CN110625835A - 一种硅片成型加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅片成型加工方法，包括：采用多线酸腐蚀切割工艺将硅棒切成硅片；对所述硅片进行倒角加工；对倒角加工后的硅片表面进行磨削加工；对磨削加工后的硅片进行抛光加工。根据本发明实施例的硅片成型加工方法，采用多线酸腐蚀切割工艺对硅棒进行切割，可以得到超薄硅片，加工效率高、质量好、各项反应速率可控，避免了传统硅片成型加工过程中硅片切割耗时长、噪声大、切割得到的硅片质量无法满足要求等诸多问题的发生。

Description

一种硅片成型加工方法

技术领域

本发明涉及硅片加工技术领域,具体涉及一种硅片成型加工方法。

背景技术

硅片是半导体领域重要的基体材料，随着芯片制造和技术的不断提高，特别是芯片技术已迈入7nm、5nm甚至更低的线宽工艺，对硅片的加工和质量提出了更高的要求。但现有的硅片成型工艺主要包括切片、一次倒角、双面研磨、二次倒角、化学腐蚀、双面抛光、最终单面抛光，过程繁琐复杂，设备种类多、生产效率低，生产出来的硅片的翘曲度、表面局部平整度、表面粗糙度等难以满足需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种硅片成型加工方法，以解决加工过程繁琐、生产效率低、生产出来的硅片各项指标难以满足要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种硅片成型加工方法，包括：

采用多线酸腐蚀切割工艺将硅棒切成硅片；

对所述硅片进行倒角加工；

对倒角加工后的硅片表面进行磨削加工；

对磨削加工后的硅片进行抛光加工。

进一步地，所述采用多线酸腐蚀切割工艺将硅棒切成硅片的步骤包括：

利用多根切割线将酸性切割液带入硅棒目标区域；

所述酸性切割液对所述硅棒进行化学腐蚀切割。

进一步地，所述酸性切割液包括腐蚀酸、催化剂以及附加剂，所述腐蚀酸包括氢氟酸、硝酸、冰醋酸、硫酸中的至少之一，所述催化剂为亚硝酸钠，所述附加剂为溴。

进一步地，所述切割线的直径为10μm～200μm。

进一步地，所述对所述硅片进行倒角加工的步骤包括：

将硅片放置于旋转台上做自转运动；

控制磨轮做自转运动的同时使所述磨轮的外圆柱面与所述硅片的边缘进行接触。

进一步地，所述磨轮包括圆柱段和三角锥形段，所述圆柱段包括粒度互不相同的第一研磨区和第二研磨区，所述三角锥形段包括粒度互不相同的第三研磨区和第四研磨区，所述第一研磨区、所述第二研磨区、所述第三研磨区以及所述第四研磨区沿所述磨轮的长度方向依次设置，所述控制磨轮做自转运动的同时使所述磨轮与所述硅片的边缘进行接触包括：

调节所述磨轮的位置，使所述磨轮上的指定研磨区与所述硅片的边缘进行接触。

进一步地，所述对硅片进行倒角加工的步骤还包括：

确定磨轮的运动轨迹，其中，所述磨轮的运动轨迹包括多个，不同的运动轨迹对应硅片的不同的边缘轮廓形状；

控制所述磨轮在自转的同时按照确定的运动轨迹进行运动。

进一步地，所述对倒角加工后的硅片表面进行磨削加工的步骤包括：

采用第一砂轮对硅片进行双面磨削，单面去除量为15～30μm；

采用第二砂轮对硅片进行单面磨削，单面去除量为3～10μm，其中，所述第二砂轮的粒度大于所述第一砂轮的粒度。

进一步地，所述第一砂轮为粒度为2000～8000的砂轮，所述第二砂轮为粒度为8000～30000的砂轮。

进一步地，所述对磨削加工的硅片进行抛光加工的步骤包括：

对硅片进行单面抛光，抛光单面去除量为5～20μm。

本发明上述技术方案的有益效果如下：

根据本发明实施例的硅片成型加工方法，采用多线酸腐蚀切割工艺对硅棒进行切割，可以得到超薄硅片，加工效率高、质量好、各项反应速率可控，避免了传统硅片成型加工过程中硅片切割耗时长、噪声大、切割得到的硅片质量无法满足要求等诸多问题的发生。

附图说明

图1为现有硅片成型加工工艺的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种硅片成型加工方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的多线酸腐蚀切割工艺的示意图；

图4为本发明实施例提供的倒角加工过程的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，现有的硅片加工工艺主要包括以下几个步骤：

