CN109866347B - 碳化硅晶棒多线切割方法 - Google Patents

Abstract

一种碳化硅晶棒的多线切割方法，包括：对碳化硅晶棒的端面进行应力状态检测，选出具有拉应力的拉应力型端面；在所述拉应力型端面粘贴环形陪片；对粘贴有所述环形陪片的所述碳化硅晶棒进行多线切割，粘贴有所述环形陪片的晶片成为端面晶片；分离所述环形陪片和所述端面晶片。所述碳化硅晶棒的多线切割方法提高碳化硅晶棒的端面晶片质量和良品率，降低碳化硅晶片的加工成本。

Description

碳化硅晶棒多线切割方法

技术领域

本发明属于半导体材料加工领域，尤其涉及一种碳化硅晶棒多线切割方法。

背景技术

随着半导体技术和光电技术的快速发展，碳化硅晶片的需求量逐年增大。碳化硅晶片主要制造工艺流程为：晶体生长—切割(切片)—研磨—抛光。其中，切割工序是碳化硅晶片制造加工中的关键工序之一。切割加工质量的好坏，直接影响后续工序加工的质量。

切割工序得到的晶片中，晶片翘曲度(Warp)是评价晶片变形的重要指标。晶片翘曲度通常指不受外力影响下，晶片的中间面最高点与最低点的距离。在实际生产中，晶片翘曲度通常难以修复，并且会导致在后续的加工中，晶片轴线与晶轴偏离，影响后续加工质量。因此，在切割过程中，需要严格控制晶片翘曲度的值。

然而，现有多线切割方法切割得到的碳化硅晶片中，易出现头尾晶片(端面晶片)的晶片翘曲度不符合满足要求的情况。并且，碳化硅晶片尺寸越大，头尾晶片的这种晶片翘曲度不符合要求的情况越严重。

更多相应内容，可以参考公开号为CN104400920A的中国专利申请，其公开了一种减少晶棒在切割过程中产生头尾片的粘棒装置及其粘棒方法。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种碳化硅晶棒多线切割方法，提高碳化硅晶棒的端面晶片质量和良品率，降低碳化硅晶片的加工成本。

为解决上述问题，本发明提供一种碳化硅晶棒多线切割方法，包括：对碳化硅晶棒的端面进行应力状态检测，选出具有拉应力的拉应力型端面；在所述拉应力型端面粘贴环形陪片；对粘贴有所述环形陪片的所述碳化硅晶棒进行多线切割，粘贴有所述环形陪片的晶片成为端面晶片；分离所述环形陪片和所述端面晶片。

可选的，所述环形陪片越靠近中心的部分，厚度越大。

可选的，在所述拉应力型端面粘贴所述环形陪片之前，对所述拉应力型端面进行表面处理，使所述拉应力型端面的粗糙度达到0.8μm以下。

可选的，在所述拉应力型端面粘贴所述环形陪片之前，还包括：对所述环形陪片的贴合面进行表面处理，使所述环形陪片的贴合面粗糙度达到0.8μm以下。

可选的，所述环形陪片的材料为石英玻璃、单晶硅、蓝宝石或碳化硅中的一种。

可选的，所述碳化硅晶棒的端面不具有晶体缺陷时，所述环形陪片具有第一平均厚度，所述的第一平均厚度的范围为800μm～2000μm；所述碳化硅晶棒的端面具有晶体缺陷时，所述环形陪片的平均厚度为所述第一平均厚度基础上，再增加500μm～1000μm；所述晶体缺陷包括异晶型夹杂、碳包裹体、微管、空洞和微型裂痕。

