CN104411456A - 用于晶锭研磨的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研磨晶锭的方法，该晶锭用于制造半导体或太阳能晶片。该方法包括提供晶锭，该晶锭包括四个平的侧面和四个倒圆的角部，每个角部在一对相邻的平的侧面之间延伸，该方法还包括在每个角部上研磨多个平的小面，所述角部的每个平的小面在接合部处与相邻的小面连接并且定向成以使得每个角部具有大体弓形的形状。本发明还公开了晶片和晶锭。

Description

用于晶锭研磨的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年5月2日提交的美国临时专利申请号61/641,615和在2012年6月8日提交的美国临时专利申请号61/657,362的优先权，这两个文献的全部公开内容以引用的方式结合在本文中。

技术领域

本发明一般地涉及用于生产晶片(例如硅半导体和太阳能晶片)的晶锭，并且更特别地涉及用于生产晶片的晶锭的研磨。

背景技术

在用于制造半导体电子元件和太阳能材料的许多工艺中，单晶硅是原材料。例如，从硅晶锭生产出的半导体晶片通常用于集成电路芯片的生产，在该集成电路上印刷有电路系统。

为了生产半导体或太阳能晶片，可通过在坩埚中熔化多晶硅、将晶种浸在熔化的硅中、以足够实现晶锭期望的直径的方式提拉晶种、并且以该直径生长晶锭，来生产单晶硅晶锭。然后，将硅晶锭机加工成期望的形状，由此可生产出半导体或太阳能晶片。例如，通过将圆柱形的晶锭切成薄的、圆形的片，可生产圆形的晶片。

在一些应用中，将硅晶锭机加工成类方形(pseudo-square)的晶锭。为了确保精确的尺寸，通常利用研磨工艺来改善晶锭的特定的特征(例如，平整度、平行度和表面光洁度)。例如，在真实的圆磨工艺中，当研磨表面研磨晶锭的同时，使类方形的晶锭持续地旋转，从而在类方形的晶锭上研磨出倒圆的部分。然而，至少一些已知的研磨工艺包括旋转晶锭以使得研磨表面撞击晶锭，这可能导致晶锭出现裂纹、碎裂和/或其他损伤。

此背景部分意图在于向读者介绍可能涉及在下文中描述和/或要求保护的本发明的各个方面的本领域的各个方面。这些讨论被认为是有助于向读者提供背景信息以促进他们更好地理解本发明的各个方面。因此应当理解的是，应当基于这一点来阅读这些表述，而不应将这些表述认为是对现有技术的认可。

发明内容

本发明的一个方面是一种研磨晶锭的方法，该晶锭用于制造半导体或太阳能晶片。本方法包括：提供晶锭，该晶锭包括四个平的侧面和四个倒圆的角部，每个角部在一对相邻的平的侧面之间延伸；以及在每个角部上研磨出多个平的小面/刻面(facet)，角部的每个平的小面在接合部处与相邻的小面连接，并且定向成以使得每个角部具有大体弓形的形状。

本发明的另一个方面是一种半导体或太阳能材料的晶锭。该晶锭包括四个平的侧面和在每对相邻的平的侧面之间延伸的角部，每个角部包括多个平的小面，角部的每个平的小面在接合部处与相邻的小面连接，并且定向成以使得每个角部具有大体弓形的形状。

本发明的另一方面是一种太阳能或半导体材料的晶片。该晶片包括多个平的侧面和在一对相邻的平的侧面之间延伸的角部，角部包括多个平的小面，角部的每个平的小面在接合部处与相邻的小面连接，并且定向成以使得角部具有大体弓形的形状。

对于上文提到的各个方面中的特征存在各种改进。其它特征还可结合在上文提到的各个方面中。这些改进和附加特征可单独地或以任何组合的方式存在。例如，在下文中结合任何示出的实施例讨论的各种特征可单独地或以任何组合的方式结合在任何上文描述的方面中。

