CN108257888A - 一种晶圆切割装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种晶圆切割装置和方法。该晶圆切割装置包括刻蚀单元、气体供给单元和化学反应液供给单元。其中，刻蚀单元，包括夹片具和导流罩，夹片具包括承载盘和气体通路，承载盘对待切割晶圆进行固定并且设置有多个气孔，气体通路设置于所述承载盘下方，导流罩为三层结构，包括外层、中层和内层，外层与中层间形成有第一中空夹层，中层与内层间形成有第二中空夹层，位于夹片具上方且间距可调，对化学反应液及保护气体的流向进行规范。根据本发明能够以较低成本实现将大晶圆切割为小晶圆，满足半导体业界研发中，一部分工艺需要在大尺寸尖端设备上完成，另一部分工艺在小尺寸设备中完成的需求，有利于进一步降低研发成本。

Description

一种晶圆切割装置和方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及半导体领域，具体涉及一种晶圆切割装置和方法。
背景技术
在现代半导体产业的研发过程中，特别是在实验室阶段，出于科研成本等因素的考虑，经常会遇到一个问题，即，前面的工艺需要在针对大尺寸(比如300毫米)晶圆的设备上完成，而后续的工艺却需要在针对小尺寸(比如150毫米或更小)晶圆的设备上完成。例如，一些最先进的工艺用深紫外光刻机进行细线条光刻及用最先进的工业化设备进行复杂成分的高精度镀膜等，均需要在针对大尺寸晶圆的最先进设备上完成。但是，这些最先进的工艺与小尺寸的晶圆不兼容，因此难以在小尺寸晶圆上实现这些需求。而后续工艺往往在针对小尺寸晶圆的设备上即可实现并能满足器件研发需要。这就需要将大尺寸的晶圆切割为小尺寸的晶圆，而切割后的小尺寸晶圆能够在相应设备上继续完成后续工艺。也就是说，需要切割后的小尺寸晶圆与其相应的设备兼容。
目前市场拥有的晶圆切割方法主要是用锯条的机械切割及用激光的切割方式。机械切割的特点是主要将晶圆按照其特有的晶格方向切割为长方形或者方形的样品。机械切割也在开发弧形切割技术，但常常会产生很多晶圆边缘缺陷。此外，还可以通过激光辅助技术进行晶圆切割，称作隐形切割技术，但是，该技术也主要按照晶圆特有的晶格方向切割出长方形或者方形的样品。通过完全激光的方式可以实现其他形状的晶圆切割。但是，激光完全切割耗时长，成本高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种晶圆切割装置，包括：刻蚀单元、气体供给单元和化学反应液供给单元，所述刻蚀单元，包括夹片具和导流罩，其中，所述夹片具包括承载盘和气体通路，所述承载盘对待切割晶圆进行固定并且设置有多个气孔，所述气体通路设置于所述承载盘下方，所述导流罩为三层结构，包括外层、中层和内层，外层与中层间形成有第一中空夹层，中层与内层间形成有第二中空夹层，位于所述夹片具上方且间距可调，对化学反应液及保护气体的流向进行规范；气体供给单元，与所述导流罩相连，分别向所述导流罩的内层和第二中空夹层中通入保护气体，还与所述气体通路相连，并通过所述气孔向所述承载盘供给保护气体；以及化学反应液供给单元，与所述导流罩相连，向所述第一中空夹层中通入化学反应液。
优选为，所述导流罩内层还设置有出气口，延伸至导流罩外。
优选为，所述第二中空夹层的厚度为0.1～5mm。
优选为，所述导流罩下边缘呈圆形及晶圆形状。
优选为，所述承载盘的尺寸小于所述待切割晶圆的尺寸，所述气孔排列为圆形及晶圆形状。