可选的，采用黄蜡、AB胶、UV胶、压敏胶、乳胶中的一种或几种粘所述贴环形陪片。

可选的，在分离所述环形陪片和所述端面晶片后，对所述端面晶片进行退火处理。

可选的，所述退火处理包括在1200℃～2000℃条件下对所述端面晶片进行退火6～12h。

可选的，在所述退火处理后，对所述端面晶片进行面型精度检测。

本发明技术方案的其中一个方面中，利用制备相应尺寸和形状的环形陪片与拉应力型端面粘接的方法，减小端面晶片的翘曲程度，有效地解决了多线切割中晶棒拉应力型端面由于其拉应力而产生的翘曲问题，使端面晶片保持良好的面形精度和应力分布状态，有效提高端面晶片的质量，提升了原材料碳化硅晶棒的产片率。并且，本发明具有制备工艺简单，成本低廉的优势。

附图说明

图1为环形陪片的立体形状示意图；

图2为环形陪片的俯视形状示意图；

图3为环形陪片的一种剖面形状示意图；

图4为环形陪片的另一种剖面形状示意图；

图5为环形陪片的另一种剖面形状示意图；

图6为环形陪片的另一种剖面形状示意图；

图7为在碳化硅晶棒的压应力型端面粘贴环形陪片的示意图；

图8为多线切割后粘贴在一起的端面晶片和环形陪片示意图；

图9为对比例得到的一个端面晶片立体形状示意图；

图10为实施例得到的一个端面晶片立体形状示意图。

具体实施方式

碳化硅晶体材料具有高强度、高耐磨性、高硬脆等特点。碳化硅晶棒的端面晶片由于两侧受力不均，翘曲的程度较晶棒中间部分的晶片更为严重，这很多时候会直接导致端面晶片的报废。而如果端面晶片报废，切割的产出率难以提升，增加了碳化硅晶片(晶片亦即晶片)的加工成本。

为此，本发明提供一种新的碳化硅晶棒多线切割方法，通过粘贴陪片，减小端面晶片翘曲度。陪片制备方法简单易行，且成本低廉，解决上述存在的不足。

为更加清楚的表示，下面结合附图对本发明做详细的说明。

本发明提供一种碳化硅晶棒的多线切割方法，包括：

步骤一、对碳化硅晶棒的端面进行应力状态检测，选出具有拉应力的拉应力型端面；

步骤二、在所述拉应力型端面粘贴环形陪片；

步骤三、对粘贴有所述环形陪片的所述碳化硅晶棒进行多线切割，粘贴有所述环形陪片的晶片成为端面晶片；

步骤四、分离所述环形陪片和所述端面晶片。

碳化硅晶棒的端面包括碳化硅晶棒的头尾端面，即拉应力型端面既可能是碳化硅晶棒的头端面，也可能是碳化硅晶棒的尾端面。对一个碳化硅晶棒而言，可能出现其中的头端面或尾端面为拉应力型端面，也可能出现头端面和尾端面同时均为拉应力型端面。

相应的，本发明后续产生的端面晶片可能是头晶片，也可能是尾晶片，还可能同时包括头晶片和尾晶片。

步骤一中，可以利用应力检测设备对碳化硅晶棒的端面进行应力状态检测。所述应力检测设备可以为X射线衍射应力分析仪、显微拉曼光谱仪、双折射相位差测量仪或偏光应力仪中的一种。

当检测结果显示头尾端面具有拉应力时，如果直接进行多线切割，相应的端面晶片的翘曲状态通常为：从边缘向锯线侧弯曲，而中间部分产生凸起。因此，本发明继续进行后续的步骤二和四，以便消除这些应力对端面晶片的影响。

步骤二包含着制作环形陪片的过程，所述环形陪片的材料可以为石英玻璃、单晶硅、蓝宝石或碳化硅中的一种。

在环形陪片时，根据碳化硅晶棒尺寸和缺陷特点，将石英玻璃、单晶硅、蓝宝石或碳化硅等原材料加工成相匹配的尺寸和形状。碳化硅晶棒的直径可以为100mm以上，对于直径为100mm及以上的碳化硅晶棒，因此，包括4英寸～8英寸的碳化硅晶棒均可以运用相应方法。此时，相应的环形陪片的俯视直径可以与碳化硅晶棒的直径相等，因此，可以在100mm～200mm的范围。

