CN110408283A - 一种等离子切割晶圆用的保护溶液及其在加工晶圆中的应用方法 - Google Patents

一种等离子切割晶圆用的保护溶液及其在加工晶圆中的应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子切割晶圆用的保护溶液及其在加工晶圆中的应用方法，该保护溶液包括含聚乙烯醇的水溶性树脂、溶剂和提升聚乙烯醇和溶剂相溶的助剂，能够在晶圆表面快速成膜，且成膜后强度高，具有良好的耐热性，在晶圆加工时，能够有效避免冷凝后的硅蒸气或其他在加工过程中产生的碎屑沉积在芯片表面，提升产品的质量和可靠度，具有良好的皮膜移除性；该应用方法将该保护溶液应用在晶圆加工中，可以将该方法运用在薄晶圆上，可以提升切割精度、切割速度，可以切割成任意形状，再加上切割前的均匀涂布保护溶液获得高强度的水溶性掩膜，可以避免切屑或裂纹、热应力问题。

Description

一种等离子切割晶圆用的保护溶液及其在加工晶圆中的应用 方法
技术领域
本发明属于芯片制造技术领域，特别涉及用于等离子切割晶圆过程中的保护溶液及该保护溶液在晶圆加工中的应用。
背景技术
晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能的集成电路产品。其中，晶圆结构的制作通常包括前段制程和后段制程。通常在晶圆上会形成由层叠绝缘膜和功能膜组成的功能层，半导体晶圆在激光切割过程中，要在其上形成各种电路，并且经由表面处理后，切割晶圆，制造出芯片。其中，切割(即晶圆划片)是半导体芯片制造工艺流程中的一道必不可少的工序，在晶圆制造中属后道工序。将做好芯片的整片晶圆按芯片大小分割成单一的芯片(晶粒)，称之为晶圆划片。
现有的切割(又称切断分离)过程是通过切割刀具沿着晶片的切割道进行，虽然现在的晶圆切割已经由原来的利用简单刀片切割，演变为利用激光切割以及等离子切割，但是激光沿着晶圆的切割道照射切割时，所产生的热能容易被晶圆吸收，热能吸收后容易导致硅熔解或热分解，产生硅蒸气而凝结、沉积在晶圆上，造成晶圆的周围边缘产生切屑；另外由于晶圆切割道宽度变窄，且高精度的半导体切割装置等会在使用时带来一些热效应问题，例如切割道因热而崩裂、破片等，这些会降低产品的可靠度。
专利申请CN201710690577.3提供了一种晶圆切割方法，包括：S1提供待切割晶圆片，晶圆片表面固化有一层胶状体；S2沿晶圆片的切割槽，使用刀片宽度为第一宽度的切割刀片对晶圆片表面的胶状体进行第一次切割，第一宽度小于切割槽的宽度；S3沿第一次切割的切痕，使用刀片宽度为第二宽度的切割刀片对晶圆片进行第二次切割，第二宽度小于第一宽度；S4完成对晶圆片的切割，该切割方法相对于现有的一次切透的方式良率提升明显。上述专利申请能够提升晶圆片的切割效率和稳定性，但是依然会存在切屑裂纹问题，且成本不低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种等离子切割晶圆用的保护溶液及其在加工晶圆中的应用方法，该保护溶液能够在晶圆表面快速成膜，且成膜后强度高，具有良好的耐热性，在晶圆加工时，能够有效避免冷凝后的硅蒸气或其他在加工过程中产生的碎屑沉积在芯片表面，提升产品的质量和可靠度，具有良好的皮膜移除性。
该应用方法将该保护溶液应用在晶圆加工中，首先将保护溶液均匀涂布在晶圆上，使保护溶液在晶圆表面形成均匀的水溶性掩膜，利用激光化片工艺对覆有水溶性掩膜的晶圆进行图案化处理，使晶圆和水溶性掩膜上切割出沟槽，之后移除所述水溶性掩膜以及进行等离子切割进行沟槽扩展，可以该方法运用在薄晶圆上，能够使每片晶圆或每一区域的额外功能最大化，无形状、大小或布局的限制，可以提升切割精度、切割速度，可以切割成任意形状，再加上切割前的均匀涂布保护溶液获得高强度的水溶性掩膜，可以避免切屑或裂纹、热应力问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
