CN115648461A - 一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统及使用方法，属于金刚线切割12吋半导体晶棒领域，该喷淋系统包括对称设置在晶棒轴向两侧的喷淋装置，喷淋装置处于切割辊远离晶棒的一侧；晶棒的两侧对称设置有随其同步升降的冷却喷管，且两条冷却喷管朝向晶棒与工件板连接的树脂板喷洒冷却液。本发明能够解决切割时的散热问题的同时，有效减少了切割丝网的波动幅度，提升了切割后硅片的表面形貌参数，经检测，12吋硅片的合格率提升到98.7％。

Description

一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统及使用方法

技术领域

本发明涉及到12吋半导体硅晶棒的金刚线切割领域，具体的说是一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统及使用方法。

背景技术

半导体晶圆是芯片制造的衬底材料，而12吋半导体晶圆更是高端芯片的主材料，其制造过程是将多晶硅熔化后通过单晶炉拉制成高品质单晶硅棒，再将单晶硅棒经过截断、滚磨，加工成12吋直径的单晶硅锭，然后将单晶硅锭通过线切割分割成硅片，最后通过倒角、研磨、抛光等步骤，提高硅片表面平整度的一个过程。

目前行业内切割12吋半导体晶圆，普遍是通过一根缠绕在切割辊上的砂浆线，高速往返运动带动砂浆线上的砂浆颗粒，对晶棒研磨切割的一个过程，整个切割过程中砂浆线高速往返运动，晶棒缓慢下降到线网上，来达到把晶棒切割成硅片的目的。金刚线代替砂浆线的加工方式，在半导体晶圆切割上，均处于小批量研发阶段。

也有采用金刚线来代替砂浆线进行半导体晶圆切割的，金刚线切割主要是利用金刚线上的金刚石粉高速撞击晶棒达到切割成硅片的目的；12吋半导体晶圆金刚线切割相比砂浆线切割，具有以下优势：1)因为砂浆线切割产生的废砂浆处理越来越困难，不符合环保要求，而金刚线切割过程中使用的冷却液是纯水和少量金刚线切割液混合，顺应了环保的大趋势；2)切割成本降低40％以上；3)切割效率高，切割时间缩短30％以上；4)线损小，切片收率提升6％以上。

但是，金刚线切割12吋半导体晶圆时存在如下问题：不同于8吋和8吋以下的硅片，12吋半导体晶圆应用在高端芯片上，因此，对切割后硅片的表面形貌要求非常高，比如晶向、厚度均匀性、弯曲、翘曲等参数，这就要求在切割过程中金刚线的稳定性要好，散热要充分；而现有切割设备中的喷淋装置，一般都是处于晶棒两侧，朝向切割丝网喷洒冷却液，如图1所示，在实际中会导致线网的波动幅度大，造成切割后硅片表面形貌较差，当用于8吋及以下硅片切割时，并不会影响硅片的使用，但是在应用到12吋时，就会导致切割后的硅片表面形貌不合格。

发明内容

为了解决现有切割设备在切割12吋硅晶棒时由于冷却液喷洒到切割丝网上导致波动幅度大、切割的硅片表面形貌不合格的问题，本发明提供了一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统及使用方法，该喷淋系统能够解决切割时的散热问题的同时，有效减少了切割丝网的波动幅度，提升了切割后硅片的表面形貌参数，经检测，12吋硅片的合格率提升到98.7％。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，该喷淋系统包括对称设置在晶棒轴向两侧的喷淋装置，且这两组喷淋装置向金刚线切割线网表面喷洒冷却液，所述晶棒的两侧对称设置有随其同步升降的冷却喷管，且两条冷却喷管朝向晶棒与工件板连接的树脂板喷洒冷却液；所述喷淋装置处于切割辊远离晶棒的一侧。

作为上述金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统的一种优化方案，所述喷淋装置喷出的冷却液与金刚线切割线网的接触点处于金刚线切割线网与切割辊顶部脱离点外侧5-10mm处。

作为上述金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统的另一种优化方案，所述冷却喷管固定在工件板上，且具有条形喷液口，喷液口的两端与树脂板的两端平齐，沿冷却喷管的长度方向分布有若干进液管。

作为上述金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统的另一种优化方案，所述冷却喷管喷出的冷却液与水平方向呈10-30°的夹角。