环形陪片10的立体形状如图1所示。

环形陪片10的俯视形状为一个圆环形，如图2所示。

图3显示了一种沿图2所示A-A’点划分剖切的剖面形状，环形陪片10的环部具有均匀的厚度。

另一种环形陪片10a的剖面形状如图4所示，环形陪片10a越靠近所述环孔的部分，厚度越小。并且，在所述剖面上，环形陪片10a的厚度从旁边向环孔呈直线性减小。

另一种环形陪片10b的剖面形状如图5所示，所述环形陪片越靠近所述环孔的部分，厚度越小。并且，在所述剖面上，环形陪片10b的厚度从旁边向环孔呈曲线性变化，环形陪片10b为一种环部外侧厚度变化较为明显而内侧厚度变化较为平缓的情况。

另一种环形陪片10c的剖面形状如图6所示，所述环形陪片越靠近所述环孔的部分，厚度越小。并且，在所述剖面上，环形陪片10c的厚度从旁边向环孔呈曲线性变化。与图5相反，图6中，环形陪片10c为一种环部外侧厚度变化较为平缓而内侧厚度变化较为明显的情况。

需要说明的是，在其它情况下，环形陪片可以是其它的形状。例如，环形陪片的俯视外边缘形状为圆形，但所述环孔俯视形状并不是圆形，而是多边形(正方形、正五边形、正六边形或正八边形等)。或者，环形陪片的俯视外边缘形状为多边形(正方形、正五边形、正六边形或正八边形等)，此时，即所述环部的外边缘形状为多边形(正方形、正五边形、正六边形或正八边形等)，而所述环孔俯视形状是圆形或多边形(正方形、正五边形、正六边形或正八边形等)。

另外，在俯视方向上，所述环部的最小横截长度为所述端面晶片直径的十分之一至五分之一。

例如，以4英寸碳化硅晶棒为例，其对应的环形陪片可以加工成外直径为100的外边缘形状，例如，环形陪片的外径为100mm。而环形陪片的环孔可以为60mm的圆形形状(此时环部的最小横截长度为20mm)，或者对角线约为80mm的圆角矩形(此时环部的最小横截长度约为10mm)，或者对角线为80mm的缺角矩形(此时环部的最小横截长度约为10mm)，或者对角线约为80mm的正方形，或者边长为40mm的正六边形(此时环部的最小横截长度约为10mm)，或者边长为30mm的正八边形(此时环部的最小横截长度约为10mm)。

再例如，以8英寸碳化硅晶棒为例，只需要将上述环形陪片的各尺寸翻倍。

在进行步骤二之前，即在所述拉应力型端面粘贴所述环形陪片之前，还可以对所述拉应力型端面进行表面处理，以减小拉应力型端面的粗糙度，既方便后续与环形陪片贴合，又使得最终的形状改善效果更好。

在进行步骤二之前，即在所述拉应力型端面粘贴所述环形陪片之前，还可以包括：对所述环形陪片的贴合面进行表面处理，使所述拉应力型端面与所述环形陪片的贴合面的粗糙度均达到0.8μm以下。在这种粗糙度条件下，能够使后续拉应力型端面与环形陪片粘贴后，环形陪片起到更好的形状改善效果(防止翘曲变形的效果)。

上述表面处理中，最为理想的效果，是使环形陪片的贴合面与拉应力型端面(表面)粗糙度达到一致水平(相等)。然而，即便无法使两者达到相等，也希望两者的粗糙度尽量相近，并使它们的粗糙度均小于0.8μm。

