CN103507173B - 从圆柱体工件同时切割多个晶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由基本上为圆柱体的工件同时切割多个晶片的方法，其中借助进给装置使与锯切条带连接的工件和线锯的锯线排以确定的进给速度实施垂直于工件纵轴取向的相对运动，通过该进给装置引导工件穿过锯线排，并由此将其切割成多个晶片，其特征在于，在实施该方法期间以如下方式改变进给速度：在切割深度为工件直径的50％时具有数值v1；然后以数值v2≥1.15×v1经过局部最大值；然后在锯线排首次与锯切条带接触的时刻取数值v3<v1；然后升高至数值v5>v3。
Description
技术领域
本发明涉及从圆柱体工件尤其是由半导体材料组成的工件同时切割多个晶片的方法，其中借助进给装置使工件和线锯的锯线排（Drahtgatter）实施垂直于工件纵轴取向的相对运动，通过该进给装置引导工件通过锯线排。
背景技术
半导体晶片通常以如下方式制造，在一个加工过程中借助线锯将由半导体材料组成的单晶或多晶的圆柱体工件同时切割成多个半导体晶片。
该线锯的主要部件包括机器框架、进给装置和由平行的锯线段组成的线排组成的锯切工具。通常通过胶结或粘结将工件固定在所谓的锯切条带上。锯切条带又固定在安装板上，以将工件夹持在线锯中。
线锯的锯线排通常由多个在至少两个锯线引导滚筒之间拉紧的平行的锯线段形成，其中锯线引导滚筒以可转动的方式安装，并且由其中的至少一个进行驱动。锯线段通常属于单根有限长的锯线，其以螺旋状围绕滚筒系统加以引导，并由储存滚筒（Vorratsrolle）在接收滚筒（Aufnahmerolle）上卷出。
在锯切过程中，进给装置引发锯线段和工件彼此相向取向的相对运动。通过该进给运动，施加有锯切悬浮液的锯线进行工作，形成穿过工件的平行的锯切间隙。锯切悬浮液也称作“浆料”，包含悬浮在液体中的例如由碳化硅组成的硬质颗粒（磨削颗粒）。还可以使用具有牢固粘结的硬质颗粒的锯切线。在此情况下，不需要施加锯切悬浮液。仅需添加液体冷却润滑剂，其保护锯线和工件不发生过热，同时将工件切屑从锯切间隙携带出。
由圆柱体半导体材料，例如由单晶，制造半导体晶片对于锯切方法提出严格的要求。锯切方法的目的通常在于，每个锯切的半导体晶片均应当具有两个尽可能平坦并且彼此平行的面。
除了厚度变化以外，半导体晶片的两个面的平坦度也具有重要的意义。在利用线锯切割半导体单晶，例如硅单晶之后，由此制得的晶片具有波纹状的表面。在诸如粗磨或精研的后续步骤中，取决于该波纹的波长和振幅以及材料去除的深度，该波纹可以部分或完全地加以去除。在最不利的情况下，即使在抛光之后仍然可以在最终制成的半导体晶片上检测到该波纹的残余，在此其对于局部几何形状具有负面影响。在切割的晶片上的不同位置，产生这些波纹的程度不同。在此特别关键的是切割件的末端区域，其中会产生特别明显的波纹或凹槽，它们取决于后续步骤的类型仍然可以在最终产品上检测到。
DE102005007312A1公开了，在根据现有技术的锯切过程中产生的在切割件的末端区域中的波纹对于在圆柱体工件的末端切割的晶片是特别明显的。另一方面，在工件中心（在轴向上），切割的晶片在切割件的末端区域内则几乎不具有波纹。此外，通过锯切悬浮液产生的轴向动态压力梯度被认为是在锯切过程结束时产生波纹的原因。因此，根据DE102005007312A1，减少施加至锯线排的锯切悬浮液的量，由此减少在切割件的末端区域内切割的半导体晶片的波纹。但是发现，该措施不足以满足对于局部几何形状的不断提高的要求。尤其是无法可靠地避免在末端区域内形成锯切槽
DE102006032432B3公开了一种方法，其中若锯线不仅穿过工件，而且穿过锯切条带，则使用具有倾斜侧面的锯切条带，以减少在切割件末端的波纹。该经改变的锯切条带也无法避免在切割件末端形成锯切槽。此外，尤其是在由多种不同材料组成的锯切条带的情况下，在制造锯切条带时需要额外的加工步骤，这增加了锯切过程的辅助材料成本。