一种等离子切割晶圆用的保护溶液，包括含聚乙烯醇的水溶性树脂、溶剂和提升聚乙烯醇和溶剂相溶性的助剂；所述聚乙烯醇的聚合度大于或等于2000，其碱化度为91-100％；其中以所述聚乙烯醇为100重量份计，所述溶剂为60-95重量份。
在本发明中，由于聚乙烯醇主要受聚合度和碱化度的影响，其中，聚合度高分子量会随之高，会表现出溶液粘度高的特性，形成的保护膜物理强度会随分子量的增加而增加，会提升其保护能力；碱化度越高则表示聚乙烯醇对亲水性物质的亲和力越好，越容易溶解，使聚乙烯醇和溶剂具有良好的亲和能力及相溶性，选用聚合度大于等于2000，碱化度为91-100％的聚乙烯醇，另外该条件下的聚乙烯醇的耐溶剂性好，便于制备保护膜溶液，也使保护溶液成膜后强度高，具有良好的耐热性，并能够快速在待切割的晶圆表面形成保护层，在晶圆加工时，能够有效避免冷凝后的硅蒸气或其他在加工过程中产生的碎屑沉积在芯片表面，提升产品的质量和可靠度，该保护溶液本身所含物质的水溶性好的特质，使其在成膜后能够用水移除，具有良好的皮膜移除性。其中，助剂的使用加快聚乙烯醇与溶剂的溶解速率，提升相溶性。
具体地，所述聚乙烯醇的聚合度为2000至3500。一般来说，聚乙烯醇的聚合度增大，水溶液粘度增大，成膜后的强度和耐溶剂性提高，但水中溶解性、成膜后伸长率下降，为了得到良好的成膜后强度，且保证其溶解性，可选用聚合度为2000至3500。
具体地，所述溶剂包括水和有机溶剂中一种或两种配合使用。
具体地，所述助剂包括表面活性剂、消泡剂和流平剂中一种或任意种配合使用。
表面活性剂和消泡剂都能降低溶剂和聚乙烯醇的界面表面张力，使降低溶剂分子与聚乙烯醇分子之间的流动阻力，使聚乙烯醇均匀分布在溶剂中，流平剂能够有效降低保护溶液的表面张力，提高其流平性和均匀性，使其成膜均匀、自然；因此加入这些助剂，除了提升聚乙烯醇和溶剂的相容性之外，还可以在涂布该保护膜溶液在待切割的晶圆上时，增强涂布均匀性，便于形成高强度的保护膜。一般会使用表面活性剂、消泡剂、流平剂和溶剂所组成的群组添加物作为助剂。
具体地，所述表面活性剂为0.1-4重量份，且所述表面活性剂包括聚氧乙烯酯类、聚氧乙烯酸类、聚酸类、脂肪醇烷氧基类、硬脂酸类、丙三醇和磷酸盐类等非离子或阴离子表面活性剂单项或多项配合使用。
具体地，所述消泡剂包括甲基酸类、聚酸醋类、聚乙二醇类和高级醇类中一种或任意种配合使用。
具体地，所述流平剂为0.1-6重量份，且所述流平剂包括聚氧乙烯酸类、醇酸类、醋酸盐类、丙烯酸类、低级醇类、伯醇类、丙烯酸醋类中一种或任意种配合使用。
本发明还提供了一种等离子切割晶圆用的保护溶液在加工晶圆中的应用方法，该方法包括以下步骤：
S1：提供晶圆，并将上述保护溶液旋转涂布在晶圆上，加热烘干处理使该保护溶液在晶圆表面形成水溶性掩膜；其中，加热温度为70-150℃，持续时间3-5分钟；为使保护溶液可以均匀涂布在晶圆上使之形成成膜均匀的水溶性掩膜；
S2：用激光划片工艺图案化覆有水溶性掩膜的晶圆，获得具有间隙的水溶性掩膜，透过间隙将晶圆表面裸露出来形成暴露区域，并且在晶圆的暴露区域上形成有沟槽；
S3：移除所述水溶性掩膜以及进行等离子切割：使用水在50-100℃去除水溶性掩膜，或者用等离子体表面处理工艺清洁晶圆的暴露区域，以及等离子体透过间隙蚀刻晶圆，以延伸所述沟槽来形成相应的沟槽扩展；
其中，移除所述水溶性掩膜的步骤与进行所述等离子切割步骤同时进行或在进行所述等离子切割步骤之后进行。