优选为，所述化学反应液供给单元包括：储液槽、回收槽和泵，通过如下方式对化学反应液进行循环使用：通过所述泵向所述导流罩的第一中空夹层中供给化学反应液；化学反应液流经待切割晶圆后，进入所述回收槽；之后，通过所述泵使化学反应液回流到所述储液槽。
本发明还公开一种晶圆切割方法，所使用的晶圆切割装置包括刻蚀单元、气体供给单元和化学反应液供给单元，包括如下步骤：装载步骤，将待切割晶圆固定在所述承载盘上；调整步骤，调整所述导流罩与所述承载盘间的距离；供气步骤，利用所述气体供给单元向所述导流罩内层和所述第二中空夹层通入保护气体，保持所述内层和第二中空夹层中的压强恒定，且使所述内层的压强小于第二中空夹层的压强，所述第二中空夹层的压强大于导流罩外部压强，并通过所述气体通路及所述气孔向所述承载盘供给保护气体，使保护气体由所述气孔流向所述待切割晶圆边缘；刻蚀步骤，利用所述化学反应液供给单元向所述导流罩的第一中空夹层供给化学反应液，使化学反应液流至所述待切割晶圆中位于所述导流罩下方范围外的部分，对所述待切割晶圆进行湿法刻蚀，得到目标晶圆；清洗步骤，将所述化学反应液供给单元中的化学反应液切换为超纯水，通入所述导流罩的第一中空夹层内，清除所述目标晶圆表面残留的化学反应液；干燥步骤，加大向所述导流罩第二中空夹层中通入保护气体的压力和流量，对所述目标晶圆进行干燥；以及取出步骤，升起所述导流罩，从所述载片盘上取下所述目标晶圆。
优选为，在所述目标晶圆为多个的情况下，设置与所述目标晶圆相同数目和尺寸的多个导流罩和相同数目的多个夹片具。
优选为，所述导流罩与所述承载盘间的距离为0.1～30mm。
优选为，所述保护气体至少包括惰性气体、氮气、反应气体中的一种。
根据本发明能够以较低成本实现将大晶圆切割为小晶圆，满足半导体业界研发中，一部分工艺需要在大尺寸尖端设备上完成，另一部分工艺在小尺寸设备中完成的需求，有利于进一步降低研发成本。此外，通过第二中空夹层的设置，对该微环境中气体流量和压强的精确控制，使目标晶圆的边缘结构更加平滑，晶圆切割质量得到了进一步优化和提升。
附图说明
图1是晶圆切割装置的结构示意图。
图2是导流罩的结构示意图。
图3是承载盘上气孔的排列方式的示意图。
图4是晶圆切割装置中化学反应液供给单元的结构示意图。
图5是晶圆切割方法的流程图。
图6是将大晶圆切割为一个目标晶圆的示意图。
图7是将大晶圆切割为多个目标晶圆的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件的各部分均可采用本领域公知的工艺和材料实现。
如图1所示，一种晶圆切割装置包括：刻蚀单元1、气体供给单元2和化学反应液供给单元3。各单元具体结构如下：刻蚀单元1，包括夹片具11和导流罩12，其中，夹片具11包括承载盘111和气体通路112。承载盘111对待切割晶圆4进行固定，并且在承载盘111上设置有多个气孔1111(如图3所示)，气体通路112设置于承载盘下方。优选地，承载盘111的尺寸小于待切割晶圆4的尺寸。为了更清楚地说明导流罩的各部分，在图2中示出了导流罩的结构示意图。导流罩12为三层结构，包括外层、中层和内层，外层与中层间形成有第一中空夹层121，中层与内层间形成有第二中空夹层122。导流罩12位于所述夹片具11上方且间距可调，对化学反应液及保护气体的流向进行规范。导流罩12的外层设置有化学液进口123，中层设置有保护气体进口124，内层设置有保护气体进口125和保护气体出口126。其中，保护气体进口124、125分别与气体供给单元2相连接，化学液进口123与化学反应液供给单元3相连接，保护气体出口126延伸至导流罩12外。
