CN108312369B - 晶圆切割设备及晶圆切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆切割设备及晶圆切割方法，该切割设备包括：支架、工作平台、切割刀、驱动机构和喷水装置。工作平台用于放置待切割的晶圆；切割刀立设于工作平台的上方，切割刀能够相对于工作平台运动，切割刀的刀刃在高度上大于晶圆的厚度；驱动机构的主轴与切割刀连接，以驱动切割刀旋转；主轴的输出功率为1.8KW～2.2KW；喷水装置用以输送常温水，喷水装置具有朝向切割刀正向旋转前端的第一出水部，以及朝向切割刀两侧的第二出水部；驱动机构驱动切割刀切割晶圆，且切割刀的刀刃从高度上从晶圆的上表面切至晶圆的底面，从而实现一刀切透晶圆；而喷水装置内的常温水从第一出水部和第二出水部喷出，并喷射于切割刀切割晶圆的加工点。

Description

晶圆切割设备及晶圆切割方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种晶圆切割设备及晶圆切割方法。

背景技术

半导体行业中的碳化硅晶圆(SiC wafer)具有绝佳的绝缘击穿电场，饱和漂移速度及热传导率等优点。在功率器件中备受欢迎。把碳化硅晶圆经过贴片工艺把晶圆贴在切割膜上，然后在切割工位把晶圆切割成单个芯片，通过外观检查，电测，最后把合格的芯片成品进行包装。

由于生产工艺复杂，材料硬度极高导致加工难度增大。在半导体封装测试加工领域中，切割碳化硅晶圆(SiC wafer)传统工艺一般是同一切割道用同一把刀分4～5次切割切断方法。单刀多次切割切断方法就是采用同一刀把碳化硅晶圆同一切割道分4～5次切透的方式进行加工。这种切割方式会遇到逆刀、断刀、晶圆破裂、切割效率极低等很多问题。切割出来的晶圆切痕侧面有微暗裂的风险，正面崩边和背面崩边不稳定，特别是侧面崩边的微暗裂缺陷对产品存在质量的风险，品质得不到保证。

单刀分多次切割工艺长期以来不能很好地解决较晶圆崩边、侧面微暗裂、逆刀、断刀、晶圆破裂、切割效率低等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明在于提供一种晶圆切割设备及晶圆切割方法，以解决现有技术中因碳化硅晶圆硬度过高而导致切割效率低、产品质量得不到保证等问题。

针对上述技术问题，本发明提出一种晶圆切割设备，用以切割碳化硅晶圆，该晶圆切割设备包括：支架，以及设置于所述支架上的工作平台、切割刀、驱动机构和喷水装置；所述工作平台用于放置待切割的晶圆；所述切割刀立设于所述工作平台的上方，且所述切割刀能够相对于与所述工作平台运动，所述切割刀的刀刃在高度上大于晶圆的厚度；所述驱动机构的主轴与所述切割刀连接，以驱动所述切割刀旋转；所述主轴的输出功率为1.8KW～2.2KW；所述喷水装置用以输送常温水，所述喷水装置具有朝向所述切割刀正向旋转前端的第一出水部，以及朝向所述切割刀两侧的第二出水部；所述驱动机构驱动所述切割刀旋转，而所述工作平台与所述切割刀有相对运动，而使所述切割刀能够切割所述工作平台上的晶圆，且所述切割刀的刀刃从高度上从晶圆的上表面切至晶圆的底面，从而实现一刀切透晶圆；而所述喷水装置内的常温水从所述第一出水部和所述第二出水部喷出，并喷射于所述切割刀切割晶圆的加工点。

在优选方案中，所述喷水装置包括：第一管路和两个第二管路，所述第一管路具有所述第一出水部，所述两个第二管路分别具有所述第二出水部；其中，所述第一管路和所述第二管路均上下可调。

