。

优选将通过刮子8流开的冷却剂4收集在收集槽9中。如有必要可以分离冷却剂4，并通过调节冷却回路(未显示)输送。在此情况下，冷却剂4可恢复到所要求的温度，并可再次通过喷嘴2将冷却剂4施加到工件3的侧面10上。作为替代，冷却剂4还可以从收集槽9排出到贮藏容器中。

对于切割过程(切割)，切割悬浮体12通过喷嘴5施加到线网的线区6上。根据现有技术，线网通过相对于工件3的轴垂直(直立)的滚筒7引导。

特别优选使用含乙二醇作为载体材料以及碳化硅作为磨擦剂的切割悬浮体。

刮子8的长度优选等于或大于待切割工件的侧面10的长度。刮子系统优选放置成能使刮子8载在待切割工件的整个轴向长度上。

当刮子8载在工件的端面3a上时，其长度优选等于或大于待切割工件端面的水平宽度。刮子系统优选放置成能使刮子8载在待切割工件端面的整个水平宽度上。

刮子8优选由软质材料制成，例如软的塑料或橡胶，所述材料不会对侧面10或端面3a造成任何破坏，并能保证良好的密封。

优选使用邵氏A硬度为60-80的塑料或橡胶。

在同样优选的实施方案中，其中刮子8以恒定的压力载在工件3上，优选使用邵氏A硬度低于60的塑料或橡胶。

切割后，就纳米形貌而言，根据本发明方法切割的半导体晶片比根据现有技术切割的半导体晶片有明显更平的表面。

图3所示为直径为300mm的半导体晶片的纳米形貌参数“波纹度”(W)和“局部翘曲度”(L)的实例，所述半导体晶片根据现有技术用线切割从半导体材料制成的晶体生产。

图4所示为直径为300mm的半导体晶片的纳米形貌参数“波纹度”(W)和“局部翘曲度”(L)的实例，所述半导体晶片用根据本发明的方法用线切割从由半导体材料制成的晶体生产。

为了更好说明，图3和图4中的“波纹度”(W)和“局部翘曲度”(L)的变化以归一化方式表示(没有单位)，两个图形使用相同的归一化方法。

图3和图4给出了“局部翘曲度”(L)及“波纹度”(W)，所述局部翘曲度是对在锯的顺向进料方向的晶片弯曲度(curvature)的测量，而所述波纹度得自“局部翘曲度”(L)，通过将窗宽10mm的滑动窗口放置在局部翘曲度曲线上，并绘出该窗口内相应的最大偏差得到。

图3中显示的“局部翘曲度”(L)是切割过程中晶体3的温度得到控制时的晶片特征：通过供应冷却剂4到晶体的侧面10上，向其施加具有适于它的温度曲线的冷却剂4，以使晶体3在切割过程中基本上处于恒温。在此情况下，冷却剂4不受阻碍地流过晶体3而到达线网的线区6上，在此其与切割悬浮体12混合，并影响线网的线区6的机械和热学性能。

图3中的几何形状测量显示，这对所切割的由半导体材料制成的晶片造成了明显的不利影响。该干扰效应尤其是从晶片的中间开始最大(大约从位置+35mm开始“局部翘曲度”(L)大幅降低)，因为晶体侧面10和线网之间的角度在此低于90度，所以发生切割悬浮体12滞流的干扰效应，且因冷却剂4而进一步加剧。

为了对比，图4所示为在相同条件下但使用根据本发明的方法切割的半导体材料制成的晶片。由于从侧面除去冷却剂4，对线网的切割行为没有发生不利影响，基本上能保证直的切割轮廓。借助于本发明的方法，可以实现“局部翘曲度”(L)减少65％以上。

根据本发明的方法适合于所有线切割的工件，无论其直径大小。

根据本发明的方法优选用于直径大于200mm的晶体。

根据本发明的方法尤其优选用于直径大于或等于300mm的晶体。

Claims (9)

1.一种用于冷却由半导体材料制成的柱形工件的方法，所述工件具有由两个端面和一个侧面组成的表面，在线切割过程中，由平行布置的线区组成的线网通过线区和工件的相反导向的相对运动穿透到工件中，在线切割过程中通过液体冷却剂控制工件的温度，其特征在于，其中工件表面上承载有刮子，将液体冷却剂施加到高于在工件表面上承载刮子的工件上，并且用承载在工件上的刮子从工件表面上除去液体冷却剂。

2.权利要求1的方法，其中液体冷却剂被施加到高于承载在工件侧面上的刮子的侧面上。

3.权利要求1的方法，其中液体冷却剂被施加到高于承载在工件端面上的刮子的端面上。

4.权利要求1-3之一的方法，其中线网的线区穿透到低于承载在工件上的刮子的工件中。

5.权利要求1-3之一的方法，其中在线网的线区穿透到工件中的过程中，刮子承载在侧面或端面上，直到线网进入工件达到可自由选择的穿透深度，并且当达到该穿透深度时，结束施加冷却剂，并从工件表面移开刮子。

6.权利要求1-3之一的方法，其中切割悬浮体被施加到线网的线区上，所述切割悬浮体含有松散的磨擦剂。

7.权利要求6的方法，其中切割悬浮体含有乙二醇作为载体材料。

8.权利要求6的方法，其中液体冷却剂由用于切割悬浮体的载体介质组成。

9.权利要求1-3之一的方法，其中线区含有牢固结合的磨擦剂。