其中，优选地，导流罩12为半球形。当然也可以是圆锥形、圆柱形等下边缘呈晶圆形状的三层结构。更进一步地说，也可以是其他任何形状的三层结构，只要下边缘所呈形状与所需的目标晶圆形状、尺寸一致即可。
优选地，导流罩12与夹片具11之间的距离为0.1～30mm。
优选地，导流罩12的第二中空夹层122的厚度为0.1～5mm。
优选地，在承载盘111上的多个气孔1111排列为晶圆形状，如图3所示。在图3中示意地表示了保护气体的流向：经由气孔1111流向待切割晶圆4下表面的边缘。
气体供给单元2，与气体通路112相连，通过气孔1111向承载盘111供给保护气体，并且与导流罩12的保护气体进口124、125相连，向导流罩12内层及第二中空夹层122中通入保护气体。保护气体为惰性气体，例如氦气、氩气等，或者氮气。向承载盘供给的保护气体、向所述导流罩的内层和第二中空夹层中供给的保护气体是相同或不同的气体。例如，向承载盘供给氮气，向导流罩内层供给氩气，或者两者均供给氮气。保护气体根据需要的时候也可以是反应气体、反应气体与惰性气体或者反应气体与氮气的混合气体。其中，反应气体可以是提高晶圆刻蚀速度的气体，例如氨气、臭氧气、氧气等。
化学反应液供给单元3，与导流罩12相连，向导流罩12的第一中空夹层121中通入化学反应液。化学反应液可以是任何一种对待切割晶圆，例如硅，刻蚀速率很快(如，刻蚀速度大于1微米/分钟)的溶液，常用的反应液有基于HF/HNO3的混合液，或者也可以基于强碱比如NH4OH、TMAH等的溶液。
在图4中示出了化学反应液供给单元3的结构示意图。化学反应液供给单元3包括：储液槽31、回收槽32和泵33，通过如下方式对化学反应液进行循环使用：首先，通过泵33从储液槽31向导流罩12的第一中空夹层121中供给化学反应液；之后，化学反应液流经待切割晶圆4进入回收槽33；最后，再通过泵33使化学反应液回流到储液槽31。参见图4中用箭头表示的化学反应液的流向。
进一步地，晶圆切割装置还可以包括加热单元，在刻蚀过程中对化学反应液进行加热，以加快刻蚀速率。此外，根据需要也可以对保护气体进行加热。
本发明还提供一种晶圆切割方法，如图5所示，本发明的晶圆切割方法包括装载步骤S1、调整步骤S2、供气步骤S3、刻蚀步骤S4、清洗步骤S5、干燥步骤S6、以及取出步骤S7。以下对各步骤具体进行说明。
装载步骤S1中，将待切割晶圆4固定在承载盘111上。例如可以通过真空吸附的方式进行固定。优选地，承载盘111的尺寸小于待切割晶圆4的尺寸。
调整步骤S2中，将导流罩12与承载盘111间的距离调整至理想的工艺距离，优选为0.1mm～30mm。
供气步骤S3中，首先，从气体供给单元2通过进气口125向导流罩12的内层中通入第一保护气体，保持第一保护气体流量稳定，并保持导流罩12内层中的压强稳定。之后，从气体供给单元2通过进气口124向导流罩12的第二中空夹层122中通入第二保护气体，保持第二保护气体流量稳定，并保持导流罩12的第二中空夹层122内的压强稳定。第二中空夹层122内的压强大于导流罩12外部的压强，通常为大于1标准大气压。并且，第二中空夹层122内的压强大于导流罩12内层中的压强。第二保护气体和第一保护气体的压力及流量可以通过气体压力表和流量计分别进行单独控制。由于始终保持第二保护气体的压力大于第一保护气体的压力，因而第二保护气体可以进入导流罩12内层中，并且导流罩12的内层设置有保护气体出口126，从而使导流罩内层中以及第二中空夹层122内的压强始终保持恒定。最后，从气体供给单元2通过气体通路112及气孔1111向承载盘111供给第三保护气体，使第三保护气体由气孔1111流向待切割晶圆4的边缘。