作为上述金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统的另一种优化方案，所述喷淋装置包括具有注液管的密封箱体，密封箱体的底部通过若干连通孔与其一侧设有的溢流区连通，且溢流区的边缘通过向下倾斜的导引板将冷却液导流到金刚线切割线网上。

作为上述金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统的另一种优化方案，所述喷淋装置喷出的冷却液与金刚线切割线网之间形成30-60°的夹角。

上述喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法，包括如下步骤：

1)先打开喷淋装置，向金刚线切割线网表面喷洒冷却液，再启动金刚线切割线网和控制晶棒升降的进给机构，使晶棒在下降过程中逐渐与金刚线切割线网接触并被切割；

2)当金刚线切割线网切割进入晶棒的深度达到20mm时，启动冷却喷管，向晶棒顶部的树脂板喷洒冷却液，冷却液沿晶棒表面留下并进入到切割缝内；

3)当金刚线切割线网在晶棒内的切割深度距离树脂板底面20mm时，关闭冷却喷管，保持切割参数不变继续切割，直至切割完毕。

作为上述喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法的一种优化方案，所述步骤1)中，晶棒的下降速度为0.5mm/min，金刚线切割线网的线速度为1250m/min，喷淋装置喷洒冷却液的流速为60L/min。

作为上述喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法的另一种优化方案，所述步骤2)中，晶棒的下降速度为1.0mm/min，金刚线切割线网的线速度为1800m/min，喷淋装置喷洒冷却液的流速为90L/min，冷却喷管喷出冷却液的流速为60L/min。

作为上述喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法的另一种优化方案，所述步骤3)中，晶棒的下降速度为0.5mm/min，金刚线切割线网的线速度为1250m/min，喷淋装置喷洒冷却液的流速为60L/min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明通过将现有的两个喷淋装置的位置进行调整，将其喷出的冷却液与金刚线切割线网的接触点从两个切割辊之间的区域转移到切割辊之外的位置，这样冷却液在附着到切割线网上后，先经过切割辊的稳定之后，再对晶棒进行切割，从而消除了切割丝网因为与冷却液接触产生的振动；同时，为了防止因为切割温度提升导致的硅片形貌变化及弯翘曲超标，额外增加了两组冷却喷管，冷却喷管将冷却液喷出到树脂板上，之后再顺着晶棒表面流入到切割的狭缝中，对晶棒内部切割位置进行冷却，有效地防止了切割过程中因为局部温度升高导致的硅片形貌和弯翘曲超标；另外，由于12吋硅片尺寸较大，在切割后期很容易发生相邻两片硅片已切割区域的吸合，增大切割阻力，而增设两组冷却喷管后，冷却液流入到切割产生的狭缝内并沿硅片表面流下，有效地避免了吸合的产生，减小了切割阻力，而且还能够使切割产生的片缝更加均匀，有利于切割厚度、弯翘曲参数以及TTV(TTV是指硅单晶片在厚度测量值中的最大厚度与最小厚度的差值，也称硅片的总厚度变化)参数的控制；

2)本发明的喷淋系统在切割时，采用独特的参数控制，并且在晶棒切割的前20mm，冷却喷管处于关闭状态，此时，切割线网只通过喷淋装置进行冷却，从而有效的避免了切割线网的振动，待线网进入晶棒内部20mm，此时切割状态相对稳定，再打开冷却喷管，对片缝内进行冷却，当切割至最后的20mm，此时，切割线网距离冷却喷管喷出的冷却液的喷出点(即冷却液与树脂板的接触区)已经十分接近，为了防止冷却喷管的冷却液与金刚线上带动的冷却液相冲突，影响切割后硅片的表面形貌，需要关闭冷却喷管；利用这种切割方法，能够有效的减少两组不同位置的冷却液对切割过程中硅片表面形貌的影响。

附图说明

图1为本发明改进前的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为冷却喷管的安装位置示意图；

图4为冷却喷管的结构示意图；

图5为冷却喷管的立体结构示意图；

图6为对照例2的设备改造示意图；

附图标记：1、喷淋装置，101、密封箱体，102、溢流区，103、导引板，104、注液管，2、冷却喷管，201、封闭管体，202、喷液口，203、进液管，204、连接组件，3、晶棒，301、树脂板，302、工件板，303、进给机构，4、金刚线切割线网，5、切割辊。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述，本发明以下各实施例中未详细记载和公开的部分，均应理解为本领域技术人员所知晓或应当知晓的现有技术，比如切割设备的结构、切割辊5与金刚线切割线网4的组装、进给机构303控制晶棒3的升降以及喷淋装置1和冷却喷管2中冷却液的供给等。