同样已知其中通过随时间改变工件进给速度改善切割的晶片的平面平行度的方法。EP856388A2公开了一种方法，其中首先取决于切割深度降低工件进给速度直至切割深度达到工件直径的约70％，随后又轻微增大，最后重新降低。该方法能够制造具有均匀的厚度的晶片，但是其中晶片的对应于切割深度的第一个及最后一个10％的区域具有明显更小的厚度。但是，EP856388A2没有提及用于避免特别是在切割深度的最后一个10％内产生的锯切槽的措施。
因此，本发明的目的在于，尽可能避免在切割件的末端区域内产生的锯切槽。
发明内容
该目的是通过由基本上为圆柱体的工件同时切割多个晶片的方法实现的，其中借助进给装置使与锯切条带连接的工件和线锯的锯线排以确定的进给速度实施垂直于工件纵轴取向的相对运动，通过该进给装置引导工件穿过锯线排，并由此将其切割成多个晶片，其特征在于，在实施该方法期间以如下方式改变进给速度：
-在切割深度为工件直径的50％时具有数值v1，
-然后以数值v2≥1.15×v1经过局部最大值，
-然后在锯线排首次与锯切条带接触的时刻，取数值v3<v1，及
-然后升高至数值v5>v3。
附图说明
下面依照附图详细地阐述根据本发明的方法。
图1所示为用于描述本发明的几何尺寸。
图2所示为根据本发明的进给速度分布与非本发明的进给速度分布的比较。
具体实施方式
本发明涉及在说明书引言中所述及的在图1中所示的线锯切法。在图1中所示为工件1，其具有圆柱体形状。其固定在锯切条带2上，锯切条带又通过安装板3夹持在未示出的线锯中。锯线排由多根平行排列的（在图1中彼此前后排列）的锯线段4形成。锯线段4以锯线速度vw平行于锯线段4的长度方向移动。利用未示出的进给装置，使由工件1、锯切条带2和安装板3组成的排列相对于由锯线段4形成的锯线排以进给速度v移动。由于锯线速度vw，由锯切线携带的磨料可以对工件1发挥其磨削作用，从而沿着每根锯线段4在工件1中形成锯切间隙。通过以进给速度v进行的相对运动，在该锯切过程中，锯线段4工作进入工件1中越来越深，直至在锯切过程结束时将其完全切割成多个晶片，它们如同梳子的齿仅经过锯切条带的残余部分与安装板连接。
根据本发明，进给速度v以特定的方式方法在锯切过程中改变。在此，进给速度v应当理解为整个锯线排和工件1彼此相对运动的相对速度。该相对运动通常垂直于通过锯线排的平行排列的锯线段4所确定的平面进行。
在现有技术中，已经描述了其中进给速度在锯切过程中改变的方法。但是，与根据本发明的方法不同，这些方法并没有考虑在锯切线除了切割工件以外还切割锯切条带的位置在切割的工件的表面上会产生特别明显的凹槽的情况。本发明首先提供了通过以特定方式改变进给速度而减少这些凹槽的方法。
EP856388A2已经公开了一种方法，其中进给速度从锯切过程开始时起连续且优选递减地减小，至少直至达到最大啮合长度。
在本说明书中，啮合长度l应当理解为在锯线排相对于工件1的当前位置锯线段4与工件1接触的长度，即穿过锯切间隙延伸的长度。因此，在圆柱体形状的工件1的情况下，啮合长度在该过程开始时由零值增大直至该过程的中间达到其最大啮合长度。最大啮合长度对应于圆柱体的直径。在达到最大值之后，啮合长度l又减小，直至该过程结束时锯线从工件退出，啮合长度又达到零值。
切割深度d应当理解为锯切间隙的当前深度。其对应于锯线排垂直于由锯线排确定的平面已经通过工件1所经过的路径。在锯切过程开始时，切割深度为零，在结束时其对应于圆柱体工件的直径。因此，在图2中切割深度d以工件直径的百分比给出。
因此，在圆柱体工件的情况下，在切割深度对应于工件直径的50％时，达到最大啮合长度。
在图2中，曲线8所示为根据本发明的进给速度v作为以工件直径的百分比给出的切割深度d的函数的分布曲线。曲线9所示为非本发明的进给速度v的分布曲线。
由现有技术已知使进给速度降低直至切割深度为50％时达到最大啮合长度，用于避免厚度波动，由此尤其是应当避免产生楔形厚度分布，因此在根据本发明的方法的范畴内同样是优选的。尤其有利的是，以如下方式取决于啮合长度l改变进给速度v，材料去除速率（单位时间碎屑体积Zeitspanvolumen）（即每单位时间切削的材料的体积）基本上保持恒定。材料去除速率与啮合长度×进给速度之乘积成正比。因此，优选以如下方式取决于啮合长度l改变进给速度，该乘积基本上保持恒定。