这里，保护气体为惰性气体，例如氦气、氩气等，或者氮气。向承载盘供给的保护气体和向导流罩内层、第二中空夹层中供给的保护气体是相同或不同的气体。例如，向承载盘供给氮气，向导流罩内层供给氩气，或者两者均供给氮气。保护气体根据需要的时候也可以是反应气体、反应气体与惰性气体或者反应气体与氮气的混合气体。其中，反应气体可以是提高晶圆刻蚀速度的气体，例如氨气、臭氧气、氧气等。
刻蚀步骤S4中，向导流罩12的第一中空夹层121中供给化学反应液，使化学反应液流至待切割晶圆4位于导流罩12下方以外的部分，对待切割晶圆4进行湿法刻蚀，去除待切割晶圆4位于导流罩12下方外的部分，得到目标晶圆。
另外，整个刻蚀过程中，化学反应液始终在流动，由于向导流罩12内层和第二中空夹层中供给的保护气体的作用，所有的化学反应液均被保护气体慢速吹向待切割晶圆4的边缘，因此待切割晶圆4中位于导流罩12下方范围内的部分不与化学反应液体接触。此外，优选地，第二中空夹层122的厚度为0.1～5mm。如上所述，通过对该微环境中的保护气体压力和流量进行精确控制，使第二中空夹层中的保护气体压强和流量保持恒定，从而能够获得更完美的目标晶圆的边缘结构。
另外，由于向承载盘111供给的保护气体的作用，待切割晶圆4下表面始终没有化学反应液体，保持干燥。刻蚀一定时间后，待切割晶圆4位于导流罩12下方范围外的部分被化学反应液彻底腐蚀掉，形成的目标晶圆形状和导流罩12下边缘所呈形状完全相同。
导流罩的形状、尺寸根据目标晶圆的尺寸确定。在具体的一例中，如图6所示，待切割晶圆的直径为200mm，目标晶圆直径为150mm的圆形，因此相应地选择下边缘呈圆形且直径为150mm的导流罩。例如，圆锥形、圆柱形等下边缘呈晶圆形状的三层结构，优选地，导流罩为半球形。当然也可以是其他任何形状的三层结构，只要下边缘所呈形状与所需的目标晶圆形状、尺寸一致即可。
根据初始的大晶圆的尺寸及目标晶圆的尺寸，一个大晶圆可以裁剪为一个或者多个目标晶圆。目标晶圆的尺寸根据需要可以相同，也可以不同，其大小及形状受导流罩的控制。如图7所示，待切割大晶圆直径为300mm，目标晶圆为两个直径为100mm的小晶圆和两个直径为50mm的小晶圆。当一个大晶圆需要切割为多个小晶圆时，则设置与目标晶圆相同数目和尺寸的多个导流罩和相同数目的多个夹片具。另外，待切割晶圆的尺寸，目标晶圆的尺寸、数量等不限于以上实施例，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。
清洗步骤S5中，将化学反应液供给单元3中的化学反应液切换为超纯水，通入导流罩12的第一中空夹层121内，清除目标晶圆表面残留的化学反应液。
干燥步骤S6中，加大向导流罩12的第二中空夹层122中通入第二保护气体的压力和流量，对目标晶圆进行干燥。
取出步骤S7中，升起导流罩12，将目标晶圆从承载盘111上取下。例如，解除真空吸附将目标晶圆从承载盘111上取下。
根据本发明能够以较低成本实现将大晶圆切割为小晶圆，满足半导体业界研发中，一部分工艺需要在大尺寸尖端设备上完成，另一部分工艺在小尺寸设备中完成的需求，有利于进一步降低研发成本。此外，通过第二中空夹层的设置，对该微环境中气体流量和压强的精确控制，使目标晶圆的边缘结构更加平滑，晶圆切割质量得到了进一步优化和提升。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆切割装置，其特征在于，