在优选方案中，所述第一管路包括：主管路分段和调节管路分段；主管路分段竖直设置；调节管路分段倾斜设置，其一端为装配端，另一端为所述第一出水部；所述调节管路分段的装配端通过一连接件与所述主管路分段的下端活动连接，以使所述调节管路分段在竖直平面内角度可调。

在优选方案中，每个所述第二出水部均具有三个开口，该三个开口在同一高度上分布。

在优选方案中，所述工作平台上还设有用于打磨所述切割刀的磨刀板，所述磨刀板与待放置的晶圆间隔设置；通过所述工作平台与所述切割刀的相对运动，能够使所述切割刀与所述工作平台上的晶圆配合进行切割，或与所述磨刀板配合进行磨刀。

在优选方案中，所述切割刀为两个，且两个切割刀并列设置，以从晶圆的两侧对称进行切割。

本发明还提出一种晶圆切割方法，该晶圆具有圆形的功能区域和围绕于该功能区域外围的非功能区域，该切割方法包括：定位步骤、切割步骤和冷却步骤；定位步骤：在待切割的晶圆上预设多条切割路径，每条切割路径均经过晶圆的功能区域；切割步骤：利用功率为1.8KW～2.2KW的主轴驱动切割刀，沿切割路径以一刀切透的方式对晶圆进行切割；冷却步骤：利用常温水从切割刀的前端和两侧向晶圆的加工点进行喷射；其中，所述切割步骤和所述冷却步骤同步进行。

在优选方案中，所述切割步骤中，在沿任意一条切割路径进行切割时，以晶圆之外或晶圆边缘为切割起始点，朝晶圆内部进行切割，并止刀于晶圆的非功能区域内。

在优选方案中，在所述定位步骤中，预设的多条切割路径，包括多条平行的第一切割路径和多条平行的第二切割路径，其中，第一切割路径和第二切割路径相互垂直。

在优选方案中，在所述切割步骤中，利用两个切割刀从晶圆的两侧对称并沿对应的切割路径进行切割。

在优选方案中，所述切割步骤中还包括：磨刀步骤；该磨刀步骤包括：以切割刀的切割路径长度为参数设定磨刀设置值，当切割刀的切割行走路径大于磨刀设置值后，切割刀能够与磨刀板配合而进行磨刀，并在磨刀完成后，切割刀能够再次与晶圆配合而继续进行晶圆切割。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明晶圆切割设备，其采用高功率主轴驱动切割刀，有效提高切割刀的切割硬度极高材料碳化硅晶圆的能力；且在切割过程中喷水装置能够对加工点进行多方位喷水，既有效冷却切割刀，又有效去除切割刀上因切割晶圆带来的碎屑，以保证切割过程刀具的切割能力。在此条件下，采用一刀切透的方式进行晶圆切割，有效地解决了晶圆正面和背面崩边、侧面微暗裂、逆刀、断刀、晶圆破裂等问题，提高了碳化硅晶圆的切割品质和切割效率。

附图说明

图1是本实施例碳化硅晶圆的结构示意图。

图2是本实施例切割刀一刀切透碳化硅晶圆的结构示意图。

图3是本实施例碳化硅晶圆的切割路径的结构示意图。

图4是本实施例喷水装置与切割刀配合的结构示意图。

图5是本实施例切割刀于磨刀板进行磨刀的结构示意图。

图6是本实施例晶圆切割方法的流程示意图。

附图标记说明如下：100、晶圆；101、功能区域；102、非功能区域；11、切割路径；12、切割路径；CH1、第一方向；CH2、第二方向；11’、切割路径；a1、起点；a2、终点；12’、切割路径；b1、起点；b2、终点；3、切割刀；51、第一管路；511、主管路分段；512、调节管路分段；513、连接件；501、出水部；52、第二管路；521、竖直分段；522、水平分段；502、出水部；6、磨刀板。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

参阅图1至图5，本实施例提供的晶圆切割设备用以切割碳化硅晶圆100，该碳化硅晶圆100具有圆形的功能区域101和围绕于该功能区域101外围的非功能区域102，本实施例的切割设备以在功能区域101内切割形成多个芯片单元。

