CN114989880B - 切割液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种切割液及其制备方法，涉及半导体领域。本申请实施例提供的切割液包括液态材料以及分散于液态材料中的磨料颗粒和二维层状材料，利用二维层状材料的结构特点和在液相中优秀的分散性和稳定性来提高磨料颗粒在切割液中的悬浮性与稳定性，使得切割液有着较佳的切割效果，并且重复利用率高，有利于降低成本。本申请提供的制备方法用于制备上述的切割液。

Description

切割液及其制备方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及切割液及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的典型代表具备宽带隙、高击穿电场，高热导率和高抗辐射能力等性质。这些优异的半导体性能使SiC被广泛应用于高温、高频、大功率等方电子器件的设计和制备。然而把SiC晶体加工成SiC衬底需要切、磨、抛、洗等一系列的加工步骤。然而SiC硬而脆，莫式硬度在9.2-9.3之间，仅次于金刚石，加工难度大。在SiC衬底的一系列加工工艺中，晶体切割是SiC衬底加工的第一步，切面的品质直接影响后续的加工步骤，因此切割步骤十分关键。现有的SiC晶圆加工中的切割步骤一般采用游离磨料线切技术，通过线锯的快速运动将切割液中的磨料颗粒带入锯缝，然后通过“滚动压痕”的机制去除材料。但现有的切割液的性能不佳，导致切割后的晶片面型较差。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本申请的目的在于提供一种切割液及其制备方法。本申请实施例提供的切割液以及制备方法制得的切割液具有较佳的性能，因此切割效果较好。

本申请是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种切割液，包括液态材料、磨料颗粒以及二维层状材料，磨料颗粒和二维层状材料不溶于液态材料并分散于液态材料中。