步骤101：利用线切割工艺将硅棒切成一定厚度的硅片。

在步骤101中，通常采用线切割的工艺将硅棒切成一定厚度的硅片，线切割，即把一根钢线缠绕在两个导轮上，利用导轮带动钢线运动，在切割的同时，向钢线上喷射砂浆，钢线将砂浆紧压在晶棒上，从而对硅棒做单向或往复的切割运动。如此，经过较长时间后完成研磨式的切割，将硅棒切成片。但是这种研磨式切割存在诸多的缺陷，首先，切割耗时长，比如，切割300mm直径的硅棒一般需要十几到二十几个小时；其次，切割得到的硅片表面粗糙度较大，普遍存在弯曲、翘曲等问题，并且不同硅片的厚度往往相差较大，厚度一致性差，例如，硅片最大厚度与最小厚度的差值TTV一般在20μm左右，弯曲程度在20μm左右，硅片表面损伤层一般都在5～15μm左右，表面较为粗糙且有明显的线痕；此外，研磨式切割所用的设备尺寸、重量都很大，加工时将产生较大的噪音和振动，噪声一般都超过85分贝，对人的听力造成了严重损伤。

步骤102：利用包裹式倒角机对硅片边缘进行研磨加工。

在步骤102中，通常利用倒角机对硅片边缘进行倒角加工，传统倒角机采用形状固定的凹槽式的磨轮对硅片边缘进行包裹式加工，也就是说，其磨轮的研磨面具有凹槽，硅片的边缘需伸进凹槽内，利用磨轮和硅片的相对旋转运动进行研磨加工。但是，这种包裹式加工会导致凹槽中部分区域研磨液不易进入，冷却效果不佳，继而造成硅片局部过热膨胀、表面灼伤，由此产生划伤、崩边、碎片等不利情况，甚至造成硅片报废；而且，凹槽式的研磨面将导致其内研磨产生的粉末不易排出，进一步加剧硅片表面的损伤或划伤；此外，由于凹槽式的磨轮形状固定，在加工不同边缘形状的硅片时，需要频繁更换、校准砂轮，尤其在步骤101中切割得到的硅片存在厚度一致性差这一问题的时候，情况更为糟糕，从而极大程度上限制了产能的提高，并且额外购买不同形状的砂轮也导致了成本的增加。

步骤103：对硅片进行双面研磨加工。

在步骤103中，传统的研磨方法是将硅片放置在研磨垫上，利用两个研磨面对硅片进行双面研磨，研磨过程中需加入研磨浆料，研磨加工的损伤层较厚，研磨效率通常小于2μm/min，研磨效率不高。

步骤104：对硅片进行二次倒角。

由于经上一步骤后硅片的损伤层较厚，需要对硅片进行二次倒角才能得到想要的硅片边缘形状。

步骤105：对硅片进行化学腐蚀。

由于上述研磨和倒角加工后得到的硅片表面仍不满足要求，需要采用高纯度酸/碱等化学品对其进行化学腐蚀。但是化学腐蚀工艺反应机理和过程复杂，不易于控制硅片表面的平坦度和粗糙度；而且所使用的化学药品成本高、腐蚀性强，需要腐蚀过程需要加热，容易生成氢气和氮氧化物等危险性大的气体，容易对工作人员和周围环境造成伤害。

