CN115609775A - 线切割单元、设备、硅片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了线切割单元、设备、硅片及其制造方法，切割线；彼此间隔开且平行地布置的至少两个线轴，每个线轴上设置有彼此平行且间隔开的多个导引槽，所述切割线依次缠绕在每个线轴的每个导引槽上以形成由横跨所述至少两个线轴并且彼此平行的多个切割线段组成的阵列，所述阵列用于通过沿所述切割线的延伸方向的运动将硅棒一次性切割成多个硅片；其中，所述多个导引槽中的相邻导引槽之间的间距根据所述切割线的形变沿着所述多个切割线段的排列方向按照设定的规律进行设置，使得切割出的所述多个硅片具有一致的厚度。

Description

线切割单元、设备、硅片及其制造方法

技术领域

本发明实施例涉及晶圆加工技术领域，尤其涉及线切割单元、设备、硅片及其制造方法。

背景技术

硅片作为半导体电路制程载体，其品质对集成电路形成具有决定性的影响。目前，在硅片的初步成型过程中的主要工序包括：硅棒切割，物理、化学研磨，化学刻蚀，物理化学抛光等。硅棒切割是硅片成型工艺中的核心工艺之一，其主要包括多线砂浆(SiC)切割和内圆切割。以12英寸晶圆的成型为例，目前采用的主流工艺为多线切割，因为相对于内圆切割，多线切割具有效率高、质量好、出片率高等优势。

多线切割是目前先进的切片加工技术，其原理是将切割线缠绕在一组线轴上以形成切割线段阵列，利用切割线的高速往复运动把磨料带入待切割材料(比如硅棒)的加工区域进行研磨，而待切割工件通过工作台的升降实现垂直方向的进给，以此将工件同时切割成若干个所需尺寸形状的薄片(比如晶圆)。通常多线切割过程中所采用的磨料优选为砂浆，不仅能够帮助研磨，而且还能够在多线切割过程中起到冷却作用。

目前，多线切割工艺使用的切割线包括普通钢线和结构线，普通钢线和结构线区别在于：普通钢线由圆柱形钢线外加铜锌合金构成，而结构线是基于普通钢线在轴向和径向方向上增加扭曲部分以使得切割线在切割过程中携带切割液更稳定，同时切割能力增强，但是随着切割操作的进行，切割线会由于承受力和/或因损耗而发生形变，切割线的形变将导致切割出的硅片的厚度的一致性、特别是从同一硅棒一次性切割出的多个硅片的厚度的一致性较差，因此在线切割过程中，如何改善不同硅片的厚度一致性成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供线切割单元、设备、硅片及其制造方法；能够改善由于硅棒被切割时的温度变化、切割液中的颗粒的直径的变化、切割线的损耗形变等因素导致的硅片平坦度差和厚度差异的问题，提高硅片的良率。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种线切割单元，所述线切割单元包括：

切割线；

彼此间隔开且平行地布置的至少两个线轴，每个线轴上设置有彼此平行且间隔开的多个导引槽，所述切割线依次缠绕在每个线轴的每个导引槽上以形成由横跨所述至少两个线轴并且彼此平行的多个切割线段组成的阵列，所述阵列用于通过沿所述切割线的延伸方向的运动将硅棒一次性切割成多个硅片；

其中，所述多个导引槽中的相邻导引槽之间的间距根据所述切割线的形变沿着所述多个切割线段的排列方向按照设定的规律进行设置，使得切割出的所述多个硅片具有一致的厚度。

第二方面，本发明实施例提供了一种线切割设备，所述线切割设备包括：

根据第一方面的线切割单元；

用于装载并固定待加工硅棒的承载单元；

移动控制单元，用于控制所述线切割单元和/或所述承载单元移动，以使得所述线切割单元和所述承载单元相向移动以对硅棒进行切割。

第三方面，本发明实施例提供了一种用于制造硅片的方法，所述方法包括：

采用根据第三方面的线切割设备制造硅片，包括以下步骤：

通过承载单元装载并固定硅棒；

通过移动控制单元控制线切割单元和装载并固定有硅棒的承载单元相向运动以对硅棒进行切割；

对硅棒切割后得到的硅片进行清洗并进行检测。

第四方面，本发明实施例提供了一种硅片，所述硅片通过使用根据第二方面的线切割设备获得。

本发明实施例提供了线切割单元、设备、硅片及其制造方法；根据本发明实施例提供的技术方案，该线切割单元的线轴上设置有用于导引切割线的多个导引槽，由于相邻导引槽之间的间距根据所述切割线的形变沿着所述多个切割线段的排列方向按照设定的规律进行设置，因此可以补偿因切割线形变引起的切割所得的多个硅片之间的厚度差异，从而改善不同硅片的厚度一致性。