附图说明

图1为单晶圆柱形的晶锭的透视图。

图2为可由在图1中示出的圆柱形晶锭形成的一个实施例的类方形晶锭的透视图。

图3为图2中示出的类方形的晶锭的正视图。

图4为图3中以区域4示出的类方形的晶锭的角部的放大图。

图4A为图4中以区域4A示出的角部的放大图。

图5为一个实施例的杯形轮(cup wheel)的平面图。

图6为沿着图5中的线6-6截取的杯形轮的截面图。

图7为真实的圆磨工艺之后的类方形的晶锭的角部的图像。

图8为多小面研磨工艺之后的类方形的晶锭的角部的图像。

图9为具有振动(dithering)的多小面研磨工艺之后的类方形的晶锭的角部的图像。

在各个附图中相似的附图标记指代相似的元件。

具体实施方式

首先参照图1，单晶圆柱形晶锭总体以100指示。虽然晶锭100为单晶晶锭，但是在本文中描述的方法和系统还可适用于多晶晶锭。晶锭100可用作半导体或太阳能材料。在此实施例中，晶锭100是由硅制成的。在其它实施例中，晶锭100可为任何适当的材料，包括例如硅、锗。圆柱形晶锭100是采用丘克拉斯基方法/直拉法(Czochralski method)生产的。可替代地，晶锭100可由任何适当的方法生产。

为了由圆柱形晶锭100形成类方形的晶锭，利用例如为带锯、外径刀片和/或金刚石线锯的适当的切割工具，沿着四个切割线102切割所述圆柱形晶锭。通过沿着每个切割线102切下晶锭100，四个片104与晶锭100分开以形成如下文进一步描述的类方形的晶锭。

参照图2和图3，单晶类方形的晶锭总体以200指示。类方形的晶锭200是通过切割圆柱形晶锭100形成的，如上文参照图1描述的。类方形的晶锭200具有四个平的侧面202，每个平的侧面202是通过从圆柱形的晶锭100切下片104形成的。纵向轴线206延伸穿过类方形的晶锭200。

类方形的晶锭200还包括四个倒圆的角部204。每个角部204是弯曲的，并且具有与原始的圆柱形晶锭100相同的半径。每个角部204在一对平的侧面202之间延伸，并且平的侧面202在交界部208处与每个角部204会合。

类方形的晶锭200具有长度L、宽度W和高度H。根据制造工艺，宽度W和高度H可在120毫米(mm)至170mm的范围内，并且长度L可在180mm至560mm的范围内。在该示例性的实施例中，圆柱形晶锭100具有100mm至105mm之间的半径，并且所得到的类方形晶锭200在研磨之前具有大约158mm的宽度W和高度H。在另一实施例中，圆柱形晶锭100具有大约80mm的半径，并且所得到的类方形的晶锭200具有约125mm的宽度W和高度H。

类方形的晶锭200的倒圆的角部204具有半径R。在该示例性实施例中，对于在研磨之前具有大约158mm的宽度W和高度H的类方形的晶锭200，该半径R在研磨前处在100mm至105mm的范围内。

为了精确地控制类方形的晶锭200的尺寸，对平的侧面202和/或角部204进行研磨加工。在研磨之后，在该示例性实施例中，宽度W和高度H大约为156mm，并且每个角部204的半径R大约为100mm。研磨过程不会改变长度L。在其他实施例中，圆柱形的晶锭100和类方形的晶锭200可以具有其他适当的尺寸。

图4是图3中以区域4示出的晶锭200的一部分的放大图。特别地，图4示出研磨工艺之后的角部204和两个平的侧面202的一些部分。图4A为在图4中以区域4A示出的角部204的放大图。

角部204通过采用多小面研磨工艺而适当地进行研磨。即，角部204研磨成以使得多个大致呈平面的小面402形成角部204。虽然每个小面402是大体平面的，然而这些小面402在接合部404处彼此会合，并且相对彼此定向成赋予角部204稍微成弓形的形状。