步骤106：对硅片进行双面抛光和单面最终抛光。

经化学腐蚀后的硅片由于平坦度和粗糙度还不满足要求，故还需要进行双面初步抛光以及单面最终抛光。

由上可知，现有的硅片成型加工工艺存在着诸多的缺陷和问题，由此，本发明实施例提供一种硅片成型加工方法，以克服上述诸多的缺陷。

如图2所示，本发明实施例提供的硅片成型加工方法包括如下步骤：

步骤201，采用多线酸腐蚀切割工艺将硅棒切割成硅片；

步骤202，对所述硅片进行倒角加工；

步骤203，对倒角加工后的硅片表面进行磨削加工；

步骤204，对磨削加工后的硅片进行抛光加工。

在上述步骤201中，采用多线酸腐蚀切割工艺将硅棒切成硅片的步骤包括：

步骤2011，利用多根切割线将酸性切割液带入硅棒目标区域；

步骤2012，酸性切割液对所述硅棒进行化学腐蚀切割。

如图3所示，本发明实施例采用多线酸腐蚀切割工艺对硅棒303进行切割，具体来说，多根切割线302绕经两个线轴301，形成切割线网，同时，多个加酸装置304设置在切割线302旁，向形成的切割线网上喷射酸性切割液305并附着在切割线302上，切割线302在线轴301的带动下进行运动，由此将其上的酸性切割液305带到硅棒303上的目标区域，这些酸性切割液305将对硅棒303上的目标区域进行化学腐蚀，达到切割的效果，切割线302不断地将酸性切割液305带到目标区域，从而在持续的化学腐蚀作用下将硅棒303切割成所需厚度的硅片；而去酸装置306可以喷射出用于去除酸性切割液的液体，例如去离子水等，以在切割后洗去硅棒303上的酸性切割液，去酸装置306也呈多线结构，与切割线302完全对齐，利用去酸装置306的多线附着去离子水去除酸性切割液。采用本发明实施例的多线酸腐蚀切割工艺，可以有效提高硅片切割效率，远高于传统的线切割工艺；而且，由于采用的是化学腐蚀，切出来的硅片机械损伤层基本为零、粗糙度可以控制在小于0.5～5μm、硅片最大厚度与最小厚度的差值TTV可控制在3～15μm，弯曲程度可控制在10～15μm，切割过程基本不会产生噪音和振动。需要特别指出的是，该多线酸腐蚀切割工艺可用于切超薄片，超薄片的切片厚度在350～750μm，而传统的线切割工艺的切片厚度一般为875～900μm；而且，由于切出来的硅片的粗糙度等各项指标优异，从而极大程度地简化和方便了后续的倒角加工、磨削以及抛光过程。

较优的，在本发明的一些实施例中，酸性切割液305包括腐蚀酸、催化剂以及附加剂，其中，腐蚀酸包括氢氟酸、硝酸、冰醋酸、硫酸中的至少之一，而催化剂可以采用如亚硝酸钠等(溶液状态)，附加剂则可以采用溴等氧化剂、也可以采用一些还原剂；上述的原料按照一定比例混合，得到的酸性切割液305反应速率可控、腐蚀切割质量好。

进一步的，在本发明的一些实施例中，切割线302采用耐酸亲水的材料制成细丝状，主要由耐上述腐蚀酸的高分子材料、复合材料、金属材料中的一种或多种组合而成，如铂丝、超高分子聚乙烯等，切割线302的直径范围在10μm～200μm之间。

本发明实施例还需对切割得到的硅片进行倒角加工，对硅片进行倒角加工的步骤包括：

步骤2021，将硅片放置于旋转台上做自转运动；

步骤2022，控制磨轮做自转运动的同时使所述磨轮与所述硅片的边缘进行接触。

如图4所示，本发明实施例采用磨轮402对切割得到的硅片401进行倒角加工，具体来说，磨轮402呈长条状，包括圆柱段4021和三角锥形段4022；进一步地，圆柱段4021包括第一研磨区40211和第二研磨区40212，其中第一研磨区40211和第二研磨区40212的砂粒粒度不同，而三角锥形段4022包括第三研磨区40221和第四研磨区40222，三角锥形段4022的形状与三角形沿其一条边进行旋转后得到的形状相同，因此将其称为三角锥形，其中第三研磨区40221和第四研磨区40222的砂粒粒度也不相同，第一研磨区40211、第二研磨区40212、第三研磨区40221以及第四研磨区40222沿磨轮402的长度方向依次设置，不同的研磨区可以加工得到不同的倒角，例如，圆柱段4021主要用于加工R形倒角，而圆柱段4021内不同的研磨区可以分别用于进行粗研磨和精研磨，从而通过调节圆柱段4021与硅片401的接触位置即可实现不同的加工过程；同样，三角锥形段4022主要用于加工T形倒角，而三角锥形段4022内不同的研磨区可以分别用于进行粗研磨和精研磨，从而通过调节三角锥形段4022与硅片401的接触位置即可实现不同的加工过程。此外，磨轮402还包括一驱动轴4023，驱动轴4023与圆柱段4021和三角锥形段4022同轴设置，从而在驱动轴4023的驱动下，磨轮402既可以绕其自身中心轴做自转运动，也可以在空间范围内沿任意轨迹进行移动，还可以在自转的同时按一定的轨迹进行移动。