本实施例的晶圆切割设备包括：支架以及设置于支架上的工作平台、切割刀3、驱动机构和喷水装置。

工作平台用以放置待切割的晶圆100。

本实施例的切割刀3为圆形，其外圆周为刀刃。具体地，切割刀3立设于工作平台的上方，且切割刀3能够与工作平台相对运动，切割刀3的刀刃在高度上大于晶圆100的厚度。进一步地，本实施例的工作平台能够上下移动和水平移动，以实现其与切割刀3的相对运动。

驱动机构的主轴与切割刀3连接，以驱动切割刀3旋转；且主轴的输出功率为1.8KW～2.2KW，以使切割刀3以高功率旋转作业。

喷水装置用以输送常温水，其具有朝向切割刀3正向旋转的前端的出水部501，以及朝向切割刀3两侧的出水部502。

驱动机构驱动切割刀3旋转，而工作平台与切割刀3相对运动，而使切割刀3能够切割工作平台上的晶圆100，并且切割刀3的刀刃从高度上从晶圆100的上表面切至晶圆100的底面，从而实现一刀切透晶圆100；同时，常温水能够从出水部501和出水部502喷出，并喷射于切割刀3切割晶圆100的加工点，既冷却切割刀，也有效除去因切割而带来的碎屑。

需要说明的是，本实施例中的加工点为切割刀3在切割晶圆100过程中，切割刀3实际与晶圆100接触的部分。

本实施例的碳化硅晶圆相较于其他晶圆硬度较大，经过对芯片侧面微暗裂，刀片发生逆刀、断刀，晶圆破裂等现象的观察研究，发现影响切割碳化硅晶圆材料硬度的主要因素有切割主轴功率，切割冷却水的冷却效果，切割的方式方法及刀片的切割能力等方面有很大的关系。因此，本实施例晶圆切割设备采用高功率主轴，且常温水从多个方位对加工点进行喷射，优化了晶圆100的切割方法和方式，有效地提高了碳化硅晶圆100的切割品质和提高切割效率。

进一步地，本实施例的喷水装置包括：第一管路51和两个第二管路52，其均与外部的常温水连通，其中，常温水的温度为23℃±2℃。

第一管路51具有出水部501，两个第二管路52分别具有一出水部502；其中，第一管路51和第二管路52均上下可调。

具体地，第一管路51包括：主管路分段511和调节管路分段512。

主管路分段511竖直设置。调节管路分段512倾斜设置，其一端为装配端，另一端为出水部501；调节管路分段512的装配端通过连接件513与主管路分段511的下端活动连接，以使调节管路分段512在竖直平面内角度可调，调节管路分段512的出水部501位于切割刀3正向旋转的前端，调节管路分段512以连接件513所在的位置为支点能够顺时针或逆时针旋转而调整角度，如图4所示。

在本实施例中，主管路分段511上端与外部常温水连通，主管路分段511的下端大致位于碳化硅晶圆100高度方向上的中部，通过调节管路分段512的倾斜角度，以使常温水经出水部501喷射出而喷至加工点位置。

第二管路52为两个，每个第二管路52均包括：竖直分段521和固定连接于竖直分段521下端的水平分段522，各水平分段522上均设有出水部502。

本实施例中，各第二管路52的竖直分段521的上端与外部常温水连通，竖直分段521的下端延伸的位置位于碳化硅晶圆100高度方向的下部，两个水平分段522水平设置于碳化硅晶圆100底部的两侧，以使水平分段522的出水部502大致对应与碳化硅晶圆100的底部，外部的常温水分别通过两个第二管路52分流并经两个出水部502向加工点进行喷射，水压一般为0.2MPa～0.3MPa。