上述表面处理的具体方式可以为机械研磨，可参考相关技术，在此不再赘述。

如图7，在碳化硅晶棒20的所述拉应力型端面(未标注)粘贴环形陪片10。

步骤二中，可以在碳化硅晶棒的前后端面均匀涂覆一层粘结剂30，使环形陪片与碳化硅晶棒的拉应力型端面紧密贴合。

具体的，可以采用黄蜡、AB胶、UV胶、压敏胶、乳胶中的一种或几种粘所述贴环形陪片。

也就是说，所述粘结剂30具体可以是热熔型的黄蜡，热熔胶，瞬干型的AB胶，热固型的环氧树脂，光敏型的UV胶，压敏型的压敏胶和乳胶(乳液和乳胶型的乳胶)中的一种或几种。

处理粘贴在一起的环形陪片和端面晶片时，根据上述不同粘结剂的不同性质，分别可以使用加热或喷脱胶剂等方式中的一种或几种，使环形陪片和端面晶片分离。

步骤三中，多线切割是按照一定的晶向，将碳化硅晶棒切割成表面平整、厚度均匀的切割片，以便于后续的研磨加工。

多线切割工序在多线切割机上实施，切割方式可以是钢线游离磨料砂浆型，也可以是钢线固结磨料型。它们的基本原理是，一定直径的锯线绕在几个开槽的导轮上，形成一排以相同的特定间距排列的切割线网，线之间的空间决定了后续晶片的厚度。锯线在晶棒表面往复运动，而晶棒不断下压(或其它相对运动方式)，使锯线和晶棒接触，砂浆或者冷却液通过锯线进入晶棒的锯缝，附着在锯线上的磨粒或者锯线本身固结的磨粒对晶棒产生剧烈摩擦，使得材料碎裂脱落，达到切割的效果。

对碳化硅晶棒的多线切割工序中，需要考虑到晶体自身缺陷附近的应力分布状态、缺陷尺寸及分布位置对应力分布的影响。正是考虑到端面晶片通常应力最为严重，因此，对于具有拉应力的拉应力型端面，粘贴所述环形陪片。

碳化硅晶体主要的体缺陷包括由于晶体生长条件的波动而引起的异晶型夹杂、碳包裹体、微管、空洞、微型裂痕，由于晶体缺陷引起局部应力集中，会使晶体易于断裂。因此，若碳化硅晶棒内部有缺陷存在，则将环形陪片平均厚度在原有平均厚度基础上，再增加500μm～1000μm。

也就是说，所述碳化硅晶棒的端面不具有晶体缺陷时，所述环形陪片具有第一平均厚度，所述的第一平均厚度的范围为800μm～2000μm；所述碳化硅晶棒的端面具有晶体缺陷时，所述环形陪片的平均厚度为所述第一平均厚度基础上，再增加500μm～1000μm；所述晶体缺陷包括异晶型夹杂、碳包裹体、微管、空洞和微型裂痕。

另外，环形陪片的弯曲度(或弓形度，bow)控制在10μm以下，环形陪片的翘曲度(或挠屈度，warp)控制在20μm以下，环形陪片的总厚度变化量(total thickness variation，TTV)控制在5μm以下。

步骤三之后，即多线切割后，得到的端面晶片相应结构如图8所示，包括端面晶片21和环形陪片10，它们之间采用粘结剂30粘贴在一起。

需要说明的是，在分离所述环形陪片和所述端面晶片后，还可以对所述端面晶片进行退火处理。

退火处理消除端面晶片的内部应力，防止端面晶片与相应环形陪片分离后，又在应力作用下重新发生弯曲现象。

所述退火处理可以包括在1200℃～2000℃条件下对所述端面晶片进行退火6～12h。

在所述退火处理后，对所述端面晶片进行面型精度检测。

在完成上述方法后，可以评价端面晶片的质量。

本发明利用制备相应尺寸和形状的环形陪片与拉应力型端面粘接的方法，减小端面晶片的翘曲程度，有效地解决了多线切割中晶棒拉应力型端面由于其拉应力而产生的翘曲问题，使端面晶片保持良好的面形精度和应力分布状态，有效提高端面晶片的质量，提升了原材料碳化硅晶棒的产片率。并且，本发明具有制备工艺简单，成本低廉的优势。