在本发明中，首先将保护溶液均匀涂布在晶圆上，使保护溶液在晶圆表面形成均匀的水溶性掩膜，利用激光化片工艺对覆有水溶性掩膜的晶圆进行图案化处理，使晶圆和水溶性掩膜上切割出沟槽，之后移除所述水溶性掩膜以及进行等离子切割进行沟槽扩展，可以该方法运用在薄晶圆上，能够使每片晶圆或每一区域的额外功能最大化，无形状、大小或布局的限制，由于采用激光化片工艺后再进行等离子切割扩展沟槽，可以提升切割精度、切割速度，可以切割成任意形状，再加上切割前的均匀涂布保护溶液获得高强度的水溶性掩膜，可以避免切屑或裂纹、热应力问题。
进一步地，在所述步骤S1中，将所述保护溶液烘烤加热至130℃，所述水溶性掩膜包括形成粘度为1.8pa.s的聚乙烯醇。
在实际中，在所述步骤S3中，使用等离子体表面处理工艺或使用水在70-90℃去除所述水溶性掩膜。
本发明的优势在于：
相比于现有技术，本发明提供一种等离子切割晶圆用的保护溶液及其在加工晶圆中的应用方法，该保护溶液能够在晶圆表面快速成膜，且成膜后强度高，具有良好的耐热性，在晶圆加工时，能够有效避免冷凝后的硅蒸气或其他在加工过程中产生的碎屑沉积在芯片表面，提升产品的质量和可靠度，具有良好的皮膜移除性。
该应用方法将该保护溶液应用在晶圆加工中，首先将保护溶液均匀涂布在晶圆上，使保护溶液在晶圆表面形成均匀的水溶性掩膜，利用激光化片工艺对覆有水溶性掩膜的晶圆进行图案化处理，使晶圆和水溶性掩膜上切割出沟槽，之后移除所述水溶性掩膜以及进行等离子切割进行沟槽扩展，可以将该方法运用在薄晶圆上，能够使每片晶圆或每一区域的额外功能最大化，无形状、大小或布局的限制，可以提升切割精度、切割速度，可以切割成任意形状，再加上切割前的均匀涂布保护溶液获得高强度的水溶性掩膜，可以避免切屑或裂纹、热应力问题。
附图说明
图1是本发明实施例1-3中对晶圆表面涂覆保护溶液并烘烤后的照片。
图2是是本发明实施例1-3通过激光清洗附着在晶圆表面金属层之前的照片。
图3是是本发明实施例1-3通过激光清洗附着在晶圆表面金属层后的照片。
图4是本发明的实施例1-3中形成的沟槽照片的结构示意图。
图5是本发明的实施例1-3中形成相应的沟槽扩展微观照片。
图6是本发明的比较例2中形成的沟槽微观照片。
图7是本发明的比较例2中形成相应的沟槽扩展微观照片。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的技术方案如下：
实施例1：
制备获得等离子切割晶圆用的保护溶液，该溶液包括：7.5g的聚乙烯醇(PVA，聚合度为2000-3500，碱化度为91-100％)，92.5g的溶剂；将上述获得的保护溶液旋转均匀涂布在硅晶圆上，加热至约150℃，持续时间约3-5分钟，使该保护溶液在硅晶圆表面形成水溶性掩膜；利用激光划片工艺图案化覆有水溶性掩膜的硅晶圆，并使水溶性掩膜和硅晶圆上形成沟槽；移除水溶性掩膜以及进行等离子切割：使用水或者等离子体工艺在70-90℃清洁硅晶圆的暴露区域来去除水溶性掩膜，以及等离子体蚀刻形成相应的沟槽扩展；其中，移除所述水溶性掩膜的步骤与进行所述等离子切割步骤同时进行或在进行所述等离子切割步骤之后进行；蚀刻速率为0.18um/min，蚀刻速率比(Si/PVA)＝7.46/0.18＝41.44。
该保护溶液能够在晶圆表面快速成膜，且成膜后强度高，具有良好的耐热性，能解决碎屑沉积问题，且具有良好的皮膜移除性，在晶圆加工过程中，切割速率快，无切屑及裂纹现象，也不受机械及热应力的影响。
实施例2：