在该示例性实施例中，角部204具有六个小面402，并且每个小面402具有相同的尺寸。可替代地，角部204具有任何适当数量的、任何适当尺寸的小面402。尤其是，形成角部204的小面402越多，角部204越接近真正的弓形。

参考图5和6，可用于研磨类方形的晶锭200的一示例性的杯形轮总体以500指示。特别地，图5示出杯形轮500的平面图。图6示出沿线6-6截取的杯形轮500的截面图。尽管在该示例性实施例中杯形轮500用于研磨类方形的晶锭200，但是可替代地，任何适当的研磨工具都可被使用。

杯形轮500包括从中延伸穿过的安装孔504。安装孔504限定杯形轮500的旋转轴线506。在杯形轮500中的盘形凹部508由边缘部510限定边界。边缘部510包括与旋转轴线506大体正交的研磨表面512。杯形轮500可为金属带杯形轮，树脂粘合杯形轮、陶瓷杯形轮或能够研磨如本文中所描述的类方形的晶锭500的任何其他类型的杯形轮。

轴或其他适当的旋转机构在安装孔504内联接至杯形轮500。通过机械地驱动所述轴，杯形轮500绕着旋转轴线506旋转。为了研磨类方形的晶锭200，杯形轮500以预定的旋转速度受到驱动，并且沿着旋转轴线506朝着类方形的晶锭200以预定的进给速度前进。在该示例性的实施例中，杯形轮500的旋转速度在2000至4000转每分钟的范围内，并且杯形轮的进给速度在200mm/min至7000mm/min的范围内。旋转速度和/或进给速度可根据切割的深度而变化。当研磨表面512接触类方形的晶锭200的表面时(即，平的侧面202或角部204中的一个)，杯形轮500研磨所接触的表面。

接触类方形的晶锭200的表面的研磨表面512的部分取决于杯形轮500相对于类方形的晶锭200的取向。特别地，在此实施例中，杯形轮500定向成以使得杯形轮500的窄的接触区域520接触类方形的晶锭200。可替代地，杯形轮500可定向成以使得杯形轮500的宽的接触区域522接触类方形的晶锭200。特别地，当采用与宽的接触区域522相对的窄的接触区域520时，可采用更高的进给速度(即，研磨表面512朝类方形的晶锭200前进的速度)。因此，采用窄的接触区域520来形成小面402与利用宽的接触区域522的研磨方法相比减小了相关联的研磨周期时间。

为了在角部204上形成小面402，使类方形的晶锭200绕着纵向轴线206旋转直到杯形轮500的旋转轴线506与待形成的小面402大体垂直，以使得研磨表面512定向成与待形成的小面402大体平行。然后使杯形轮500绕着旋转轴线506旋转并且朝角部204前进。因此，当杯形轮500接触并且研磨角部204时，通过研磨形成的小面402定向成与研磨表面512大体平行。在研磨小面402之后，杯形轮500沿着旋转轴线506退回。

重复此过程以用于在角部204上形成所有的小面402。即，对于每个小面402，使类方形的晶锭200旋转至适当的位置，使杯形轮500朝角部204前进以用于研磨小面402，并且杯形轮500在研磨小面402之后退回。可替代地，多个杯形轮500可用于同时地研磨类方形的晶锭200。例如，在一个实施例中，采用单独的杯形轮500研磨每个角部204。此外，为了改进研磨时间，至少一些小面402能够以两步骤式工艺来研磨，该两步骤式工艺包括采用具有相对粗糙的研磨表面512的杯形轮500进行的粗磨，接着是采用具有相对精细的研磨表面512的杯形轮500进行的细磨。