较优地，出水部502均具有三个开口，该三个开口在同一高度上分布，以使常温水在同一高度上分为三股喷射于加工点。

在实际使用中，出水部502的开口的数量还可以是其他多个，根据实际需求确定，此处不予限定。

本实施例的第一管路51和第二管路52均上下可调，第一管路51的上下调节并配合调节管路分段512角度调节，以更好地、灵活地将常温水从切割刀3前端喷射于加工点；而第二管路52的上下调整能够以适应不同厚度晶圆的切割，实现更准确的将常温水喷射于加工点。

进一步地，工作平台上还设有用于打磨切割刀3的磨刀板6，如图5所示，磨刀板6与待放置的晶圆100间隔设置；通过移动工作平台，能够使切割刀3与工作平台上的晶圆100配合进行切割，或与磨刀板6配合进行磨刀，保证切割刀3在切割的过程中始终处于切割最佳的状态，提高了切割效率和切割刀3的使用率。

本实施例的晶圆切割设备，其具有两个切割刀3，以同时对碳化硅晶圆100进行切割。具体地，两个切割刀3在同一高度上并列设置，二者能够相对靠拢或分离，以使两切割刀3能同时从晶圆100的两侧对称切割。

如图3所示，在本实施例中，切割刀3的切割均沿切割路径进行切割，需要说明的是，该切割路径指切割刀3切割时实际行走的路线。切割路径为割线，其为直线段，各切割路径的一端位于晶圆100边缘或之外，另一端位于晶圆100的非功能区域102，而切割路径的中段位于晶圆100的功能区域101，以使各条切割路径均通过功能区域101。

当两个切割刀3对碳化硅晶圆100进行同时切割时，两切割刀3从碳化硅晶圆100的两侧开始沿切割路径进行切割，并逐步靠拢完成该方向上的切割。之后，利用工作平台将碳化硅晶圆100调整90°，再次利用两切割刀3进行切割，直至完成所有切割路径的切割。

结合图3和图4，待切割的碳化硅晶圆100上预设多条切割路径11和多条切割路径12，切割路径11和切割路径12相互垂直；各条切割路径11之间相互平行且等距离间隔，各条切割路径12之间也相互平行且等距离间隔。

切割刀3先以第一方向CH1并沿切割路径11进行切割，之后，在以第二方向CH2沿切割路径12进行切割。

两把切割刀3对应于晶圆100两侧的切割路径11’切割，其从起点a1开始，切割至终点a2结束完成两条切割路径11’的切割；其中，起点a1在晶圆100外缘之外，终点a2为止刀位置，其路径分别经过晶圆的非功能区102、功能区101、非功能区102。之后，任意一侧的切割刀3朝D1方向(即晶圆100中心)移动至下一个切割路径进行切割，直至完成第一方向CH1的所有切割路径11的切割。

之后，调整工作平台，使其与两切割刀3相对运动，使得碳化硅晶圆100相对于两个切割刀3在水平面上旋转90度，再沿第二方向CH2上的多条切割路径12进行晶圆100的切割，步骤同上。具体地，两把切割刀3对应于晶圆100两侧的切割路径12’切割，其从起点b1开始，切割至终点b2结束完成两条切割路径12’的切割；其中，起点b1在晶圆100外缘之外，终点b2在晶圆100的非功能区域102；之后，两个切割刀3交替工作，每个切割刀3均朝D2方向(即晶圆100中心方向)移动而进行下一个切割路径12的切割，直至完成第二方向CH2的所有切割路径12的切割。

在其他实施例中，起点a1和起点b1还可以位于晶圆100的边缘位置。

需要说明的是，在沿第一方向CH1的切割过程中，或者，沿第二方向CH2切割的过程中，两切割刀3可以同时沿两个切割路径进行切割，也可以分别进行切割，且两切割刀3的间距需保持至少两倍安全间距以上，以避免发生相互干涉，保证有序的完成各切割路径的切割。