制备获得等离子切割晶圆用的保护溶液，该溶液包括：12.0g的聚乙烯醇(PVA，聚合度为2000-3500，碱化度为91-100％)，88.0g的溶剂；将上述获得的保护溶液旋转均匀涂布在硅晶圆上，加热至约150℃，持续时间约3-5分钟，使该保护溶液在硅晶圆表面形成水溶性掩膜；利用激光划片工艺图案化覆有水溶性掩膜的硅晶圆，并使水溶性掩膜和硅晶圆上形成沟槽；移除水溶性掩膜以及进行等离子切割：使用水或者等离子体工艺在70-90℃清洁硅晶圆的暴露区域来去除水溶性掩膜，以及等离子体蚀刻形成相应的沟槽扩展；其中，移除所述水溶性掩膜的步骤与进行所述等离子切割步骤同时进行或在进行所述等离子切割步骤之后进行；蚀刻速率为0.12um/min，蚀刻速率比(Si/PVA)＝62.17。
该保护溶液能够在晶圆表面快速成膜，且成膜后强度高，具有良好的耐热性，能解决碎屑沉积问题，且具有良好的皮膜移除性，在晶圆加工过程中，切割速率快，无切屑及裂纹现象，也不受机械及热应力的影响。
实施例3：
制备获得等离子切割晶圆用的保护溶液，该溶液包括：15.0g的聚乙烯醇(PVA，聚合度为2000-3500，碱化度为91-100％)，85.0g的溶剂；将上述获得的保护溶液旋转均匀涂布在硅晶圆上，加热至约150℃，持续时间约3-5分钟，使该保护溶液在硅晶圆表面形成水溶性掩膜；利用激光划片工艺图案化覆有水溶性掩膜的硅晶圆，并使水溶性掩膜和硅晶圆上形成沟槽；移除水溶性掩膜以及进行等离子切割：使用水或者等离子体工艺在70-90℃清洁硅晶圆的暴露区域来去除水溶性掩膜，以及等离子体蚀刻形成相应的沟槽扩展；其中，移除所述水溶性掩膜的步骤与进行所述等离子切割步骤同时进行或在进行所述等离子切割步骤之后进行；蚀刻速率为0.06um/min，蚀刻速率比(Si/PVA)＝124.33。
该保护溶液能够在晶圆表面快速成膜，且成膜后强度高，具有良好的耐热性，能解决碎屑沉积问题，且具有良好的皮膜移除性，在晶圆加工过程中，切割速率快，无切屑及裂纹现象，也不受机械及热应力的影响。
比较例1：取得PI(Polyimide，聚酰亚胺)光阻剂，并将PI光阻剂旋转涂布在硅晶圆上，之后进行烘烤处理使其在硅晶圆上形成一层保护膜，利用激光划片工艺图案化硅晶圆形成沟槽，再等离子体蚀刻沟槽以形成相应的沟槽扩展，清洁硅晶圆的暴露区域以移除保护膜。蚀刻速率为0.57um/min，蚀刻速率比(Si/PI)＝13.09。
比较例2：取得PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光阻剂，并将PMMA光阻剂旋转涂布在硅晶圆上，之后进行烘烤处理使其在硅晶圆上形成一层保护膜，利用激光划片工艺图案化硅晶圆形成沟槽，再等离子体蚀刻沟槽以形成相应的沟槽扩展，清洁硅晶圆的暴露区域以移除保护膜。蚀刻速率为2.45um/min，蚀刻速率比(Si/PMMA)＝3.04。
上述实施例1-3以及比较例1-2中的实施情况结果参照表1。
表1实施例1-3和比较例1-2中的实施情况表
其中，在实施例1-3中，有进行激光实验去除晶圆表面附着残留的加工过程中的金属层，在经激光实验前后对照表如2下所示：
表2进行激光实验前后的晶圆各元素占比
与传统的刀片切割相比，本发明中的等离子切割具有以下优点：应用于小型模具和薄晶圆中时，成本较低，且可以使每片晶圆或每一区域的额外功能最大化；在使用等离子切割晶圆时，对于晶圆无形状、大小或布局的限制，且强度高、精度高，晶圆更薄，切割更快；能够优化模具布置，容量大，可以切割成任意形状，无切屑或裂纹，无机械或热应力，模切尺寸可以由掩膜决定。
上述中切割快速的优势可在下表3中体现。
表3等离子切割和刀片切割时间比较
本发明的优势在于：