附图说明

图1为一种常规的线切割设备的示意图；

图2为另一种常规的线切割设备的示意图；

图3为常规线切割单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的线切割单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的切割单元的局部示意图；

图6为本发明的另一实施例提供的切割单元的局部示意图；

图7为本发明的又一实施例提供的切割单元的局部示意图；

图8为本发明实施例提供的线切割设备的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的用于制造硅片的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，其示出了一种常规的线切割设备1的示意图，可以理解地，图1所示结构仅用于进行原理性说明，并不表示本领域技术人员不会根据具体的实施状态在图1所示的组成结构上增加或减少组件，本发明实施例对此不做具体限制。由图1所示，线切割设备1可以包括线切割单元11和承载单元12；线切割单元11可以在一些示例中如图1所示置于承载单元12的竖直方向下方，也可以在一些示例中如图2所示置于承载单元12的竖直方向上方。具体而言，线切割单元11可以包括多个线轴111以及切割线112，切割线112缠绕于线轴111以形成由相互平行的切割线段构成的阵列；在图1中，线轴111的数量以2个为例进行说明，并且线轴111和切割线112朝向和远离承载单元12的往复运动方向如图1中的实线箭头所示，往复运动速度示例性地可以为10m/s至15m/s。承载单元12用于装载并固定待加工硅棒2，在图1所示的示例中，承载单元12可以包括基台121以及安装于基台121上的保持臂122，保持臂122可以沿待加工硅棒2的轴线方向夹持待加工硅棒2的两端以固定待加工硅棒2，当然，对于本领域人员，可以设想到的是，待加工硅棒2也可以以其他方式固定至保持臂，例如待加工硅棒可以通过其外周表面直接粘接至保持臂的下表面从而固定至保持臂。在图2所示的示例中，承载单元12除了可以包括前述示例中所述的基台121以及安装于基台121上的夹持臂122之外，还可以包括承载待加工硅棒2的底座123。

对于图1、2中所示的线切割设备1，可以通过移动线切割单元11或者承载单元12以使切割线112与待加工硅棒2之间沿竖直方向的相向运动，待切割线112与待加工硅棒2相互接触之后，利用切割线112沿其延伸方向的运动实现对待加工硅棒2的切割。在如图1所示的示例中，可以将线切割单元11沿黑色箭头所示方向移动，也可以将承载单元12沿虚线白色箭头方向移动，以实现切割线112与待加工硅棒2之间沿竖直方向的相向运动。在如图2所示的示例中，可以将承载单元12沿黑色箭头所示方向移动，也可以将线切割单元11沿虚线白色箭头方向移动，以实现切割线112与待加工硅棒2之间沿竖直方向的相向运动。需要说明的是，本发明实施例通过加装升降装置(图中未示出)以实现线切割单元11或者承载单元12的移动，可以理解地，本领域技术人员还可以根据实际需要及实施场景通过其他方式实现线切割单元11或者承载单元12的移动，本发明实施例对此不做赘述。