在可选的实施方式中，二维层状材料为二硫化钼微片、六方氮化硼微片以及石墨烯微片中的一种或几种。

在可选的实施方式中，二维层状材料的厚度尺寸不大于50nm，二维层状材料的片径为5-15μm。

在可选的实施方式中，磨料颗粒为金刚石颗粒。

在可选的实施方式中，液态材料为200-聚乙二醇、400-聚乙二醇和600-聚乙二醇中的一种或几种。

在可选的实施方式中，切割液还包括消泡剂，消泡剂为聚甲基硅氧烷消泡剂。

在可选的实施方式中，磨料颗粒与液态材料的配比为0.1-0.2kg/L，和/或，磨料颗粒的粒径为3-10μm。

在可选的实施方式中，二维层状材料与液态材料的配比为0.01～0.05kg/L。

在可选的实施方式中，切割液的粘度为30-130mPa·s。

第二方面，本申请实施例提供一种切割液的制备方法，包括提供磨料颗粒、二维层状材料和液态材料，将磨料颗粒和二维层状材料分散于液态材料中。

在可选的实施方式中，将磨料颗粒和二维层状材料分散于液态材料中的步骤，包括：

将二维层状材料和磨料颗粒加入液态材料中并进行超声搅拌。

在可选的实施方式中，将二维层状材料和磨料颗粒加入液态材料中并进行超声搅拌的步骤，包括：

先将二维层状材料加入液态材料中并进行超声搅拌；

再将磨料颗粒加入液态材料中并进行超声搅拌。

在可选的实施方式中，二维层状材料通过液相剥离法得到，二维层状材料为二硫化钼微片、六方氮化硼微片以及石墨烯微片中的一种或几种。

在可选的实施方式中，二维层状材料的厚度尺寸不大于50nm，二维层状材料的片径为5-15μm。

在可选的实施方式中，磨料颗粒为金刚石颗粒；和/或，

液态材料为200-聚乙二醇、400-聚乙二醇和600-聚乙二醇中的一种或几种。

在可选的实施方式中，将二维层状材料和磨料颗粒加入液态材料中并进行超声搅拌的步骤，包括：

将消泡剂与液态材料混合，得到液态混合物；

先将二维层状材料加入液态混合物中并进行超声搅拌；

再将磨料颗粒加入液态混合物中并进行超声搅拌。

本申请实施例具有以下有益效果：

本申请实施例的切割液包括液态材料、磨料颗粒以及二维层状材料，磨料颗粒和二维层状材料不溶于液态材料并分散于液态材料中。二维层状材料具有一定的径厚比，能够在切割液中能够对磨料颗粒进行分隔。在切割液中分散的二维层状材料能够像网一样，一方面能对磨料颗粒在切割液中的相互碰撞起阻碍作用，降低碰撞概率，减少团聚的发生，改善悬浮性；另一方面能对磨料颗粒在切割液中的沉降运动起缓冲作用，降低沉降速度，改善稳定性。悬浮性和稳定性的改善都能够改善晶圆切割效果，并使得切割液能够重复利用。除此之外，二维层状材料还是优秀的润滑材料，能够提高切割液的润滑性，从而改善切割质量。本申请实施例提供的制备方法用于制备上述的切割液。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例中二维层状材料与磨料颗粒的在液态材料中的状态示意图；

图2为本申请一种实施例中切割液的制备方法的流程图。

具体实施方式

针对于碳化硅晶圆加工的切割液主要由固相的磨料颗粒(粒径2-10μm)和液相的分散材料组成。磨料颗粒通过“滚动压痕”的机制去除被切割的材料。磨料颗粒在切割液中的悬浮性和稳定性对于切割步骤至关重要。然而磨料颗粒(比如金刚石微粉)在切割液中容易团聚和沉降，沉降后的切割液切割能力大大降低，导致切割后的晶片面型较差，而且聚沉后的切割液很难通过搅拌的方式再分散，只能废弃，导致切割成本增高。相关技术中，有通过添加分散剂来提高磨料在切割液中悬浮性和稳定性。比如分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、马来酸酐-丙烯酸共聚物钠盐、水解聚马来酸钠盐、丙烯酸-2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸共聚物钠盐、丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物钠盐、萘酚聚氧乙烯醚、异构十三醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇双油酸酯、聚乙二醇月桂酸酯、聚丙烯酸钠等。但是通过引入有机分散剂，切割液分散性仍然不够稳定，在多次循环切割时磨料颗粒仍然容易团聚和沉降，影响切割效果，切割液重复利用率低，增加了切割成本。

因此，本申请实施例提供一种切割液，其中磨料颗粒的悬浮性和稳定性较佳，切割SiC晶圆的效果较佳，并且改善后的切割液具有较好的重复利用率。此外，本申请实施例还提供一种用于制备上述切割液的制备方法。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本申请实施例提供的切割液，包括液态材料、磨料颗粒以及二维层状材料，其中，磨料颗粒和二维层状材料不溶于液态材料并分散于液态材料中。图1为本申请实施例中二维层状材料与磨料颗粒的在液态材料中的状态示意图。如图1所示，二维层状材料具有一定的径厚比，即厚度尺寸明显小于垂直于厚度方向的尺寸，从而呈现出片状的结构，能够在切割液中对磨料颗粒进行分隔、拦截，从而提高磨料颗粒在切割液中的悬浮性和稳定性。可选的，二维层状材料可以通过液相剥离法得到，液相剥离的二维层状结构自身具有较佳的分散性和稳定性，能够在液态材料均匀分散，这样有利于磨料颗粒的均匀分散。可选的，二维层状材料的厚度尺寸不大于50nm，比如为50nm、40nm、30nm、20nm、10nm中的任一点值或者任意两点之间的值；二维层状材料的片径为5-15μm，比如为5μm、8μm、10μm、12μm、15μm中的任一点值或者任意两点之间的值。这样能够保证二维层状材料较薄，能够在起到拦截作用的同时自身也能够更均匀地分散，自身不容易沉降，也不会过多地干涉磨料颗粒发挥切削功能。