实施例1

一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，如图2所示，切割辊5一般为对称的两个，在两个的下方具有一个导向辊，形成三角形分布，最终组成了一个三角形的辊组，一根金刚线在辊组上多次缠绕，形成三角形的金刚线切割线网4；三角形的金刚线切割线网4具有一个处于最上方的水平面，该水平面由多根相互平行的金刚线切割丝构成，形成切割区；切割设备的进给机构303与工件板302固定连接，工件板302则与晶棒3顶部粘接的树脂板301固定，从而将晶棒3固定在进给机构303的底部，并随进给机构303升降，在下降的过程中逐渐与金刚线切割线网4的切割区接触，进而逐渐被切割形成多片硅片；该喷淋系统包括对称设置在晶棒3轴向两侧的喷淋装置1，且这两组喷淋装置1向金刚线切割线网4表面喷洒冷却液，喷淋装置1为现有切割设备自带的喷淋装置，将其位置进行调整，从而使喷淋装置1处于切割辊5远离晶棒3的一侧；所述晶棒3的两侧对称设置有随其同步升降的冷却喷管2，如图3所示，且两条冷却喷管2朝向晶棒3与工件板302连接的树脂板301喷洒冷却液。

以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定，从而得到以下各实施例：

实施例2

本实施例是在实施例1基础上对喷淋装置1所做的限定，其主体结构与实施例1相同，限定的内容为：所述喷淋装置1喷出的冷却液与金刚线切割线网4的接触点处于金刚线切割线网4与切割辊5顶部脱离点外侧5-10mm处；在实际中，冷却液的附着点处于切割辊5的外侧表面，所谓的外侧是指，远离切割区的位置，此时，金刚线切割线网4与切割辊5同时粘附冷却液，但由于金刚线缠绕在切割辊5上，从而消除了因为冷却液冲刷产生的拨动；

所述喷淋装置1喷出的冷却液与金刚线切割线网4之间形成30-60°的夹角。

本实施例所用的喷淋装置1一般采用切割设备自带的喷淋组件，但是由于其喷淋组件位置固定，因此，可以将其拆除之后，选用下述的喷淋装置1；

如图5所示，如图2所示，所述喷淋装置1包括具有注液管104的密封箱体101，注液管104用于将冷却液注入到密封箱体101内，密封箱体101的底部通过若干连通孔与其一侧设有的溢流区102连通，溢流区102实际上是一块水平板，水平板的两端与金刚线切割线网4的宽度方向两端平齐，水平板与密封箱体101底部连接处形成狭缝，冷却液通过狭缝均匀分布到水平板上，溢流区102的边缘通过向下倾斜的导引板103将冷却液导流到金刚线切割线网4上，导引板103的两端与水平板平齐。

实施例3

本实施例是在实施例1基础上对冷却喷管2所做的限定，其主体结构与实施例1相同，限定的内容为：如图4所示，所述冷却喷管2固定在工件板302上，且具有条形喷液口202，喷液口202的两端与树脂板301的两端平齐，冷却喷管2喷出的冷却液与水平方向呈10-30°的夹角；沿冷却喷管2的长度方向分布有若干进液管203，一般为两到三根进液管203，从而实现了均匀进液；通过进液管203向冷却喷管2的封闭管体201内注入冷却液。

在本实施例中，冷却喷管2一般是通过连接组件204固定的，如图4所示，连接组件204实际上是两块连接板，一块连接板通过螺栓固定连接在进给机构303上，另一块连接板则通过螺栓固定连接在工件板302上。

实施例4

实施例1-3中的喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法，包括如下步骤：

1)先打开喷淋装置1，向金刚线切割线网4表面喷洒冷却液，再启动金刚线切割线网4和控制晶棒3升降的进给机构303，使晶棒3在下降过程中逐渐与金刚线切割线网4接触并被切割；