在常规方案中，线轴111上设置有用于导引切割线112的多个导引槽，导引槽以均匀的间隔彼此间隔开，也就是说相邻的导引槽之间的间距是一致的，切割线112依次缠绕在每个线轴111的每个导引槽使得切割线112形成为由多个切割线段组成的阵列，在该阵列中，各切割线段彼此平行以期将硅棒一次性切割成多个硅片。然而，实际上，在切割线携带切割液进行切割的过程中，无论是对于普通钢线还是对于结构线而言，切割线至少将承受与硅棒的摩擦作用力以及线轴对其的张紧力并且切割线也会在切割操作中被磨损，这些因素将导致切割线发生形变，例如，在切割过程中，如果切割线总体上沿单一方向被进给并且其他切割条件例如切割液状态、温度等一致的情况下，靠近其头部的切割线部段由于参与了更多的切割操作将具有大于靠近其尾部的切割线部段的变形程度，最终导致切割线总体上沿进给方向从头部至尾部逐渐变粗。针对存在形变的切割线，如果依然使其以等间距缠绕在线轴上将导致切割出的硅片的厚度的一致性较差。例如，参见图3，在常规的线切割单元中，晶棒长度为L，线轴需要开槽数量为N，硅片厚度为T，相邻的导引槽之间的间距为固定值D，切割线线径为d，如果随着切割线线径d的变化，例如d1＞d2＞d3＞d4，则导致硅片厚度T也发生变化：T1＜T2＜T3＜T4。应当指出的是，导引槽的横截面形状包括但不限于矩形、三角形等。

基于上述情况，本发明实施例期望提供一种线切割硅棒的方案，能够补偿因切割线形变引起的切割所得的多个硅片之间的厚度差异，从而改善不同硅片的厚度一致性。

基于此，参见图4，其示出了本发明实施提供的一种线切割单元11，所述线切割单元11包括：

切割线112；

彼此间隔开且平行地布置的至少两个线轴111，每个线轴111上设置有彼此平行且间隔开的多个导引槽113，所述切割线112依次缠绕在每个线轴111的每个导引槽113上以形成由横跨所述至少两个线轴111并且彼此平行的多个切割线段SE组成的阵列AR，所述阵列AR用于通过沿所述切割线112的延伸方向的运动将硅棒2一次性切割成多个硅片；

其中，所述多个导引槽113中的相邻导引槽之间的间距根据所述切割线112的形变沿着所述多个切割线段SE的排列方向Y按照设定的规律进行设置，使得切割出的所述多个硅片具有一致的厚度。

下面以图4至图6为示例进行说明，切割线段SE的排列方向Y是指从线轴111的第一端部111A至第二端部111B的方向，相邻的两个导引槽113的间距分别为D1、D2和D3，当切割线112缠绕在线轴111上时，切割线112的头部从线轴111的第一端部111A直接延伸出，而切割线112的尾部则从线轴111的第二端部111B直接延伸出，如在上文中论述的，在实际的切割操作中，切割线的形状和尺寸、特别是切割线在直径方向上的形状和尺寸并不是固定不变的，而是至少位于靠近第一端部111A的导引槽113中的切割线段SE的形变程度将与位于靠近第二端部111B的导引槽113中的切割线段SE的形变程度存在差异，为了补偿此差异，根据本发明实施例，间距D1、D2和D3并非如常规方案那样设置成彼此相等，而是根据所述切割线112的形变沿着所述多个切割线段SE的排列方向Y按照设定的规律进行设置，由此可以改变通过改变相邻的导引槽之间的间距来改变相邻的切割线段SE之间的距离，以补偿切割线形变，使得切割出的多个硅片具有一致的厚度，以一次性能够被切割出400个硅片的晶棒为例，采用常规的线切割单元，从同一硅棒一次性切割出的400个硅片的厚度差将大于10μm，而通过使用本发明实施例提供的线切割单元，400个硅片的厚度差则为4μm。

本发明实施例提供了一种线切割单元11；根据本发明实施例提供的技术方案，该线切割单元11的线轴111上设置有用于导引切割线112的多个导引槽113，由于相邻导引槽113之间的间距根据所述切割线112的形变沿着所述多个切割线段SE的排列方向Y按照设定的规律进行设置，因此可以补偿因切割线形变引起的切割所得的多个硅片之间的厚度差异，从而改善不同硅片的厚度一致性。

关于多个导引槽中的相邻导引槽之间的间距的确定，具体而言，参见图5，假设为了切割出N个硅片而设置了n个导引槽并且切割线依次缠绕在n个导引槽中形成n个切割线段SE，其中，目标硅片厚度为T，各个切割线段SE的直径按照排列顺序依次为d₁、d₂、d₃、d₄……，那么相邻的导引槽之间的间距D₁、D₂、D₃……为：D₁＝T+d₁、D₂＝T+d₂、D₃＝T+d₃……，由此可以确定，当需要切割出n个硅片时，相邻的导引槽之间的间距D_n＝T+d_n。