也就是说，本发明实施例中的磨轮402的加工面不用开设任何凹槽，其加工面任意位置都可以用于进行倒角研磨加工。倒角加工过程中，使硅片401放置于旋转台404上进行固定，并做自转运动，然后，调节磨轮402的位置，使磨轮402上指定砂粒粒度的研磨区与硅片401的边缘进行接触，使得硅片401与磨轮402进行相对旋转运动而对硅片401的边缘进行倒角加工，加工过程中，利用研磨液装置403向加工区域喷射研磨液，以对加工区域进行冷却并带走产生的硅粉。不同于传统倒角加工中的包裹式加工，本发明实施例中的磨轮402与硅片401的接触是点接触式或者说线接触式的，加工过程中产生的硅粉更容易排出，而且研磨液可以对加工区域进行全面地喷射冷却，不存在冷却液无法进入的区域，杜绝了硅片401过热现象的发生，并且对硅片401进行立式的加工，可以进一步提高冷却和排渣效果。此外，由于磨轮402具有多个不同砂粒粒度的研磨区，通过选用不同砂粒粒度的研磨区可以实现倒角加工中的粗加工和精加工，切换过程方便，可适应不同的加工需求，避免了砂轮反复更换和校准过程，有效提高了倒角加工效率。

进一步地，在本发明的一些实施例中，对硅片进行倒角加工的步骤还包括：

步骤2023，确定磨轮的运动轨迹，其中，所述磨轮的运动轨迹包括多个，不同的运动轨迹对应硅片的不同的边缘轮廓形状；

步骤2024，控制所述磨轮在自转的同时按照确定的运动轨迹进行运动。

也就是说，在驱动轴4023的驱动下，磨轮402可沿多个运动轨迹进行移动，而不同的运动轨迹对应于硅片401的不同的边缘轮廓形状，如R型倒角或T型倒角。驱动轴4023可以由机械臂进行驱动，而对应的运动轨迹也由相应的程序指令进行控制驱动。通过控制磨轮402在自转的同时沿预设的轨迹进行运动，磨轮402与硅片401呈一定的加工角度，便可得到所需要的硅片的边缘轮廓形状。

较优的，通常先用#800的研磨区对硅片边缘进行粗加工得到圆弧形，直径减小量约为1000μm。然后用#800～#1500的研磨区进行粗加工，得到客户要求的形状，如R型或T型，再用#2000～#3000的研磨区进行精加工，去除损伤层，这一过程中的直径减小量约为350μm。

在本发明的另一些实施例中，对倒角加工后的硅片表现进行磨削加工的步骤包括：

步骤2031，采用第一砂轮对硅片进行双面磨削，单面去除量为15～30μm；

步骤2032，采用第二砂轮对硅片进行单面磨削，单面去除量为3～10μm，其中，所述第二砂轮的粒度大于所述第一砂轮的粒度。

也就是说，磨削加工分为粗磨削和精磨削，粗磨削是采用#2000～#8000的砂轮对硅片表面进行双面磨削，主要用于减小硅片表面的粗糙度和TTV，单面去除量为15～30μm；精磨削是采用#8000～#30000的砂轮进行单面磨削，主要是去除粗磨削过程产生的损伤层以及进一步减小硅片表面粗糙度和TTV，去除量为3～10μm。由此，得到TTV小于0.2μm、表面粗糙度在0.1～0.2μm之间的硅片。相比于传统的双面研磨工艺，本发明实施例采用的磨削加工工艺投资小，研磨液只需要纯水和表面活性剂，磨削速率快，约为20～200μm/min(传统的双面研磨工艺研磨效率小于2μm/min)，并且，硅片表面损伤层小，粗磨削加工损伤层小于1.4μm，精磨削加工损伤层小于0.4μm(传统双面研磨损伤层约是研磨料粒径的1.5～2倍，约在20～30um)，加工精度高。

在本发明实施例中，对磨削加工后的硅片进行抛光加工的步骤包括：

对硅片进行单面抛光，抛光单面去除量为5～20μm。

在本步骤中，所用抛光设备与传统抛光工艺设备相同，但是由于本发明实施例中经前述的表面磨削后硅片表面状态已经良好，一般只需要单面抛光就能满足客户需求。

本发明实施例提供的硅片成型加工方法具有以下众多优点：

相较于传统工艺，本发明实施例提供的硅片成型加工方法采用多线酸腐蚀切割工艺切割出高质量的硅片，无损伤层、粗糙度小、总厚度差较小，有助于简化后续加工工艺。磨削加工工艺后的硅片表面状态良好，可直接进行抛光，从而提高生产效率、减少设备种类及其辅助系统、降低生产成本。

省去双面研磨工艺及其所需的双面研磨设备，该设备尺寸大，所用研磨液损害人体健康，易造成破片和划伤，电能等消耗大，省去该设备的购买维护成本。

省去化学腐蚀工艺，该工艺反应机理和过程复杂，不易于控制其平坦度和表面粗糙度，并且高纯度酸/碱化学品成本高，腐蚀性强，对人体和环境造成伤害，使用时需要加热，生成的氢气和氮氧化物危险性大。相反，本发明实施例提供的硅片成型加工方法在切片后主要是倒角和表面磨削等机械加工，加工量和表面粗糙度等易于控制。