相比于现有技术，本发明所实施的等离子切割晶圆用的保护溶液及其在加工晶圆中的应用方法，该保护溶液能够在晶圆表面快速成膜，且成膜后强度高，具有良好的耐热性，在晶圆加工时，能够有效避免冷凝后的硅蒸气或其他在加工过程中产生的碎屑沉积在芯片表面，提升产品的质量和可靠度，具有良好的皮膜移除性。
该应用方法将该保护溶液应用在晶圆加工中，首先将保护溶液均匀涂布在晶圆上，使保护溶液在晶圆表面形成均匀的水溶性掩膜，利用激光化片工艺对覆有水溶性掩膜的晶圆进行图案化处理，使晶圆和水溶性掩膜上切割出沟槽，之后移除所述水溶性掩膜以及进行等离子切割进行沟槽扩展，可以将该方法运用在薄晶圆上，能够使每片晶圆或每一区域的额外功能最大化，无形状、大小或布局的限制，可以提升切割精度、切割速度，可以切割成任意形状，再加上切割前的均匀涂布保护溶液获得高强度的水溶性掩膜，可以避免切屑或裂纹、热应力问题。
以上列举了本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子切割晶圆用的保护溶液，其特征在于，包括含聚乙烯醇的水溶性树脂、溶剂和提升聚乙烯醇和溶剂相溶的助剂；所述聚乙烯醇的聚合度大于或等于2000，其碱化度为91-100％；其中以所述聚乙烯醇为100重量份计，所述溶剂为60-95重量份。
2.如权利要求1所述的等离子切割晶圆用的保护溶液，其特征在于，所述聚乙烯醇的聚合度为2000至3500。
3.如权利要求1所述的等离子切割晶圆用的保护溶液，其特征在于，所述溶剂包括水和有机溶剂中一种或两种配合使用。
4.如权利要求1所述的等离子切割晶圆用的保护溶液，其特征在于，所述助剂包括表面活性剂、消泡剂和流平剂中一种或任意种配合使用。
5.如权利要求4所述的等离子切割晶圆用的保护溶液，其特征在于，所述表面活性剂为0.1-4重量份，且所述表面活性剂包括聚氧乙烯酯类、聚氧乙烯酸类、聚酸类、脂肪醇烷氧基类、硬脂酸类、丙三醇和磷酸盐类中一种或任意种配合使用。
6.如权利要求4所述的等离子切割晶圆用的保护溶液，其特征在于，所述消泡剂包括甲基酸类、聚酸醋类、聚乙二醇类和高级醇类中一种或任意种配合使用。
7.如权利要求4所述的等离子切割晶圆用的保护溶液，其特征在于，所述流平剂为0.1-6重量份，且所述流平剂包括聚氧乙烯酸类、醇酸类、醋酸盐类、丙烯酸类、低级醇类、伯醇类、丙烯酸醋类中一种或任意种配合使用。
8.一种等离子切割晶圆用的保护溶液在加工晶圆中的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供晶圆，并将如权利要求1-7所述的保护溶液旋转涂布在晶圆上，加热烘干处理使该保护溶液在晶圆表面形成水溶性掩膜；其中，加热温度为70-150℃，持续时间3-5分钟；
S2：用激光划片工艺图案化覆有水溶性掩膜的晶圆，获得具有间隙的水溶性掩膜，透过间隙将晶圆表面裸露出来形成暴露区域，并且在晶圆的暴露区域上形成有沟槽；
S3：移除所述水溶性掩膜以及进行等离子切割：使用水在50-100℃去除水溶性掩膜，或者用等离子体表面处理工艺清洁晶圆的暴露区域，以及等离子体透过间隙蚀刻晶圆，以延伸所述沟槽来形成相应的沟槽扩展；
其中，移除所述水溶性掩膜的步骤与进行所述等离子切割步骤同时进行或在进行所述等离子切割步骤之后进行。
9.如权利要求8所述的等离子切割晶圆用的保护溶液在加工晶圆中的应用方法，其特征在于，在所述步骤S1中，将所述保护溶液烘烤加热至130℃，所述水溶性掩膜包括形成粘度为1.8pa.s的聚乙烯醇。
10.如权利要求8所述的等离子切割晶圆用的保护溶液在加工晶圆中的应用方法，其特征在于，在所述步骤S3中，使用等离子体表面处理工艺或使用水在70-90℃去除所述水溶性掩膜。
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