如果在切割过程中位于第n个导引槽中的切割线段SE相比于位于第1个导引槽中的切割线段SE的直径变化量为Δd_n，那么相邻的导引槽之间的间距D₁、D₂、D₃……可以进一步表示为：D1＝T+d₁-Δd₁、D2＝T+d₁-Δd₂、D3＝T+d₁-Δd₃……。

通过以上各式可以进一步确定，当切割出N个硅片需要设置n个导引槽时，所述相邻导引槽之间的间距通过式1获得：

D_n＝T+d₁-Δd_n (1)，

其中，D_n代表第n个导引槽与第n-1个导引槽之间的间距，T代表目标硅片厚度，d₁代表切割线的初始直径，Δd_n代表在切割过程中位于第n个导引槽中的切割线相比于位于第1个导引槽中的切割线的直径变化量。

通过式1可以看出，根据本发明的实施例，对导引槽之间间距的设置考虑到了切割线的直径变化量，以通过调整导引槽之间的间距来对该直径变化量进行补偿，由此才能使得在实际操作中相邻切割线段间的实际距离与目标硅片厚度保持一致，进而使得切割出的多个硅片具有一致的厚度。

关于在切割过程中位于第n个导引槽中的切割线相比于位于第1个导引槽中的切割线的所述直径变化量Δd_n可以通过式2获得：

其中，K为实测切割线磨损系数。

作为示例，经过试验测得，在同等条件下切割出大约350个硅片之后，对于钢线，形变系数大约为0.9879，对于结构线，形变系数大约为0.9847，那么对应的切割线磨损系数K则分别为，钢线：1-0.9879＝0.0121，结构线：1-0.9847＝0.0153，由此则可以计算出相邻导引槽之间的间距D_n。

如在上文中分析的，如果在切割操作中，其他切割条件不发生变化，例如切割液状态、切割温度等，那么切割线的形变的总体趋势为逐渐变细，针对此情况，优选地，所述多个导引槽中的相邻导引槽之间的间距设置成沿着所述多个切割线段的排列方向逐渐减小，由此各切割线段之间的间距也逐渐减小，从而对切割线的形变进行补偿，使得切割出的多个硅片具有一致的厚度。

在常规的实施例中，导引槽可以直接开设于线轴上，然而，在实际生产中，导引槽由于要与切割线直接接触而且要承受切割线以及切割液带来的磨损，在这种情况下，导引槽也很容易被磨损消耗，为了便于对磨损的导引槽进行更换，并且为了根据不同的生产需要能够方便地使用以不同间距间隔开的导引槽，优选地，参见图6，以具有三角形横截面的导引槽为例，所述线切割单元11包括本体114和以可拆卸的方式安装在所述本体114的外圆周上的导引部115，所述导引槽113设置在所述导引部115上，根据本发明的该实施例，如果导引槽113因受到磨损而无法继续使用，或者需要针对不同的应用需求调整导引槽113之间的间距，则只需要将当前的导引部115从本体114上拆下，将目标导引部115安装在本体114上即可，由此可以大幅降低材料成本，提高生产效率。

为了实现导引槽113的布置的灵活性，优选地，参见图7，所述导引部115包括并列安装在所述本体114上的多个导引单元1151，每个导引单元1151包括一个或更多个所述导引槽113并且每个导引单元1151能够独立于彼此在所述本体114上安装和拆卸，由此，可以根据实际生产状态或需求，对导引单元1151进行组合以获得具有所需的导引槽间距布置方案的导引部115。