可选的，二维层状材料为二硫化钼微片、六方氮化硼微片以及石墨烯微片中的一种或几种的混合。

液相中均匀分散的二维层状材料能够像网一样，一方面能对磨料颗粒在切割液中的相互碰撞起阻碍作用，降低碰撞概率，减少团聚的发生，改善悬浮性；另一方面能对磨料颗粒在切割液中的沉降运动起缓冲作用，降低沉降速度，改善稳定性。应当理解，如果磨料颗粒聚团或者沉降，意味着切割液中发挥切割功能的有效组分极不均匀，这将导致对晶圆的切割效果显著变差。因此，改善了磨料颗粒的稳定性和悬浮性，相当于提高了切割液的切割性能。而且如果磨料颗粒始终处于均匀地分散状态，那么该切割液的可以重复利用，因此本申请实施例提供的切割液的重复利用率也得到了提高。此外，二维层状材料还是优秀的润滑材料，能够提高切割液的润滑性，能够减少线痕，减少断线风险，改善切割质量。

可选的，磨料颗粒为金刚石颗粒，金刚石具有极高的莫氏硬度，能够有效地切除晶圆材料；进一步的，磨料颗粒的粒径为3-10μm。该粒径范围下的磨料颗粒具有较好的切割性能。

可选的，液态材料为聚乙二醇；进一步的，聚乙二醇为200-聚乙二醇、400-聚乙二醇和600-聚乙二醇中的一种或几种。聚乙二醇能够较好地发挥分散性能，磨料颗粒以及二维层状材料能够均匀地分散于聚乙二醇中。

可选的，切割液还包括消泡剂。消泡剂能够降低液态材料的表面张力，从而减少泡沫形成，这样有利于切割作业。消泡剂不与聚乙二醇、磨料颗粒以及二维层状材料反应，化学性质稳定，耐热性、扩散性、渗透性好，正铺展系数较高，不影响分散系中的其他组分发挥自身的功能作用。可选的，消泡剂为聚甲基硅氧烷消泡剂。消泡剂与聚乙二醇的配比(体积比)可选为1:500。

可选的，磨料颗粒与液态材料的配比为0.1-0.2kg/L，比如为0.1kg/L、0.12kg/L、0.14kg/L、0.16kg/L、0.18kg/L、0.2kg/L中任一点值或者任意两点之间的值。

可选的，二维层状材料与液态材料的配比为0.01～0.05kg/L，比如为0.01kg/L、0.02kg/L、0.03kg/L、0.04kg/L、0.05kg/L中任一点值或者任意两点之间的值。

可选的，切割液的粘度为30-130mPa·s，比如为30mPa·s、50mPa·s、70mPa·s、90mPa·s、110mPa·s、130mPa·s中的任一点值或者任意两点之间的值。可以理解，切割液的粘度过小或过大都不利于切割：粘度过小可能会导致磨料颗粒在切割液中的稳定性变差；粘度过大意味着切割液的流动性变差，可能会导致切割液不容易浸入锯缝。

本申请实施例提供的切割液的制备方法，包括提供磨料颗粒、二维层状材料和液态材料，将磨料颗粒和二维层状材料分散于液态材料中。

可选的，将磨料颗粒和二维层状材料分散于液态材料中的步骤，具体包括：将二维层状材料和磨料颗粒加入液态材料中并进行超声搅拌。具体的，可以先将二维层状材料加入液态材料中并进行超声搅拌；再将磨料颗粒加入液态材料中并进行超声搅拌。

图2为本申请一种实施例中切割液的制备方法的流程图。如图2所示，本申请实施例提供的切割液的制备方法，具体可以包括以下步骤：

步骤S201，将消泡剂与液态材料混合，得到液态混合物。

以制备前述实施例提供的切割液为例，将聚乙二醇作为液态材料来分散磨料颗粒和二维层状材料。消泡剂能够降低液态材料的表面张力，从而减少泡沫形成，这样有利于切割作业。具体的，在储液桶中放入50L的聚乙二醇和0.1L聚甲基硅氧烷消泡剂，使用搅拌器对混合物进行搅拌，得到液态混合物。搅拌器的转速可选为30-60rpm。可选的，聚乙二醇与消泡剂的混合搅拌可以在40℃恒温下进行。