在切割深度为工件直径的50％时，进给速度v具有数值v1（参见图2），下面将其用作描述根据本发明的进给速度分布曲线的参考值。该数值对应于局部最小值，条件是以上述方式仅通过啮合长度确定进给速度直至切割深度对应于大于工件直径的50％的改变，以保持材料去除速率恒定。但是在还考虑进给速度改变时的其他影响因素的情况下，例如根据EP856388A2，该局部最小值还可以位于其他位置。该局部最小值优选位于切割深度为40与60％之间。但是为了描述根据本发明的进给速度v的分布曲线，在各种情况下均考虑在切割深度为50％时所达到的数值v1。
进给速度分布曲线作为切割深度的函数在切割深度为工件直径的30至70％、特别优选25至75％的范围内具有相对于前述局部最小值呈镜面对称的分布。只要以前述方式改变进给速度从而使材料去除速率保持恒定，就在各种情况下均能实现呈镜面对称的分布。
在经过局部最小值之后，根据本发明又提高进给速度，在达到锯切线首次与锯切条带接触的位置之前又减小，从而在切割深度为50％时的最大啮合长度的位置与切入锯切条带的位置之间达到局部最大值。下面将在局部最大值的位置的进给速度的数值称作v2。根据本发明，数值v2比切割深度为50％时的数值v1大至少1.15倍，优选大至少1.2倍，特别优选大1.25倍。已经发现，不需要为了确保良好的切割件品质而将进给速度在经过锯切过程中间的局部最小值之后保持在与数值v1相比低的范围内。进给速度的（更）平缓的分布曲线，例如根据图2中的曲线9，仅延长了过程耗时，这根据本发明得以避免。若以如上所述优选的方式改变进给速度，从而使材料去除速率保持恒定，并且保持由此产生的进给速度呈镜面对称分布直至切割深度为70％或者甚至75％，则可以毫无问题地达到上述的1.15倍、1.2倍或者甚至1.25倍。
在以进给速度v2经过局部最大值之后，进给速度又下降，从而在锯线排进入锯切条带时，即锯线排的锯线段首次与锯切条带接触的时刻，进给速度取小于参考速度v1的数值v3。已经发现，为了避免在切割件的末端区域内的锯切槽，需要在锯线排进入锯切条带之前不久才与由现有技术已知的情况相比明显更剧烈地降低进给速度。进给速度优选满足v3≤0.9×v1。
数值v3优选为局部最小值，即优选在锯线排进入锯切条带之前不久才达到该数值，并且在进入之后不久才立即又开始提高进给速度。
在各种情况下，在后续的时刻（优选在锯切过程结束时或结束之前不久）达到大于v3的数值v5。已经发现，在锯线排进入锯切条带之后，若进给速度又升高，则对于切割件品质没有损害。因此，为了避免不必要的长的过程耗时，根据本发明应当满足v5>v3。优选在锯线排进入锯切条带之后，甚至升高进给速度，使得v5>v2。
在完全切割穿过工件并且由此开始锯线排仅与锯切条带接触的时刻，进给速度取优选在数值v3与v5之间的数值v4。这是因为在完全切割穿过工件之后可以毫无问题地进一步提高进给速度，这不会对切割的晶片的表面造成任何影响（即v5>v4）。但是，另一方面，在锯线排进入锯切条带之后立即又已经可以开始温和地提高进给速度，而不会明显地损害切割件品质（即v4>v3）。
优选从锯线排进入锯切条带直至锯切过程结束，实施连续的加速。这还可以取决于锯切条带的结构以不同的加速度分多级进行，从而适应于在锯切条带中所包含的材料的不同的材料特性。锯切条带的各种材料越软，则进给速度可以越高。
若进给速度在切入锯切条带之前明显降低，则这导致在此范围内在工件上产生的锯切槽明显减少。需要强调的是，在上述范围内降低的进给速度足以基本上避免在锯切条带的区域内的凹槽。另一方面，经历更长的时间降低的进给速度并不导致进一步的改善。因为根据本发明明显降低的进给速度大幅延长了锯切过程的耗时，若其经历更长的时间加以保持，则根据本发明尽可能地保持该段时间是短的。以此方式可以避免在锯切条带的区域内的局部波纹，而不会延长过程耗时。
