CN103847035B - 用于在意外中断之后恢复工件的线锯锯切过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使用线锯将工件锯切成多个晶片的中断过程恢复的方法。通过特殊的锯线的向前和向后的移动顺序，避免在锯切晶片的表面中形成深锯切口。

Description

用于在意外中断之后恢复工件的线锯锯切过程的方法
本发明涉及用于使使用线锯将工件锯成多个晶片的中断过程恢复的方法。本文将参照用于使用线锯将半导体材料工件锯成多个晶片的过程的实例来解释本发明的方法，但它也适于其他材料的工件。
对于电子、微电子和微机电而言，要求具备整体和局部平坦度、单侧基准局部平坦度(纳米拓扑)、粗糙度和清洁度的极度要求的半导体晶片作为起始材料(基底)。半导体晶片是半导体材料的晶片，特别是诸如砷化镓的化合物半导体以及诸如硅和偶尔有锗的主元素半导体的晶片。
根据现有技术，半导体晶片以多个连续过程步骤制造而成：在第一步骤中，例如，通过提拉法(Czochralskimethod)拉制半导体材料的单晶体(杆)或铸造半导体材料的多晶块，并且在另一步骤中，所得的半导体材料的圆柱形或块形工件(锭料)通过线锯锯切切割成单独的半导体晶片。
使用线锯以从由半导体材料制得的工件切割多个晶片。DE19517107C2和US-5,771,876描述了适用于生产半导体晶片的线锯的功能原理。这些线锯的基本组件包括机架、馈送装置和由平行线区的网(线网)所组成的锯切工具。线网的线间距取决于待切割晶片的期待目标厚度，并且对于半导体材料晶片而言例如是100-1000μm。
DE10147634B4描述了用于从单晶切割半导体材料晶片的方法，在半导体晶片的切割过程中，单晶绕纵轴旋转，同时穿入线锯的两个线网的锯线中，锯切的半导体材料晶片具有平行的、旋转对称的曲线侧面。
通常，通过在至少两个线导引辊之间拉紧的多个平行线区形成线网，线导引辊可旋转安装，并且其至少一个是驱动辊。
线区可以属于单独限定的线，其被螺旋地绕辊系统导引，并从原料线轴在接收线轴上展开。另一方面，专利说明书US4,655,191公开了一种线锯，其中提供多个限定的线，并且将线网的每个线区分配给这些线的一个。EP522542A1也公开了一种线锯，其中多个无接头的线环(wireloop)围绕线导引辊系统运行。
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。通过线网是利用向前供线装置实现的，所述向前供线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。
当线网穿入工件时，根据现有技术，经过限定的时间和在特定的速度下，锯线的限定长度为向前供线(线向前)，并且另一限定方向为向后供线(线向后)，向后长度WBL通常短于向前长度(WFL)。该锯切方法也被称为往复移动法，并公开于例如DE3940691A1中和US2010163010A2中。
EP1717001B1教导了当使用线锯锯切工件时进行向前移动和向后移动，向后移动(WBL)过程中的线长短于向前移动(WFL)过程中的线长。
DE112008003321T5公开了为了从锯切工件上去除线网而使向前和向后上的线运行长度分别为1m或更短，并且线运行速度为2m/min或更低。
在液体切割介质的存在下实施用线锯将工件锯切成许多个晶片，其尤其用以将被锯线磨损的材料输送出锯切切口，并且根据现有技术施用于锯线上。
如果锯线包覆有研磨料涂层，例如金刚石，通常使用不含自由研磨料的切割介质。当使用包括不含牢固粘结的研磨料的锯线的线锯时，在切割过程中以悬浮液(切割介质悬浮液、锯切浆液、浆液)的形式供应研磨料。
当从半导体材料制成的工件切割晶片时，常规地是将工件与锯带连接，锯带中的锯线在过程结束时切割。锯带例如是石墨条，其粘结或胶合在工件的侧面上。然后将具有锯带的工件胶合在支撑体上。在切割后，所得的半导体晶片保持固定在锯带上如梳齿，并可由此从线锯去除。随后，将剩下的锯带与半导体晶片分离。
从半导体材料制得的工件，例如单晶的圆柱形棒或立方形多晶块生产半导体晶片对于线锯锯切具有较高的要求。锯切过程的目的通常是使每个锯切的半导体晶片具有尽可能平整且彼此平行的侧面。