本发明进行相应的对比例和实施例如下。

在对比例和实施例中，均对4英寸碳化硅晶棒(直径100mm)进行多线切割，采用的碳化硅晶棒的长度为12mm，共切成14片晶片。

其中，对比例和实施例采用的多线切割条件如下表1所示：

加工设备	多线切割机
		线径	0.08mm～0.25mm
槽距	0.67mm～0.85mm
		单片耗线量	400m～1200m
线速度	5m/s～25m/s
		工作台进给速度	0.02mm/min～0.3mm/min
张力	10N～45N
		摆动角度	3°～10°
摆动次数	10次/min～25次/min
		往复运动周期	50s～80s
相关液体流量	90L/min～180L/min
		温度	10℃～30℃

表1

对比例

利用显微拉曼光谱仪测量碳化硅晶棒的拉曼光谱，从而得到的拉曼峰值位移，进而计算得出碳化硅晶棒在端面处的残余应力，确认此碳化硅晶棒的前后端面(头尾端面)的应力状态都为拉应力，此时，此碳化硅晶棒的头尾端面均为拉应力型端面。

对比例是采用现有方法，对碳化硅晶棒进行多线切割过程，即没有使用相应的环形陪片。

表2显示了未粘贴环形陪片的切割效果，如下所示：

表2

表2中，晶片两个面测得的各面型精度数据存在不同。这是因为，测量时，通常的平面度测量仪默认晶片的摆放背面是一个平面，因此，晶片的不同面作为背面(正面)时，测出来的数据不同，后续表3也是同样的情况。

从表2中可以看出，对比例得到的14个晶片中：

TTV的值在20～35μm；

Bow的值在±30μm；

Warp的值均在35μm～75μm；

其中，端面晶片中，Warp的值均超过70μm。

图9示出了一个采用现有方法得到的端面晶片21’，对应的是尾晶片，即表2中的第14片晶片(亦即其中一个端面晶片)，其Si面中，Bow的值为-29.758μm，Warp的值为71.929μm。

可以看出，相较于中间部分的晶片，端面晶片21’两端的晶片翘曲度较大。这是由于，端面晶片受力较为不均，形变较大。

发明人进一步分析出现端面晶片显著翘曲原因：根据多线切割原理，当锯线切入晶棒时，锯线所受到的垂直载荷由零开始逐渐增加，同时出现侧向偏移的情况，随着载荷的增大，最初切入位置和所受载荷相对稳定位置之间锯线的侧向偏移就造成晶片的翘曲，由于实际多线切割过程中进给速度始终在调整，锯线所受载荷也在不断变化，端面晶片一侧受到锯线的侧向振动冲击，另一侧则不受约束，因此，在端面晶片内部拉应力的作用下，就会造成翘曲度过大的不良后果。

实施例

利用显微拉曼光谱仪测量碳化硅晶棒的拉曼光谱，从而得到的拉曼峰值位移，进而计算得出碳化硅晶棒在端面处的残余应力，确认此碳化硅晶棒的前后端面(头尾端面)的应力状态都为拉应力，此时，此碳化硅晶棒的头尾端面均为拉应力型端面。