在该示例性实施例中，类方形的晶锭200的端部由旋转部件(未示出)夹紧，以使得类方形的晶锭200可在研磨过程期间快速且容易地旋转。因此，整个研磨工艺可通过旋转类方形晶锭200以及采用一个或更多杯形轮500进行研磨来完成。可替代地，在本文中描述的研磨方法和系统可采用其他适当的部件来实施。

与传统的圆磨工艺不同的是，在杯形轮500研磨角部204时，类方形的晶锭200并不持续地绕着纵向轴线206旋转。即，在真实的圆磨工艺期间，当研磨表面512与角部204接触时，类方形晶锭200持续地旋转。因此，在真实的圆磨工艺期间，对于每个角部204，研磨表面512在交界部208处撞击角部204。这些碰撞可称为断续切割(interrupted cut)，并且可造成类方形的晶锭200中的撞击损伤、微裂纹和/或碎裂。相比之下，由于在杯形轮500研磨小面402时类方形的晶锭200没有持续地旋转，在本文中描述的多小面研磨工艺消除了断续切割和任何相关联的损伤。

与传统的圆磨工艺相比，多小面研磨工艺还改善了用于研磨类方形的晶锭200的周期时间并且延长了杯形轮500的寿命。特别地，由于在杯形轮500研磨小面402时类方形的晶锭200没有旋转，杯形轮500能够以比研磨期间类方形的晶锭200旋转的情况更高的速度研磨。例如，为了避免损伤杯形轮500，在传统的圆磨工艺中，杯形轮500能够以约100mm/min的速度研磨。相比之下，在本文描述的研磨工艺中，杯形轮500能够以高得多的速度(例如1000mm/min)研磨而不会损伤杯形轮500。

为了进一步地使角部204接近弓形，可在小面402之间的接合部404处实施振动工艺。为了振动每个接合部404，当研磨表面512在接合部404处接触角部204时，使类方形的晶锭200绕着纵向轴线206以相对较小的增量重复地来回旋转(即，振荡)。此工艺研磨小面402之间的接合部404并且使其平滑，从而赋予角部204更圆的、无折痕的形状。振动还可用于使平的侧面202和角部204之间的交界部208平滑，以用于在平的侧面202和角部204之间形成平滑的表面。

为了形成晶片，沿着与纵向轴线206垂直的平面将类方形的晶锭200切成薄片。因此，与类方形的晶锭200相似，晶片具有平的侧面202和具有小面402的角部204。在该示例性的实施例中，每个晶片具有在180和200微米之间的厚度。

图7至9是采用各种方法研磨的角部的图像。图7为采用传统的圆磨工艺研磨的角部700的图像。图8为采用本文所描述的多小面研磨工艺研磨的角部800的图像。图9为采用多小面研磨工艺和使小面之间的接合部平滑的振动工艺研磨的角部900的图像。

角部700、800和900均具有相似的整体尺寸。如可看到的，多小面的角部800与倒圆的角部700具有明显的视觉差异。然而，在倒圆的角部700和经振动的角部900之间的仅有的视觉差异是相对较小的磨痕。

研磨晶锭所使用的系统包括磨轮，例如杯形轮500。该磨轮构造成在每个角部204上研磨平的小面402。在每个角部204上的平的小面402相对彼此定向成以便每个角部204具有大体弓形的形状。

在本文中描述的方法和系统的实施例与现有技术的方法和系统相比取得了优异的结果。例如，与至少一些已知的研磨方法不同，在本文中描述的多小面研磨方法不涉及在断续切割期间撞击晶锭。因此，在本文中描述的多小面研磨方法防止了晶锭出现微裂纹、碎裂和/或可由断续切割导致的其他损伤。本文所描述的系统和方法的实施例还可减小研磨晶锭的周期时间，因此降低了从晶锭生产半导体晶片的成本。例如，在本文中描述的小面可采用杯形轮的窄的接触区域进行研磨，并且以比采用杯形轮的宽的接触区域的方法更高的进给速度操作。总体上，采用本文描述的实施例研磨的晶锭可比采用现有技术系统的晶锭更容易、更快、成本更低地进行研磨和/或其研磨更安全。