通过参数翘曲度(warp)和弯曲度(bow)尤其表述了与理想的晶片形状的偏差。
所谓的晶片的翘曲度是已知的实际的晶片形状与期待的理想形状偏差的量度。翘曲度通常应为至多数微米(μm)。
弯曲度是晶片的凹或凸变形的量度，并且通常应为至多数微米(μm)。
晶片的翘曲度和弯曲度基本上由锯线区相对于工件的相对移动而造成，其发生锯切过程中相对于工件的轴向上。该相对移动可例如是在锯切过程中发生的切割力、归因于热膨胀的线导引辊的轴向偏移、工件的轴承间隙或热膨胀的结果。
美国申请US2010/0089377A1教导了用于从工件切割多个晶片的方法，其中减少晶片的翘曲度和弯曲度。为此，分别测量工件和线网在轴向上的偏移，并相应地进行调整。
在从工件切割晶片的过程中，在线网中出现强烈的锯线的机械负载和热负载，其可造成归因于断线(线折裂)的线锯锯切过程中的意外中断。
为了避免当利用线网将工件切割成多个晶片时的断线，公开文本DE102011008397A1教导了在偏向滑轮的固定轮轴上使用转矩检测装置，使得可避免过大的拉伸应力施加于锯线。
在断线事件中，锯切过程必须尽可能快地中断以避免线锯和待切材料的损坏。
为了能够立即识别断线，并能够在最可能短的时间内停止线锯过程。WO2011/151022A1公开了用于在利用线网切割工件时监控断线的方法，其中将直流通过线网，并在线阵上产生电压，通过传感器监测该电压。在由断线引起电压偏差的情况中，切割过程被自动中断。
在断线和关停线锯之后，将工件与线网彼此分离。为此，例如可将工件从线网向上移开。在修复后，将工件重新引入线网中，任选地在切割介质的存在下少量移动锯线。
线锯锯切过程的中断应尽可能地简短，这是由于关停过程中被切成工件而加热的锯线和导引辊冷却，并且可能出现锯线和导引管的收缩。这可导致锯切过程恢复时晶体表面的纳米形貌受损。
为了避免在意外关停时的受热锯线和导引辊的收缩，公开DE112009001747T5公开了用于恢复线锯操作的方法，其中，在意外关停过程中，通过液体切割介质确保工件和线锯(锯线和导引辊)的相关部分的控热。此外，在轴线方向上设定对于线网的导引辊的偏移幅度，其对应过程中断时工件的偏移。
但是，为了恢复锯切过程，公开DE112009001747T5的教导没有考虑到以下事实，即相比中断前，修复后的锯线具有至少部分的不同程度的磨损。
因此，当恢复线锯锯切过程时，在待切割的晶片表面上出现深切口(槽、刻痕)，使得在最不有利的情况中，由于内部表面的形貌，晶片不再适于进一步加工。该问题产生本发明的目的。
本发明的目的是在半导体材料工件的线锯锯切过程中的意外过程中断的事件中，提供当恢复过程时避免对半导体材料的锯切晶片的表面形貌的不利影响。
该目的通过一种用于恢复使用线锯将工件5锯切成多个晶片的中断过程的方法，其包括跨越由平行布置的多个线区构成的线网4的锯线3，在向前移动下锯线3从供线线轴1a展开，并导引经过至少一个可旋转的偏向滑轮2而进入线网4，通过至少一个其他的可旋转的偏向滑轮2再次离开线网4，缠绕在收取线轴1b上，并在中断之前在限定的时间间隔中使锯线3交替地向前移动长度L1和向后移动长度L2；
为了恢复中断过程，在锯线3的液体锯切介质的加入下，通过在锯线3的第一速度v1下的向前移动使线网4穿入工件5的已有锯切口，直至线网4或工件5到达线锯锯切过程的中断位置，并使锯线3停止，其中当恢复锯切过程时，锯线3在限定的时间间隔下交替地在速度v下向前移动长度L3和在速度v’下向后移动长度L4，L4短于L3，并且向前移动和向后移动相当于周期Z，并且在每个向前移动过程中、每隔一次向前移动中或在任意数量的向前移动之后，在向前移动过程中增大展开的线长L3，直至线长L3相当于中断前的向前移动的线长L1。
工件是具有由至少两个平行平面(端面)和侧面构成的表面的几何体，其由平行直线形成。在圆柱形体的情况中，端面是圆形区域的，并且侧面是凸起的。在立方柱的情况中，侧面是平整的。
尽管本发明主要涉及半导体材料的工件，但是其可用于使用线锯锯切任何所需材料的工件。
半导体材料的工件是半导体材料的单晶或晶体，半导体材料通常是硅。
从半导体材料的工件锯切的半导体材料晶片具有前侧面和后侧面、以及圆周边缘，并且在进一步的处理步骤中精制。