第二方面，参见图8，本发明实施例还提供了一种线切割设备CD，所述线切割设备CD包括：

根据第一方面的线切割单元11；

用于装载并固定待加工硅棒的承载单元12；

移动控制单元13，用于控制所述线切割单元11和/或所述承载单元12移动，以使得所述线切割单元11和所述承载单元12相向移动以对硅棒进行切割。

第三方面，参见图9，本发明实施例还提供了一种用于制造硅片的方法，所述方法包括：

采用第二方面的线切割设备CD制造硅片，包括以下步骤：

S01：通过承载单元装载并固定硅棒；

S02：通过移动控制单元控制线切割单元和装载并固定有硅棒的承载单元相向运动以对硅棒进行切割；

S03：对硅棒切割后得到的硅片进行清洗并进行检测。

第四方面，本发明实施例还提供了一种硅片(图中未示出)，所述硅片通过使用根据第三方面的方法获得。

通过使用根据第三方面的方法获得的硅片相比于通过常规技术中生产的硅片的厚度具有更好的一致性，以一次性能够被切割出400个硅片的晶棒为例，采用常规的线切割单元，从同一硅棒一次性切割出的400个硅片的厚度差将大于10μm，而通过使用本发明实施例提供的线切割单元，400个硅片的厚度差则为4μm左右。厚度均一性得到改善的多个硅片在后续加工工序例如研磨、抛光工序中也能够得到更好的处理，特别是在多个硅片同时被处理的工序中，由此最终获得的硅片还具有更好的平坦度，例如通过本发明实施例提供的线切割设备切割出的硅片在经历了后续常规加工工序之后，平坦度可以达到500-1000nm。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种线切割单元，其特征在于，所述线切割单元包括：

切割线；

彼此间隔开且平行地布置的至少两个线轴，每个线轴上设置有彼此平行且间隔开的多个导引槽，所述切割线依次缠绕在每个线轴的每个导引槽上以形成由横跨所述至少两个线轴并且彼此平行的多个切割线段组成的阵列，所述阵列用于通过沿所述切割线的延伸方向的运动将硅棒一次性切割成多个硅片；

其中，所述多个导引槽中的相邻导引槽之间的间距根据所述切割线的形变沿着所述多个切割线段的排列方向按照设定的规律进行设置，使得切割出的所述多个硅片具有一致的厚度。

2.根据权利要求1所述的线切割单元，其特征在于，当切割出N个硅片需要设置n个导引槽时，所述相邻导引槽之间的间距通过式1获得：

D_n＝T+d₁-Δd_n (1)，

其中，D_n代表第n个导引槽与第n-1个导引槽之间的间距，T代表目标硅片厚度，d₁代表切割线的初始直径，Δd_n代表在切割过程中位于第n个导引槽中的切割线相比于位于第1个导引槽中的切割线的直径变化量。

3.根据权利要求2所述的线切割单元，其特征在于，代表在切割过程中位于第n个导引槽中的切割线相比于位于第1个导引槽中的切割线的所述直径变化量Δd_n通过式2获得：

其中，K为实测切割线磨损系数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的线切割单元，其特征在于，所述多个导引槽中的相邻导引槽之间的间距设置成沿着所述多个切割线段的排列方向逐渐减小。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的线切割单元，其特征在于，所述线轴包括本体和以可拆卸的方式安装在所述本体的外圆周上的导引部，所述导引槽设置在所述导引部上。

6.根据权利要求5所述的线切割单元，其特征在于，所述导引部包括并列安装在所述本体上的多个导引单元，每个导引单元包括一个或更多个所述导引槽，并且每个导引单元之间的间距是能够调节的。

7.根据权利要求6所述的线切割单元，其特征在于，每个导引单元能够独立于彼此在所述本体上安装和拆卸。

8.一种线切割设备，其特征在于，所述线切割设备包括：

根据权利要求1至7中的任一项所述的线切割单元；

用于装载并固定待加工硅棒的承载单元；

移动控制单元，用于控制所述线切割单元和/或所述承载单元移动，以使得所述线切割单元和所述承载单元相向移动以对硅棒进行切割。

9.一种用于制造硅片的方法，其特征在于，所述方法包括：

采用根据权利要求8所述的线切割设备制造硅片，包括以下步骤：

通过承载单元装载并固定硅棒；

通过移动控制单元控制线切割单元和装载并固定有硅棒的承载单元相向运动以对硅棒进行切割；

对硅棒切割后得到的硅片进行清洗并进行检测。

10.一种硅片，其特征在于，所述硅片通过使用根据权利要求8所述的线切割设备获得。

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