步骤S202，将二维层状材料加入液态混合物中并进行超声搅拌。

具体的，可将二维层状材料加入液态混合物中，超声搅拌4-8h，进一步的，超声搅拌的超声频率为可选为40-120KHz，比如为40KHz、60KHz、80KHz、100KHz、120KHz中的任一点值或者任意两点之间的值。二维层状材料可以通过液相剥离法得到，液相剥离法得到的二维层状材料能够均匀地分散于聚乙二醇中。

步骤S203，将磨料颗粒加入液态混合物中并进行超声搅拌。

具体的，磨料颗粒加入液态混合物中，超声搅拌12-24h。进一步的，超声搅拌的超声频率为可选为40-120KHz，比如为40KHz、60KHz、80KHz、100KHz、120KHz中的任一点值或者任意两点之间的值。通过超声搅拌，能够将二维层状材料和磨料颗粒均匀地分散于液态混合物中。在其他可选的实施例中，也可以先将磨料颗粒加入液态混合物中进行超声搅拌，再将二维层状材料加入进行超声搅拌；也可以将磨料颗粒和二维层状材料同时加入到液态混合物中进行超声搅拌。在超声搅拌的过程中，也可以同时采用机械搅拌，机械搅拌的参数可以沿用步骤S201中的搅拌参数。

以下结合实施例对本申请实施例的切割液的制备方法以及制得的切割液的性能进一步的详细介绍。

实施例1

本实施例的切割液的制备方法具体步骤如下：

1)在储液桶中放入50L的200-聚乙二醇和0.1L的聚甲基硅氧烷消泡剂，打开搅拌器对溶液进行搅拌，转速为30rpm并且打开控温装置，设置温度为40℃；

2)温度稳定后，往储液桶中加入厚度尺寸为10nm，垂直于厚度方向上的尺寸为5μm的二硫化钼微片，加入的质量为0.5kg，启动超声装置，超声频率为40KHz，超声搅拌的时长为4h；

3)超声搅拌4h后，往储液桶中加入粒径大小为3μm的金刚石颗粒，加入的质量为5kg，继续超声搅拌，超声频率为40KHz，超声搅拌的时长为12h；

4)超声搅拌结束后，即得到配好的切割液，冷却至室温后，测得切割液的粘度为30mPa·s。

实施例2：

本实施例的切割液的制备方法具体步骤如下：

1)在储液桶中放入50L的400-聚乙二醇和0.1L的聚甲基硅氧烷消泡剂，打开搅拌器对溶液进行搅拌，转速为45rpm并且打开控温装置，设置温度为40℃；

2)温度稳定后，往储液桶中加入厚度尺寸为30nm，粒径为10μm的六方氮化硼微片，加入的质量为1.5kg，启动超声装置，超声频率为80KHz，超声搅拌的时长为6h；

3)超声搅拌6h后，往储液桶中加入粒径大小为6μm的金刚石磨料，加入的质量为7kg，继续超声搅拌，超声频率为80KHz，超声搅拌的时长为18h；

4)超声搅拌结束后，即得到配好的切割液，冷却至室温后，测得切割液的粘度为70mPa·s。

实施例3：

本实施例的切割液的制备方法具体步骤如下：

1)在储液桶中放入50L的600-聚乙二醇和0.1L的聚甲基硅氧烷消泡剂，打开搅拌器对溶液进行搅拌，转速为60rpm并且打开控温装置，设置温度为40℃；

2)温度稳定后，往储液桶中加入厚度尺寸为50nm，粒径为15μm的石墨烯微片，加入的质量为2.5kg，启动超声装置，超声频率为120KHz，超声搅拌的时长为8h；

3)超声搅拌8h后，往储液桶中加入粒径大小为10μm的金刚石颗粒，加入的质量为10kg，继续超声搅拌，超声频率为120KHz，超声搅拌的时长为24h；

4)超声搅拌结束后，即得到配好的切割液，冷却至室温后，测得切割液的粘度为130mPa·s。

以下为本申请各个实施例与现有相关技术的切割液的性能对比。其中现有切割液中未使用二维层状材料。各个实施例中所切割的对象均为碳化硅晶圆。

表1：

	BOW(μm)	WARP(μm)	TTV(μm)	良率(％)
					现有切割液工艺	＜13	＜18	＜10	95.5％
实例1	＜11	＜15	＜6	97.2％
					实例2	＜8	＜11	＜3	99.1％
实例3	＜9	＜9	＜4	97.7％