包括：刻蚀单元、气体供给单元和化学反应液供给单元，
所述刻蚀单元包括夹片具和导流罩，其中，
所述夹片具包括承载盘和气体通路，所述承载盘对待切割晶圆进行固定并且设置有多个气孔，所述气体通路设置于所述承载盘下方，
所述导流罩为三层结构，包括外层、中层和内层，外层与中层间形成有第一中空夹层，中层与内层间形成有第二中空夹层，位于所述夹片具上方且间距可调，对化学反应液及保护气体的流向进行规范；
气体供给单元，与所述导流罩相连，分别向所述导流罩的内层和第二中空夹层中通入保护气体，还与所述气体通路相连，并通过所述气孔向所述承载盘供给保护气体；以及
化学反应液供给单元，与所述导流罩相连，向所述第一中空夹层中通入化学反应液。
2.根据权利要求1所述的晶圆切割装置，其特征在于，
所述导流罩内层还设置有出气口，延伸至导流罩外。
3.根据根据权利要求1所述的晶圆切割装置，其特征在于，
所述第二中空夹层的厚度为0.1～5mm。
4.根据权利要求1所述的晶圆切割装置，其特征在于，
所述导流罩下边缘呈晶圆形状。
5.根据权利要求1所述的晶圆切割装置，其特征在于，
所述承载盘的尺寸小于所述待切割晶圆的尺寸，所述气孔排列为晶圆形状。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的晶圆切割装置，其特征在于，
所述化学反应液供给单元包括：储液槽、回收槽和泵，通过如下方式对化学反应液进行循环使用：
通过所述泵向所述导流罩的第一中空夹层中供给化学反应液；
化学反应液流经待切割晶圆后，进入所述回收槽；之后
通过所述泵使化学反应液回流到所述储液槽。
7.一种晶圆切割方法，所使用的晶圆切割装置包括刻蚀单元、气体供给单元和化学反应液供给单元，其特征在于，
包括如下步骤：
装载步骤，将待切割晶圆固定在所述承载盘上；
调整步骤，调整所述导流罩与所述承载盘间的距离；
供气步骤，利用所述气体供给单元向所述导流罩内层和所述第二中空夹层通入保护气体，保持所述内层和第二中空夹层中的压强恒定，且使所述内层的压强小于第二中空夹层的压强，所述第二中空夹层的压强大于导流罩外部压强，并通过所述气体通路及所述气孔向所述承载盘供给保护气体，使保护气体由所述气孔流向所述待切割晶圆边缘；
刻蚀步骤，利用所述化学反应液供给单元向所述导流罩的第一中空夹层供给化学反应液，使化学反应液流至所述待切割晶圆中位于所述导流罩下方范围外的部分，对所述待切割晶圆进行湿法刻蚀，得到目标晶圆；
清洗步骤，将所述化学反应液供给单元中的化学反应液切换为超纯水，通入所述导流罩的第一中空夹层内，清除所述目标晶圆表面残留的化学反应液；
干燥步骤，加大向所述导流罩的第二中空夹层中通入保护气体的压力和流量，对所述目标晶圆进行干燥；以及
取出步骤，升起所述导流罩，从所述载片盘上取下所述目标晶圆。
8.根据权利要求7所述的晶圆切割方法，其特征在于，
在所述目标晶圆为多个的情况下，设置与所述目标晶圆相同数目和尺寸的多个导流罩和相同数目的多个夹片具。
9.根据权利要求7或8所述的晶圆切割方法，其特征在于，
所述导流罩与所述承载盘间的距离为0.1～30mm。
10.根据权利要求7或8所述的晶圆切割方法，其特征在于，
所述保护气体至少包括惰性气体、氮气、反应气体中的一种。
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