图1以非常简化的方式显示出根据现有技术的锯切圆柱形工件5的线锯的结构。通过至少一个偏向滑轮2将锯线3从供线线轴1a导引入线网4。线网4由平行步骤，并在锯切过程中穿入工件5的多个线区构成(图1a)。通过至少一个另外的偏向滑轮2将从线网4供入的线缠绕在收取线轴1b上(图1b)(线向前,WF)。当锯线3向后缠绕(线向后,WB)时，收取线轴1b变为供入线轴1a，并且供入线轴1a变为线向前步骤中线的收取线轴1b。
图2a显示了在根据所述往复移动方法的线锯锯切过程中，锯线3的振荡(向前和向后的移动)的线速v(m/s)与时间t的关系。在该情况中，线振荡的周期Z包括在时间t01时向前移动(线向前)开始时锯线加速，直至在时间t03时从线的向前移动直接继续的向后移动结束。由此，周期Z由向前移动段(线向前,WF)和向后移动段(线向后,WB)组成。
图2b显示根据本发明的用于在意外关停之后恢复线锯锯切过程的往复移动方法中的线振荡。在向前方向(WF)从供料轴展开的线长L3在每个周期之后变得更长，直至L3等于L1。在通过示例显示的实施方案中，以向后方向(WB)从收取轴1b缠绕的线长L4在每个周期中变得更长，直至L4等于L2，L4短于L3(未显示)。
图3示意性地显示了从工件5锯切的半导体材料晶片的表面概貌。图3a的深槽是根据现有技术的在意外关停之后恢复线锯锯切过程的后果。图3b显示了使用根据本发明方法的在意外关停之后的恢复线锯锯切过程的所得结果的概貌。
在根据本发明的方法中，使用常规的线锯。待锯切的工件5通常固定在锯带上，其使用安装板夹固在线锯中。使用线网4实施工件的锯切。
通过在至少两个(并且任选为3个、4个或更多个)线导引辊6之间拉紧的多个平行线区形成线锯的线网4，可旋转地安装线导引辊6，并且至少一个线导引辊6是驱动性的。线区通常属于单独限定的线3，其绕辊系统螺旋导引，并从供线线轴(储线线轴)1a在收取线轴(接收线轴)1b上展开(图1a)。
使用向前供料装置实施线网4锯切入或穿入工件5，向前供料装置使工件5相对线网4移动，使线网4相对于工件5移动，或使工件5和线网4彼此相对移动(切割移动)。同时，通过线网4从供料线轴1a在收取线轴1b上缠绕锯线3(图1b)。
液体切割介质优选通过喷嘴(未显示)施用于线网4的线区。
线网中的锯线包含牢固粘结的研磨料，例如金刚石研磨料或碳化硅的锯线的线锯、以及锯线不具有研磨涂层，并且切割能量由锯切过程中或之前施用于锯线上的包含研磨料的切割悬浮液提供的线锯适用于根据本发明的方法。
根据现有技术的所有液体介质可适于作为切割介质。优选地，将二醇、油或水用作载体材料，并将碳化硅用作研磨料。
在支持装置(未显示)上通过锯带固定待锯切的工件5，其方式为使端面5a与线网4的线区平行布置。在锯切过程中，向前供料装置引起线区和工件5的相互指引的相对移动。由于该向前供料移动，施用切割介质的线3通过材料侵蚀运行通过工件5而形成平行的锯切口，其具有由形成的晶片产生的梳状物。
优选根据所谓的往复移动方法(线振荡方法、周期步进移动方法)实施半导体材料工件的线锯锯切，也就是说，通过合适的驱动使锯线在线网上交替向前和向后移动，其具有相当于周期Z(图2a)的向前移动段WF1和向后移动段WB2，向前移动段WF1包括加速段、在锯线3的恒速v下的限定时间段和直至锯线停止的减速段，向后移动段WB2包括相反方向的加速段、在锯线3的恒速v’下、在相反方向上的限定时间段和直至锯线停止的减速段。
从时间t01至时间t1，锯线3以向前方向(WF)加速，直至达到速度v。锯线3在时间间隔t1-t2中，在限定且匀速v下向前移动。在时间段t2-t02中，向前的速度降低至0m/s(图2a)。
从时间t02，向后方向(WB)上的锯线3的速度加快至速度v’直至时间t3，锯线3的向后移动在匀速v’下进行，直至时间t4。在时间段t4-t03中，向后的速度降低至0m/s(图2a)。
锯线的速度v或v’分别优选为5-20米/秒(以下为m/s)，特别优选为10-15m/s。
当线3在时间间隔t01-t02(＝WF1)中在向前的方向上移动时，线长L1从供料线轴1a展开，并且相应的线长L1缠绕在收取线轴1b上。
在时间段t02-t03(＝WB2)中，其中线3在向后的方向上移动，线长L2再度从收取线轴1b上展开，并且相应的线长L2向后缠绕在供料线轴1a上，L2<L1。
长度L1优选为200m-500m，特别优选为300m-400m。