在实际使用中，两个切割刀3的相对移动可以通过移动机构完成，或两个切割刀3均可以于水平方向上调节，或其中一个切割刀3可调，此处均不予限定。

在其他实施例中，还可以采用一个切割刀3进行切割。

进一步地，为了配合两个切割刀3，磨刀板6也对应设置两个，磨刀的配合通过调整工作平台相对于切割刀3的运动实现，不再赘述。

本实施例的晶圆切割设置，其采用高功率驱动切割刀，有效提高切割刀的切割硬度极高材料碳化硅晶圆的能力；且在切割过程中喷水装置能够对加工点进行前端和两侧的喷水，既有效冷却切割刀，又有效去除切割刀上因切割晶圆带来的碎屑，防止碎屑粘附在刀片上，裹住刀刃，使切割刀失去切割能力导致刀片产生断刀、逆刀、失去切割能力、晶圆被烧焦、裂片等问题，保证切割过程刀具的切割能力；同时，还省去设置专门的冷却水设备，大大降低了成本。在此条件下，采用一刀切透的方式进行晶圆切割，有效地解决了晶圆正面和背面崩边、侧面微暗裂、逆刀、断刀、晶圆破裂等问题，提高了碳化硅晶圆的切割品质和切割效率。

参阅图6，本实施例还提供了一种晶圆切割方法，主要用以切割硬度较高的碳化硅晶圆，该方法主要包括：定位步骤、切割步骤和冷却步骤，其中，切割步骤和冷却步骤同步进行。

定位步骤S10：在置于工作平台且待切割的晶圆上预设多条切割路径，每条切割路径均经过晶圆的功能区域。

进一步地，该步骤中预设的多条切割路径包括：包括多条平行的第一切割路径和多条平行的第二切割路径，其中，第一切割路径垂直于第二切割路径。

切割步骤S20：利用功率为1.8KW～2.2KW的主轴驱动切割刀，沿切割路径以一刀切透的方式对晶圆进行切割。

较优地，在沿其中一方向的切割路径进行切割时，以晶圆之外或晶圆边缘为切割起始点，朝晶圆内部进行切割，并止刀于晶圆的非功能区域内，使得切割刀行走路径大大减少，既提高效率，又有效减少可能出现的崩边问题。

在本步骤中，采用两个切割刀进行晶圆的切割，即，利用两个切割刀从晶圆的两侧开始进行切割。

需要说明的是，两切割刀可以同时沿两个切割路径进行切割，也可以分别进行切割，且两切割刀的间距需保持至少两倍安全间距以上，以避免发生相互干涉，保证有序的完成各切割路径的切割即可。

在其他实施例中，还可以采用一个切割刀进行切割，切割时利用切割刀依次沿各切割路径的路径切割即可。

冷却步骤S30：利用常温水从多个方向向晶圆的加工点进行喷射。

较优地，利用常温水从多个方向向晶圆的加工点进行喷射中，常温水分别从切割刀的前端、以及切割刀的两侧对加工点进行喷水，以对切割刀达到最佳的冷却效果，并及时带走碎屑，避免刀刃被粘附或裹住，保证切割刀的切割能力。

进一步地，所述切割步骤中还包括：磨刀步骤。

具体地，该磨刀步骤包括：以切割刀的切割路径长度为参数预先设定磨刀设置值，并在工作平台上放置磨刀板；当切割刀的切割行走路径大于磨刀设置值后，通过移动工作平台使磨刀板能够与切割刀配合而进行磨刀，在磨刀完成后，再次移动工作平台使切割刀与晶圆配合而继续进行晶圆切割，经过切割、磨刀多次重复之后，直至完成全部切割路径的切割，使得切割刀在切割晶圆的整个过程中一直处于切割最佳的状态，确保切割质量，大大地提高了切割效率。

需要说明的是，本实施例晶圆切割方法结合切割设备完成，但不限于本实施例的晶圆切割设备。

本实施例的晶圆切割设备和切割方法均还同时适用于其他材质的晶圆，或还通过调节出口端，以转换两种材质晶圆切割的使用，适用范围更加广泛。

虽然已参照以上典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种晶圆切割设备，用以切割碳化硅晶圆，其特征在于，包括：支架，以及设置于所述支架上的工作平台、切割刀、驱动机构和喷水装置；