实施例
利用可商购的线锯将大量直径为125mm或150mm的由硅组成的单晶棒锭（Stabstücke）切割成硅晶片。使用钢丝锯切线和由悬浮在乙二醇中的碳化硅组成的锯切悬浮液作为辅助材料。进给速度一方面根据图2中所示的曲线8（根据本发明）加以改变，另一方面根据曲线9（非本发明）加以改变。除了这一区别以外，这两种实验以相同的方式实施。以根据本发明和非本发明的方式分别切割100根棒锭。
在去除锯切条带的残余部分和清洁之后，对切割的晶片实施外观检查。额外地，利用几何尺寸测量装置对一部分晶片进行检验，该装置利用机械探头沿着晶片的直径获得高度分布曲线，其中平行于在锯切过程中锯线排的进给选择扫描的方向。
实施例：
在根据本发明的实施例中，进给速度根据在图2中所示的曲线8加以改变。
对切割的晶片进行外观检查时，没有发现明显的锯切槽。利用几何尺寸测量装置测得的波纹不大于12μm。
比较例：
在非本发明的比较例中，进给速度根据在图2中所示的曲线9加以改变。整个锯切过程耗时在直径为150mm的情况下比根据本发明的实施例长5％，在直径为125mm的情况下比根据本发明的实施例长10％。
在外观检查中，在锯切过程将要结束时在晶片与锯切线接触的区域内，所有晶片的20％出现特别明显的锯切槽。利用几何尺寸测量装置测得的波纹高达25μm，这是由在锯切过程中在棒锭与锯切条带连接的区域内特别明显的锯切槽引起的。
因此，根据本发明的方法明显地改善了锯切过程的末端范围内的切割件品质，虽然实际上甚至轻微缩短了锯切过程的总耗时。
可应用性
在线锯切圆柱体工件时可以采用根据本发明的方法。其特别适合于圆柱体形状的工件。工件可以由硬脆性材料组成，例如半导体材料，如硅，优选单晶硅。该方法可以应用于利用粘结的颗粒（固定的磨料）的线锯切，但是优选应用于利用锯切悬浮液和不含粘结的磨料的锯切线的线锯切。
Claims (9)
1.由基本上为圆柱体的工件同时切割多个晶片的方法，其中借助进给装置使与锯切条带连接的工件和线锯的锯线排以确定的进给速度实施垂直于工件纵轴取向的相对运动，通过该进给装置引导工件穿过锯线排，并由此将其切割成多个晶片，其特征在于，在实施该方法期间以如下方式改变进给速度：
-在切割深度为工件直径的50％时具有数值v1，
-然后以数值v2≥1.15×v1经过局部最大值，
-然后在锯线排首次与锯切条带接触的时刻，取数值v3<v1，及
-然后升高至数值v5>v3。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，进给速度在切割深度为工件直径的40至60％时具有局部最小值。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，进给速度在切割深度为工件直径的30至70％的范围内具有相对于局部最小值呈镜面对称的分布。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，进给速度在切割深度为工件直径的25至75％的范围内具有相对于局部最小值呈镜面对称的分布。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，v2≥1.2×v1。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，v2≥1.25×v1。
7.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，v3≤0.9×v1。
8.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，进给速度在锯线排从工件退出的时刻具有数值v4，其中v3<v4<v5。
9.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，v5>v2。
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