长度L2优选相当于长度L1的30％-90％。
由于L2短于L1，对于每个锯切周期Z，将新线的限定长度L(新)(L(新)＝L1-L2)供入线网4以使线磨损最小化。
在整个线锯锯切过程中，周期Z(＝WF1+WB2)的时间段是恒定的。
如果断线或另一意外事件，例如电子或机械的故障导致线锯锯切过程的中断，则由线驱动和切割组成的线锯锯切过程自动结束，并且线锯在断线或其它意外事件之后数秒内以受控方式停止。
用于结束锯切过程的信号通过系统内部的至少一个监控装置自动触发。监控装置例如可由电线断裂监控信号或接地短路信号构成。
接地短路信号通过断裂的锯线与金属表面接触而触发。
在断线的情况中，如果需要，将断线从工件手动去除。
在线锯锯切过程的意外中断之后，从线网4移除工件5。
线锯锯切过程的恢复在锯线3的修复或任选地替代或解决另一故障之后进行。
中断的线锯锯切过程的恢复在将线网4引入工件5已有的锯切口时开始。在该情况中的锯线优选在低速v1，优选0.1-0.5m/s下，以“线向前”的方向从供线线轴通过线网缠绕在收取线轴上，并且通过平行布置的线区形成的线网4在切割介质的存在下重新引入工件5中，直至到达中断时的位置。
当线网4或待锯切的工件5再次到达中断时的位置时，即线网4的线区到达相应的锯切口的上端时，引线过程结束，并且停止锯线的向前缠绕(线速为0m/s)。
在另一个实施方案中，当线网4或待锯切的工件5再度到达中断时的位置时，开始线锯锯切过程的恢复，而不停止锯线的向前缠绕。
在意外中断后的线锯锯切过程的恢复优选在“线向前”的方向实施，因为以该方式已使用的锯线3不从储线线轴通过线网4进入工件5已有的锯切口。
如果使用相同的线震荡在意外中断之后立即开始线锯锯切过程，也就是说如意外中断之前相同的线长L1(线向前)对L2(线向后)的比例，则由于在意外中断之前和之后的锯线3磨损程度的不同，从工件5锯切的晶片表面上形成锯切口(锯槽)。晶片表面中的锯切口的深度局部可以深数倍(图3a)，从而不能达到锯切晶片的最小锯切厚度。
在根据本发明的恢复中断的线锯锯切过程的方法中，使归因于在意外中断之前和之后的锯线3磨损程度的不同的锯切口深度最小化(图3b)，这对于从工件上锯切的晶片的最小锯切厚度具有积极效果。
本发明方法的特征在于特殊的线震荡，也就是说锯线在一个方向(线向前,WF3)上以长度L3和在另一方向(线向后,WB4)上以长度L4移动通过工件，长度L3初始不等于长度L1，长度L4等于或初始不等于长度L2。
在本发明方法的周期Z的线向前段WF3中，在开始恢复线锯锯切过程时的线长L3，也就是说第一周期或多个周期小于常规线锯锯切方法的向前移动段WF1的线长L1的95％。
优选地，线锯锯切过程开始时的L3相对于L1减少5％-90％之间，并且特别优选地，L3相对于L1减少10％-70％之间。
以此方式减少与中断之前的线锯锯切过程相比的在恢复线锯锯切过程中的新线的长度，并且显著降低恢复过程中形成深锯切口的风险(图3)。
在本发明方法的第一实施方案中，在每个周期Z中，通过恒定值线性增大(增长)长度L3，直至再次达到中断前的向前移动段WF1的长度L1。优选地，在每个周期下，长度L3增长长度L1的1-40％，特别优选为2-20％，直至长度L3等于长度L1。
在本发明方法的第二实施方案中，在每个周期下非线性地增大(增长)长度L3，直至再度达到中断前的长度L1。优选地，相对于恢复后第一个周期的长度L3，该长度L3增长1-40％，特别为2-20％，直至长度L3等于长度L1。
在本发明方法的第三实施方案中，在每隔一个周期或另一任意数量的周期下线性或非线性地增大长度L3，直至再次达到中断前的长度L1。优选地，长度L3相对于恢复后第一个周期中的长度L3增长1-40％，特别为2-20％，直至长度L3等于长度L1。
用于恢复中断的线锯锯切过程直至周期中L3＝L1(正常操作)的本发明方法的周期数取决于各实施方案和长度L3的分别增长。
优选地，常规操作之前的周期数达到至少12次，特别优选为至少8次。
独立于前述实施方案，在周期Z的向后移动段WB4的过程中，本发明方法中向后缠绕的线长L4可等于或初始不同于长度L2。
长度L4短于L3，由此，取决于实施方案，新线的限定长度L(新)(L(新)＝L3-L4)在每个锯切周期、每隔一个锯切周期或另一任意周期数Z下中引入线网4以使线磨损最小化。