表1从晶片的弯曲度(BOW)、翘曲度(WARP)、总厚度偏差(TTV)以及良率四个方面进行了比较。从表1可知，本申请实施例提供的切割液，通过二维层状材料提高磨料颗粒的悬浮性、稳定性和润滑性，进而改善切割完的晶片面型，使得BOW、WARP、TTV以及良率均现有切割液得到提升。

表2：

表2从切割液循环使用次数、切割液总共可切割的片数、成本等方面进行了比较。从表2中可见，本申请实施例提供的切割液通过提高悬浮性和稳定性进而克服现有的切割液在循环切割过程中的因沉降而导致无法再分散而报废导致的问题，提高了切割液的循环使用次数，提高了单次配置的切割液总共可切割晶圆片数，从而降低了切割液的使用成本。

应当理解，本申请实施例提供的切割液，还可以应用在切割其他材料，比如蓝宝石，单晶硅，氮化镓，氧化镓等。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种切割液，其特征在于，包括液态材料、磨料颗粒以及二维层状材料，所述磨料颗粒和所述二维层状材料不溶于所述液态材料并分散于所述液态材料中，所述二维层状材料为二硫化钼微片、六方氮化硼微片以及石墨烯微片中的一种或几种，所述二维层状材料的厚度尺寸不大于50nm，所述二维层状材料的片径为5-15μm。

2.根据权利要求1所述的切割液，其特征在于，所述磨料颗粒为金刚石颗粒。

3.根据权利要求1所述的切割液，其特征在于，所述液态材料为200-聚乙二醇、400-聚乙二醇和600-聚乙二醇中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的切割液，其特征在于，所述切割液还包括消泡剂，所述消泡剂为聚甲基硅氧烷消泡剂。

5.根据权利要求1所述的切割液，其特征在于，所述磨料颗粒与所述液态材料的配比为0.1-0.2kg/L，和/或，所述磨料颗粒的粒径为3-10μm。

6.根据权利要求1所述的切割液，其特征在于，所述二维层状材料与所述液态材料的配比为0.01~0.05kg/L。

7.根据权利要求1所述的切割液，其特征在于，所述切割液的粘度为30-130mPa∙s。

8.一种切割液的制备方法，其特征在于，包括提供磨料颗粒、二维层状材料和液态材料，将所述磨料颗粒和所述二维层状材料分散于所述液态材料中，所述二维层状材料为二硫化钼微片、六方氮化硼微片以及石墨烯微片中的一种或几种，所述二维层状材料的厚度尺寸不大于50nm，所述二维层状材料的片径为5-15μm。

9.根据权利要求8所述的切割液的制备方法，其特征在于，将所述磨料颗粒和所述二维层状材料分散于所述液态材料中的步骤，包括：

将所述二维层状材料和所述磨料颗粒加入所述液态材料中并进行超声搅拌。

10.根据权利要求9所述的切割液的制备方法，其特征在于，将所述二维层状材料和所述磨料颗粒加入所述液态材料中并进行超声搅拌的步骤，包括：

先将所述二维层状材料加入所述液态材料中并进行超声搅拌；

再将所述磨料颗粒加入所述液态材料中并进行超声搅拌。

11.根据权利要求8所述的切割液的制备方法，其特征在于，所述二维层状材料通过液相剥离法得到。

12.根据权利要求8所述的切割液的制备方法，其特征在于，所述磨料颗粒为金刚石颗粒；

所述液态材料为200-聚乙二醇、400-聚乙二醇和600-聚乙二醇中的一种或几种。

13.根据权利要求9所述的切割液的制备方法，其特征在于，

将所述二维层状材料和所述磨料颗粒加入所述液态材料中并进行超声搅拌的步骤，包括：

将消泡剂与所述液态材料混合，得到液态混合物；

先将所述二维层状材料加入所述液态混合物中并进行超声搅拌；

再将所述磨料颗粒加入所述液态混合物中并进行超声搅拌。