设备种类少，特别是切片后，所需的设备仅仅是倒角磨轮，磨削机，单面抛光机。其中，一次倒角、二次倒角为同一设备，只需调整磨轮上不同砂粒粒度的砂轮与硅片边缘进行接触即可；同理，磨削设备也为同一设备，只需更换砂轮即可，易于设备操作维护。

硅片去除量少，提高硅棒的利用率和出片率。传统线切割后得到的硅片有明显的线痕、粗糙度差、硅片厚度差异大，有机械应力；双面研磨过程中也因采用大压力使磨料对硅片表面研磨，也有较大的损伤层、划伤和加工应力，需要进一步的化学腐蚀将其去除。因此，传统工艺需要去除的量大。而本发明实施例提供的硅片成型加工方法采用多线酸腐蚀切割，不仅效率高、粗糙度小，而且损伤层几乎为零、无加工应力；同理，没有传统双面研磨工艺造成的损伤层，需要后续去除量少。

可用于超薄硅片的加工。目前通用硅片为775μm，但后续真正使用的厚度不足50μm，其余部分最后都将被研磨掉。针对超薄硅片的加工，现有加工方法中，传统双面研磨工艺容易破片，腐蚀过程不易控制，且粗糙度和平坦度难以控制，容易出现塌边、枕形和雾。而本发明实施例中提供的硅片成型加工方法，如上所述，首先是多线酸腐蚀切割，可切割出超薄硅片，在后续成型工艺中，切削量可控，可通过选择不同粒径的砂轮或磨轮、并控制加工速度以控制硅片表面的粗糙度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅片成型加工方法，其特征在于，包括：

采用多线酸腐蚀切割工艺将硅棒切成硅片；

对所述硅片进行倒角加工；

对倒角加工后的硅片表面进行磨削加工；

对磨削加工后的硅片进行抛光加工。

2.根据权利要求1所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述采用多线酸腐蚀切割工艺将硅棒切成硅片的步骤包括：

利用多根切割线将酸性切割液带入硅棒目标区域；

所述酸性切割液对所述硅棒进行化学腐蚀切割。

3.根据权利要求2所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述酸性切割液包括腐蚀酸、催化剂以及附加剂，所述腐蚀酸包括氢氟酸、硝酸、冰醋酸、硫酸中的至少之一，所述催化剂为亚硝酸钠，所述附加剂为溴。

4.根据权利要求2所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述切割线的直径为10μm～200μm。

5.根据权利要求1所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述对所述硅片进行倒角加工的步骤包括：

将硅片放置于旋转台上做自转运动；

控制磨轮做自转运动的同时使所述磨轮与所述硅片的边缘进行接触。

6.根据权利要求5所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述磨轮包括圆柱段和三角锥形段，所述圆柱段包括粒度互不相同的第一研磨区和第二研磨区，所述三角锥形段包括粒度互不相同的第三研磨区和第四研磨区，所述第一研磨区、所述第二研磨区、所述第三研磨区以及所述第四研磨区沿所述磨轮的长度方向依次设置，所述控制磨轮做自转运动的同时使所述磨轮与所述硅片的边缘进行接触包括：

调节所述磨轮的位置，使所述磨轮上的指定研磨区与所述硅片的边缘进行接触。

7.根据权利要求5所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述对所述硅片进行倒角加工的步骤还包括：

确定磨轮的运动轨迹，其中，所述磨轮的运动轨迹包括多个，不同的运动轨迹对应硅片的不同的边缘轮廓形状；

控制所述磨轮在自转的同时按照确定的运动轨迹进行运动。

8.根据权利要求1所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述对倒角加工后的硅片表面进行磨削加工的步骤包括：

采用第一砂轮对硅片进行双面磨削，单面去除量为15～30μm；

采用第二砂轮对硅片进行单面磨削，单面去除量为3～10μm，其中，所述第二砂轮的粒度大于所述第一砂轮的粒度。

9.根据权利要求8所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述第一砂轮为粒度为2000～8000的砂轮，所述第二砂轮为粒度为8000～30000的砂轮。

10.根据权利要求1所述的硅片成型加工方法，其特征在于，所述对磨削加工的硅片进行抛光加工的步骤包括：

对硅片进行单面抛光，抛光单面去除量为5～20μm。