如果线向后段WB4中的线长L4初始不同于长度L2，则长度L4优选等于L3的固定部分。在该情况中，每个锯切周期、每隔一个锯切周期或任意数量的锯切周期下的长度L4变得更大一些，直至长度L4相当于线锯锯切过程中断前的长度L2。
如果，例如在第一周期WF3-1中的长度L3为150m，并且在第二周期WF3-2中L3＝200m，则锯线的向后缠绕长度L4在第一个周期WB4-1中可以为75m，并且在第二个周期WB4-2中可以为100m。
特别优选地，长度L4等于长度L2，也就是说线向后缠绕的长度与恢复中断的锯切过程和常规锯切过程中的都相同。在该实施方案中，向后缠绕的线长L4保持不变，同时在下一个或隔一个之后的锯切周期中或在任何数量的锯切周期之后，向后缠绕的线长L3变得更大或更长，直至L3＝L1。
锯线的速度v或v’，也就是在本发明方法过程中，锯线在时间间隔t1-t2或t3-t4中向前缠绕或向后缠绕的速度优选为5-20m/s，特别优选为10-15m/s。
优选地，锯线在时间间隔t1-t2中向前移动的速度v等于锯线在时间间隔t3-t4中向后移动的速度v’(图2a)。
同样优选地，锯线在时间间隔t1-t2中向前移动的速度v不等于锯线在时间间隔t3-t4中向后移动的速度v’。
当完成中断锯切过程的恢复时，也就是说L3＝L1，并且任选地L4＝L2时，在线锯锯切周期下直接继续工件的锯切，并且在中断前设置锯线速度。

Claims (8)

1.用于恢复使用线锯将工件(5)锯切成多个晶片的中断过程的方法，所述线锯包括跨越由平行布置的多个线区构成的线网(4)的锯线(3)，在向前移动下锯线(3)从供线线轴(1a)展开，并导引经过至少一个可旋转的偏向滑轮(2)而进入线网(4)，通过至少一个其他的可旋转的偏向滑轮(2)再次离开线网(4)，缠绕在收取线轴(1b)上，并在中断之前在限定的时间间隔中使锯线(3)交替地向前移动长度L1和向后移动长度L2；
其特征在于，为了恢复中断过程，在锯线(3)的液体锯切介质的加入下，通过在锯线(3)的第一速度v1下的向前移动使线网(4)穿入工件(5)的已有锯切口，直至线网(4)或工件(5)到达线锯锯切过程的中断位置，并使锯线(3)停止，其中当恢复锯切过程时，锯线(3)在限定的时间间隔下交替地在速度v下向前移动长度L3和在速度v’下向后移动长度L4，L4短于L3，并且向前移动和向后移动相当于周期Z，并且在每个向前移动过程中、每隔一次向前移动中或在任意数量的向前移动之后，在向前移动过程中增大展开的线长L3，直至线长L3相当于中断前的向前移动的线长L1。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在每个周期Z中、每隔一个周期Z中或任意数量的周期Z之后线性或非线性地增大长度L3，直至长度L3再次等于中断前的长度L1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中长度L4等于长度L2。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中长度L4短于长度L2，并且在每个周期Z中、每隔一个周期Z中或任意数量的周期Z之后线性或非线性地增大长度L4，直至长度L4等于长度L2。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中在每个周期Z中、每隔一个周期Z中或任意数量的周期Z之后线性或非线性地增大长度L31-40％，直至长度L3等于中断前的长度L1。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中第一个周期中的长度L3相当于长度L1的5-90％。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中线向前移动的速度v等于线向后移动的速度v’。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中线向前移动的速度v不等于线向后移动的速度v’。
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