CN108099035A - 一种集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法 - Google Patents

一种集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法。采用SiC颗粒和1,2‑丙二醇溶剂配制初始切割液对单晶硅进行切割，并通过在线监测切割液中碳化硅的中心粒径值R，根据切割力的变化规律在切割液中加入更大尺寸的SiC颗粒，同时，滤除小颗粒成分，以控制切割液的颗粒尺寸、比重和粘度，提高切割液的切割力以及在使用过程中的均一性，保持切割性能稳定，降低硅片的Warp、Bow值，改善硅片表面性质的稳定性，同时有效地利用切割液。

Description

一种集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法
技术领域
本发明涉及集成电路用单晶硅切割技术领域，尤其是涉及切割液随着切割过程的稳定性变化的控制方法。
背景技术
随着全球电子信息产业的飞速发展，对硅片的需求也快速增长。切割硅棒是获取合格硅片的关键工序。切割的方法有很多种，目前基本上采用的是多线切割法。多线切割技术是20世纪90年代出现的一种新型的晶体材料切片技术，是指采用通过一根钢线来回缠绕几个导轮而形成的“钢丝线网”，单晶棒两侧的砂浆喷嘴将砂浆切割液喷在“钢丝线网”上，导轮的旋转驱动“钢丝线网”将砂浆带到单晶棒里，钢丝将研磨砂浆紧压在单晶棒的表面上进行研磨式的切割，单晶棒同时慢速地往下运动推过“钢丝线网”，经过几个小时的磨削切削加工，可使这根硅晶棒一刀一次被切割成许多相同厚度的硅片。多线切割具有生产效率高、切缝损耗小、表面损伤小、加工精度高等特点，更适合未来大直径薄片的切割加工。
研究表明，在线切割工艺稳定的情况下，切割液的性能是影响硅片切割效率及质量的关键因素之一。性能良好的切割液必须具有良好的分散性，使混有碳化硅的砂浆均匀稳定地分散碳化硅颗粒，在钢线的高速运动中，均匀稳定地作用于硅棒的表面，同时及时带走热量和杂质颗粒，减少热应力带来的损伤，提高硅片加工精度和质量。此外，切割液要有良好的润滑性，可在硅片表面形成保护膜，降低切割阻力，并保证切割出来的成品表面光滑。在线切割使用完毕后，附着在硅片上的切割液要容易清洗，以减少杂质等对硅片表面质量的影响。
现有技术的切割液成本高，因此线切割工艺中，要尽可能多次利用切割液。硅晶棒刚开始切割时，切割液的主要成分有两种，不含硅粉等杂质，所切割硅片的部位表面性质较好，但是随着切割过程的逐步进行，在一段时间内，SiC颗粒越来越小，切割液中混入的硅粉等杂质越来越多，对切割液的切削能力产生了不同程度的影响，导致切出来硅片的部位表面性质不断下降，使得同一片硅片在线切割完成后，不同部位厚度有所差异，影响了硅片表面总体质量的稳定性，使Warp、Bow的值偏大。为解决线切割过程中，切割性能随着切割而逐渐变差的问题，本发明提供一种线切割稳定性控制技术，通过调节切割液中颗粒粒径尺寸，并根据所切晶棒的尺寸，添加合适粒径的新切割液，搅拌使其完全混合均匀，从而提高切割液的分散悬浮能力，最终获得线切割液，使切割性能稳定。
发明内容
在集成电路用单晶硅片的线切割工艺中，切割液的调配和使用方法是保持切割性能稳定性的关键。原因是切割过程中，碳化硅粒径逐渐变小，切割力下降。为了保证切割性的稳定性，提高切割液在使用过程中的均一性，使得切割出的硅片表面性质更稳定，Warp、Bow值更低，同时有效地利用切割液。
本发明技术采用如下的方法：一种集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法，采用SiC颗粒和1,2-丙二醇溶剂配制初始切割液，记录比重和粘度；采用初始切割液进行单晶硅切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；当R值下降8%时，加入SiC颗粒，提高切割力，从而保持切割性能稳定。
第一步，配制初始切割液。切割液由SiC颗粒和1,2-丙二醇溶剂构成。SiC颗粒的中心粒径R为8.0μm，记为。所述切割液的制备方法为：在搅拌速度S0为350 rpm、搅拌温度为室温的条件下，向1,2-丙二醇溶剂中加入SiC颗粒，搅拌使其完全混合均匀，直至达到目标的粘度和比重。比重：1.55g/mL，记为；粘度范围：1.6~1.9cps，记为。
采用初始切割液进行单晶硅切割。随着切割的进行，切割液的切削力下降。出现这种下降是主要由三个方面的原因造成，第一、SiC颗粒尺寸下降，第二、SiC颗粒形状逐渐接近等径体或球体，或称球形度提高，第三、切割液中的细小硅颗粒增加。
切割液的切割力可以近似地由下式进行表示：
(1)
式中，F为切割力，A为切割力系数，R为SiC颗粒中心粒径尺寸，为切割液比重，为切割液粘度，S为SiC颗粒球形度。SiC颗粒尺寸越大，切割液切割力越大；切割液比重越大，代表切割液中的颗粒数量越多；切割液粘度越大，代表相同条件下，参加切割的颗粒数越多；S为SiC颗粒球形度，越接近100%切割力越低。
由式(1)可见，SiC颗粒尺寸是最主要因素，SiC颗粒球形度为次主要因素。而比重和粘度由切割液中细小颗粒的变化引起，不是切割力的主要影响因素。
第二步，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；当R值满足下式条件时，调整切割液：
(2)
第三步，在线调配切割液，方法为在切割液中加入SiC颗粒，控制颗粒尺寸、比重和粘度；其特征为：加入的SiC颗粒尺寸特征为
(3)
调整后切割液的特征为：
(4)
(5)
此时，切割液中的SiC颗粒中心粒径发生变化，记为。