在实施例中，进行多线切割前，将4英寸碳化硅晶棒的两个端面进行机械研磨，使其表面粗糙度小于0.8μm。

加工贴合面直径为100mm的圆环形状的环形陪片。其中，环形陪片的平均厚度为1000μm(请结合参考图3)。

本实施例中，环形陪片的材质为石英玻璃。并且，对环形陪片的贴合表面进行研磨。

在环形陪片的贴合面上，均匀涂上一层液态黄蜡，并将其粘贴在碳化硅晶棒两端的压力型端面上。

对粘贴在一起的结构加压后，静置固化，使环形陪片和碳化硅晶棒的拉应力型端面贴合牢固。

将粘贴有环形陪片的碳化硅晶棒进行多线切割。

多线切割结束后，将切割下来的端面晶片与环形陪片分离。

最后，对洗净的头尾晶片的面型精度进行检测，结果如表3所示：

表3

从表3中可以看出，实施例得到的14个晶片中：

TTV的值在20μm以内；

Bow的值在±20μm以内；

Warp的值在30±10μm以内；

其中，端面晶片中，Warp的值均在40μm以内。

图10示出了一个采用本发明方法得到的端面晶片21”，对应的同样是尾晶片，即表3中的第14片晶片(亦即其中一个端面晶片)，其Si面中，Bow的值为13.533μm，Warp的值为34.622μm。

上表3的结果和图10显示，由于环形陪片的使用，包括端面晶片21”在内的每个晶片，其面型精度均达到了较好水平，特别是端面晶片(即第1片晶片和第14片晶片，亦即端面晶片，第14片晶片如图10中端面晶片21”所示)，表3显示，端面晶片的Warp值均被控制在较低范围内，均小于40μm。

比较实施例的表3与对比例的表2，以及图10和图9，可知，实施例中，相应的切割质量较好，特别是端面晶片的切割效果改善明显。

受限于碳化硅晶体的生长技术，现阶段的碳化硅晶棒的长度较短，端面晶片占全部晶片的比例较高(如本实施例中，占到1/7)。

而本发明的上述方法可抑制多线切割过程中造成的应力不均问题，以及原来端面中的拉应力问题，降低端面晶片的弯曲度和翘曲度，补救了原本经常只能被剔除的面型精度较差的端面晶片，提高了碳化硅晶棒的多线切割良品率。

并且，本发明的方法简单易行，成本低廉，在采用碳化硅衬底的高效超精密加工领域，具有良好的应用前景。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，包括：

对碳化硅晶棒的端面进行应力状态检测，选出具有拉应力的拉应力型端面；

在所述拉应力型端面粘贴环形陪片，所述环形陪片的中间为环孔，所述环孔周边为环部,所述环形陪片越靠近所述环孔的部分，厚度越小；

所述碳化硅晶棒的端面不具有晶体缺陷时，所述环形陪片具有第一平均厚度，所述的第一平均厚度的范围为800μm～2000μm；所述碳化硅晶棒的端面具有晶体缺陷时，所述环形陪片的平均厚度为所述第一平均厚度基础上，再增加500μm～1000μm；

对粘贴有所述环形陪片的所述碳化硅晶棒进行多线切割，粘贴有所述环形陪片的晶片成为端面晶片；

分离所述环形陪片和所述端面晶片。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，在所述拉应力型端面粘贴所述环形陪片之前，对所述拉应力型端面进行表面处理，使所述拉应力型端面的粗糙度达到0.8μm以下。

3.根据权利要求2所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，在所述拉应力型端面粘贴所述环形陪片之前，还包括：对所述环形陪片的贴合面进行表面处理，使所述环形陪片的贴合面粗糙度达到0.8μm以下。

4.根据权利要求1所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，所述环形陪片的材料为石英玻璃、单晶硅、蓝宝石或碳化硅中的一种。

5.根据权利要求1所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，所述晶体缺陷包括异晶型夹杂、碳包裹体、微管、空洞和微型裂痕。

6.根据权利要求1所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，采用黄蜡、AB胶、UV胶、压敏胶、乳胶中的一种或几种粘所述贴环形陪片。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，在分离所述环形陪片和所述端面晶片后，对所述端面晶片进行退火处理。

8.根据权利要求1所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，所述环形陪片的俯视外边缘形状为圆形或者多边形，所述环孔俯视形状为圆形或多边形。

9.根据权利要求8所述的碳化硅晶棒的多线切割方法，其特征在于，在俯视方向上，所述环部的最小横截长度为所述端面晶片直径的十分之一至五分之一。

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