当介绍本发明或本发明的实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”意为具有一个或更多元件。术语“包括”、“具有”是包含性的并且意为可以具有除所列出的元件以外的附加元件。

由于在上文中可作出各种改变而不会偏离本发明的范围，因此在上文的描述中包含的和在附图中示出的所有内容均应解释为示例性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种研磨晶锭的方法，该晶锭用于制造半导体或太阳能晶片，该方法包括：

提供包括四个平的侧面和四个角部的晶锭，每个角部在一对相邻的平的侧面之间延伸；以及

在每个角部上研磨出多个平的小面，所述角部的每个平的小面在接合部处与相邻的小面连接，并且定向成使得每个角部具有大体弓形的形状。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，研磨出多个平的小面包括：

将晶锭旋转至预定的位置；

使研磨表面朝角部前进以使得研磨表面在角部上形成其中一个平的小面；以及

将研磨表面从角部处退回。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使接合部平滑，以使得每个角部具有平滑的、无折痕的表面。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使接合部平滑包括：

使晶锭绕着晶锭的纵向轴线以小的增量来回旋转；以及

在晶锭来回旋转时将研磨表面施加于接合部。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个角部包括在第一交界部处与第一平的侧面连接的第一平的小面和在第二交界部处与第二平的侧面连接的第二平的小面，所述方法还包括使第一和第二交界部平滑以在角部和平的侧面之间形成平滑的表面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供晶锭包括提供由单晶硅制成的晶锭。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个角部上研磨出多个平的小面包括：研磨出多个平的小面以使得每个大体弓形的角部具有约100毫米的半径。

8.一种半导体或太阳能材料的晶锭，所述晶锭包括：

四个平的侧面；以及

在每对相邻的平的侧面之间延伸的角部，每个角部包括多个平的小面，角部的每个平的小面在接合部处与相邻的小面连接并且定向成使得每个角部具有大体弓形的形状。

9.根据权利要求8所述的晶锭，其特征在于，每个接合部是倒圆的，以使得每个角部具有平滑的、无折痕的表面。

10.根据权利要求8所述的晶锭，其特征在于，每个角部包括在第一交界部处与第一平的侧面连接的第一平的小面和在第二交界部处与第二平的侧面连接的第二平的小面，并且所述第一和第二交界部是倒圆的以在角部和平的侧面之间形成平滑的表面。

11.根据权利要求8所述的晶锭，其特征在于，所述晶锭是由单晶硅制成的。

12.根据权利要求8所述的晶锭，其特征在于，每个大体弓形的角部具有约100毫米的半径。

13.根据权利要求8所述的晶锭，其特征在于，每个角部包括至少六个平的小面。

14.一种太阳能或半导体材料的晶片，该晶片包括：

多个平的侧面；以及

在一对相邻的平的侧面之间延伸的角部，所述角部包括多个平的小面，所述角部的每个平的小面在接合部处与相邻的小面连接并且定向成以使得角部具有大体弓形的形状。

15.根据权利要求14所述的晶片，其特征在于，每个接合部是倒圆的以使得角部具有平滑的、无折痕的表面。

16.根据权利要求14所述的晶片，其特征在于，所述角部包括在第一交界部处与第一平的侧面连接的第一平的小面和在第二交界部处与第二平的侧面连接的第二平的小面，并且所述第一和第二交界部是倒圆的以在角部与第一和第二平的侧面之间形成平滑的表面。

17.根据权利要求14所述的晶片，其特征在于，所述晶片包括四个平的侧面和四个角部。

18.根据权利要求14所述的晶片，其特征在于，所述晶片是由单晶硅制成的。

19.根据权利要求14所述的晶片，其特征在于，所述大体弓形的角部具有约100毫米的半径。

20.根据权利要求14所述的晶片，其特征在于，所述角部包括至少六个平的小面。