所述工作平台用于放置待切割的晶圆；

所述切割刀立设于所述工作平台的上方，且所述切割刀能够相对于与所述工作平台运动，所述切割刀的刀刃在高度上大于晶圆的厚度；

所述驱动机构的主轴与所述切割刀连接，以驱动所述切割刀旋转；所述主轴的输出功率为1.8KW～2.2KW；

所述喷水装置用以输送常温水，所述喷水装置具有朝向所述切割刀正向旋转前端的第一出水部，以及朝向所述切割刀两侧的第二出水部；

所述驱动机构驱动所述切割刀旋转，而所述工作平台与所述切割刀有相对运动，而使所述切割刀能够切割所述工作平台上的晶圆，且所述切割刀的刀刃从高度上从晶圆的上表面切至晶圆的底面，从而实现一刀切透晶圆；而所述喷水装置内的常温水从所述第一出水部和所述第二出水部喷出，并喷射于所述切割刀切割晶圆的加工点；

所述工作平台上还设有用于打磨所述切割刀的磨刀板，所述磨刀板与待放置的晶圆间隔设置；通过所述工作平台与所述切割刀的相对运动，能够使所述切割刀与所述工作平台上的晶圆配合进行切割，或与所述磨刀板配合进行磨刀。

2.如权利要求1所述的晶圆切割设备，其特征在于，所述喷水装置包括：第一管路和两个第二管路，所述第一管路具有所述第一出水部，所述两个第二管路分别具有所述第二出水部；其中，所述第一管路和所述第二管路均上下可调。

3.如权利要求2所述的晶圆切割设备，其特征在于，所述第一管路包括：

主管路分段，其竖直设置；

调节管路分段，倾斜设置，其一端为装配端，另一端为所述第一出水部；所述调节管路分段的装配端通过一连接件与所述主管路分段的下端活动连接，以使所述调节管路分段在竖直平面内角度可调。

4.如权利要求2所述的晶圆切割设备，其特征在于，每个所述第二出水部均具有三个开口，该三个开口在同一高度上分布。

5.如权利要求1所述的晶圆切割设备，其特征在于，所述切割刀为两个，且两个切割刀并列设置，以从晶圆的两侧对称进行切割。

6.一种晶圆切割方法，该晶圆具有圆形的功能区域和围绕于该功能区域外围的非功能区域，其特征在于，该切割方法包括：

定位步骤：在待切割的晶圆上预设多条切割路径，每条切割路径均经过晶圆的功能区域；

切割步骤：利用功率为1.8KW～2.2KW的主轴驱动切割刀，沿切割路径以一刀切透的方式对晶圆进行切割；

冷却步骤：利用常温水从切割刀的前端和两侧向晶圆的加工点进行喷射；

磨刀步骤：以切割刀的切割路径长度为参数设定磨刀设置值，当切割刀的切割行走路径大于磨刀设置值后，切割刀能够与磨刀板配合而进行磨刀，并在磨刀完成后，切割刀能够再次与晶圆配合而继续进行晶圆切割；

其中，所述切割步骤和所述冷却步骤同步进行。

7.如权利要求6所述的晶圆切割方法，其特征在于，所述切割步骤中，在沿任意一条切割路径进行切割时，以晶圆之外或晶圆边缘为切割起始点，朝晶圆内部进行切割，并止刀于晶圆的非功能区域内。

8.如权利要求6所述的晶圆切割方法，其特征在于，在所述定位步骤中，预设的多条切割路径，包括多条平行的第一切割路径和多条平行的第二切割路径，其中，第一切割路径和第二切割路径相互垂直。

9.如权利要求6所述的晶圆切割方法，其特征在于，在所述切割步骤中，利用两个切割刀从晶圆的两侧对称并沿对应的切割路径进行切割。