此调整能够保持切割稳定的机理在于：切割液性能不稳定主要是由于切割过程中因切割液的碳化硅粒径变化引起，在传统的方法中是加入配比初始切割时的SiC颗粒，提高SiC颗粒的平均粒径。此时，虽然随着大尺寸SiC颗粒的加入，切割力提高，但是切割过程中起主要作用的是后加入的大尺寸SiC颗粒，由于后加入的SiC颗粒尺寸大，切削力大，与切割液中的绝大部分颗粒相差较大，造成切割力的突变。同时，大尺寸SiC颗粒的加入也造成切割痕的突变，出现较大的应力，从而影响TTV、Warp、Bow值等，使晶片质量下降。同时，大尺寸SiC颗粒加入后，与切割中原有的SiC颗粒形状匹配度低，硅片表面切割痕出现深纹理，很多时可达到肉眼可清晰辨别的程度。本发明技术加入的SiC颗粒约比切割液中的颗粒大4%，从切割过程可知，初始切割液中的SiC颗粒尺寸呈正态分布，随着切割的进行呈偏正太分布，大尺寸颗粒粒径减小并且集中，小尺寸增加。本发明技术加入比切割液中SiC颗粒略大的颗粒，与其匹配，颗粒平均尺寸略增加，分布向正态分布回归，切割是利用了切割液中的所有颗粒，切割力稳定。切割力的下降还与SiC颗粒的球形度增加相关，这一影响通过加入的颗粒量回复，加入量通过控制切割液的比重来实现。随着切割液比重的增加，要在切割过程中带入适度的颗粒，切割液的粘度要相应增加，本发明专利要求粘度增加1%以上。
第四步，采用调整后的切割液进行切割，重复第二步；在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；当R值满足下式条件时，调整切割液，
(6)
第五步，在线调配切割液，重复第三步，方法为在切割液中加入SiC颗粒，控制颗粒尺寸、比重和粘度；其特征为：加入的SiC颗粒尺寸
(7)
调整后切割液的特征为：
(8)
(9)
此时，切割液中的SiC颗粒中心粒径发生变化，记为。
第六步，循环以上第二步到第五步步骤，当R小于6.0μm时，不再调整，报废切割液。
附图说明
图1 传统切割液调配后粒径分布图。
图2 本发明专利切割液调配后粒径分布图。
具体实施例
实施例1
切割直径为200mm硅晶棒。配制初始切割液，切割液由SiC颗粒和1,2-丙二醇溶剂构成。SiC颗粒的中心粒径R为8.0μm，记为。所述切割液的制备方法为：在搅拌速度S0为350rpm、搅拌温度为室温的条件下，向1,2-丙二醇溶剂中加入SiC颗粒，搅拌使其完全混合均匀，直至达到目标的粘度和比重。比重：1.55g/mL，记为；粘度范围：1.6cps，记为。
采用初始切割液切割晶棒，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割3.5小时后，R值达到7.36μm，调整切割液。向切割液中加入中心粒径为7.68μm的碳化硅颗粒，切割液的比重调节为1.63 g/mL，测量后粘度为1.63cps，切割液中碳化硅颗粒中心粒径为7.52μm。继续切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割0.5小时后，完成第一次切割。晶片检测结果表明：最大切割痕深度15.6μm，Bow值16.4μm，warp值8.6μm，晶片的表面性质良好。
实施例2
采用实施例1的切割液继续切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割3.0小时后，R值达到了6.92μm，调整切割液。向切割液中加入中心粒径为7.22μm的碳化硅颗粒，切割液的比重调节为1.71g/mL，测量后粘度为1.66cps，切割液中碳化硅颗粒中心粒径为7.07μm。继续切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割1.0小时后，完成第二次切割。晶片检测结果表明：最大切割痕深度14.8μm，Bow值16.4μm，warp值9.6μm，晶片的表面性质稳定。
实施例3
采用实施例2的切割液继续切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割2.0小时后，R值达到了6.50μm，调整切割液。向切割液中加入中心粒径为6.79μm的碳化硅颗粒，切割液的比重调节为1.79g/mL，测量后粘度为1.70cps。切割液中碳化硅颗粒中心粒径为6.64μm。继续切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割1.5小时后，完成第三次切割。晶片检测结果表明：最大切割痕深度13.5μm，Bow值14.4μm，warp值8.6μm。
实施例4
采用实施例3的切割液继续切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割1.5小时，R值达到了6.11μm，调整切割液。向切割液中加入中心粒径为6.38μm的碳化硅颗粒，切割液的比重调节为1.88g/mL，测量后粘度为1.73cps。切割液中碳化硅颗粒中心粒径为6.25μm。继续切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；切割2.5小时后，完成切割。检测R值达到了5.75μm，低于6.0μm，切割液报废。晶片检测结果表明：最大切割痕深度14.3μm，Bow值12.4μm，warp值7.8μm，晶片的表面性质仍能维持在较好的水平。
对比例1
传统的切割液调配方法，在每次完成晶棒切割后调整切割液，加入的都是初始切割液。实际结果表明，切割液使用两次后报废，比本发明专利少利用两次。切割后晶片检测结果表明：最大切割痕深度24.8μm，Bow值32.4μm，warp值18.6μm。对比明显，晶片的表面质量明显低于本发明专利技术。

Claims (6)

1.一种集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法，采用SiC颗粒和1,2-丙二醇溶剂配制初始切割液，记录比重和粘度分别为和；采用初始切割液进行单晶硅切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；当R值下降8%时，加入SiC颗粒，提高切割力，从而保持切割性能稳定。
2.根据权利要求1所述的集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法，其特征在于，首先配制初始切割液；切割液由SiC颗粒和1,2-丙二醇溶剂构成；SiC颗粒的中心粒径R为8.0μm，记为；所述切割液的制备方法为：在搅拌速度S0为350 rpm、搅拌温度为室温的条件下，向1,2-丙二醇溶剂中加入SiC颗粒，搅拌使其完全混合均匀，直至达到目标的粘度和比重；比重：1.55g/mL，记为；粘度范围：1.6~1.9cps，记为。
3.根据权利要求1所述的集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法，其特征在于，采用初始切割液进行单晶硅切割，在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；当R值满足下式条件时，调整切割液：。
4.根据权利要求1所述的集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法，其特征在于，在线调配切割液，方法为在切割液中加入SiC颗粒，控制颗粒尺寸、比重和粘度；其特征为：加入的SiC颗粒尺寸特征为，调整后切割液的特征为：，，此时，切割液中的SiC颗粒中心粒径发生变化，记为。
5.根据权利要求1和4所述的集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法，其特征在于，采用调整后的切割液进行切割，重复权利要求3的步骤；在切割过程中在线监测切割液中碳化硅的中心粒径R，同时，滤除颗粒尺寸小于4.5μm的小颗粒成分；当R值满足下式条件时，调整切割液，；在线调配切割液，重复权利要求4的步骤，方法为在切割液中加入SiC颗粒，控制颗粒尺寸、比重和粘度；其特征为：加入的SiC颗粒尺寸：，调整后切割液的特征为： ，，此时，切割液中的SiC颗粒中心粒径发生变化，记为。
6.根据权利要求3至5所述的集成电路用单晶硅多线切割稳定性控制方法，其特征在于，循环以上步骤，当R小于6.0μm时，不再调整，报废切割液。
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