在该步骤中，晶棒3的下降速度为0.5mm/min，金刚线切割线网4的线速度为1250m/min，喷淋装置1喷洒冷却液的流速为60L/min；

2)当金刚线切割线网4切割进入晶棒3的深度达到20mm时，启动冷却喷管2，向晶棒3顶部的树脂板301喷洒冷却液，冷却液沿晶棒3表面留下并进入到切割缝内；

在该步骤中，晶棒3的下降速度为1.0mm/min，金刚线切割线网4的线速度为1800m/min，喷淋装置1喷洒冷却液的流速为90L/min，冷却喷管2喷出冷却液的流速为60L/min。

3)当金刚线切割线网4在晶棒3内的切割深度距离树脂板301底面20mm时，关闭冷却喷管2，保持切割参数不变继续切割，直至切割完毕；

在该步骤中，晶棒3的下降速度为0.5mm/min，金刚线切割线网4的线速度为1250m/min，喷淋装置1喷洒冷却液的流速为60L/min。

对比实验

为了验证本发明在切割12吋半导体晶棒时的效果，做如下对比实验：

实验例：采用以实施例1改造后的切割设备，按照实施例4的工艺对12吋硅晶棒进行切割；

对照例1：采用现有的未改造切割设备(如图1所示)，按照实施例4的工艺对12吋硅晶棒进行切割；此时，由于不具备冷却喷管2，因此，步骤2)中仍按照原本的工艺参数切割，只不过没有冷却喷管2喷出的冷却液冷却；

对照例2：将对照例1的设备进行半改造，之后按照对照例1的方法对12吋硅晶棒进行切割；所谓的半改造是指，如图6所示，将图1中的喷淋装置1的位置从切割辊5的内侧，变化为切割辊5的外侧，与实验例中喷淋装置1的位置相同，但是仍然不具备冷却喷管2；

以同样的外貌形态参数为指标，分别以实验例、对照例1和对照例2的方法各切割200片硅片，经过检测后，实验例的合格率为98.7％，对照例1的合格率为88.6％，对照例2的合格率为92.3％，由此可以看出，本发明的方法，能够大幅度提高12吋硅晶棒切割时的合格率。

Claims (10)

1.一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，该喷淋系统包括对称设置在晶棒(3)轴向两侧的喷淋装置(1)，且这两组喷淋装置(1)向金刚线切割线网(4)表面喷洒冷却液，其特征在于：所述晶棒(3)的两侧对称设置有随其同步升降的冷却喷管(2)，且两条冷却喷管(2)朝向晶棒(3)与工件板(302)连接的树脂板(301)喷洒冷却液；所述喷淋装置(1)处于切割辊(5)远离晶棒(3)的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，其特征在于：所述喷淋装置(1)喷出的冷却液与金刚线切割线网(4)的接触点处于金刚线切割线网(4)与切割辊(5)顶部脱离点外侧5-10mm处。

3.根据权利要求1所述的一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，其特征在于：所述冷却喷管(2)固定在工件板(302)上，且具有条形喷液口(202)，喷液口(202)的两端与树脂板(301)的两端平齐，沿冷却喷管(2)的长度方向分布有若干进液管(203)。

4.根据权利要求1所述的一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，其特征在于：所述冷却喷管(2)喷出的冷却液与水平方向呈10-30°的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，其特征在于：所述喷淋装置(1)包括具有注液管(104)的密封箱体(101)，密封箱体(101)的底部通过若干连通孔与其一侧设有的溢流区(102)连通，且溢流区(102)的边缘通过向下倾斜的导引板(103)将冷却液导流到金刚线切割线网(4)上。

6.根据权利要求1所述的一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统，其特征在于：所述喷淋装置(1)喷出的冷却液与金刚线切割线网(4)之间形成30-60°的夹角。

7.上述权利要求1-6中任意一项的喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)先打开喷淋装置(1)，向金刚线切割线网(4)表面喷洒冷却液，再启动金刚线切割线网(4)和控制晶棒(3)升降的进给机构(303)，使晶棒(3)在下降过程中逐渐与金刚线切割线网(4)接触并被切割；

2)当金刚线切割线网(4)切割进入晶棒(3)的深度达到20mm时，启动冷却喷管(2)，向晶棒(3)顶部的树脂板(301)喷洒冷却液，冷却液沿晶棒(3)表面留下并进入到切割缝内；

3)当金刚线切割线网(4)在晶棒(3)内的切割深度距离树脂板(301)底面20mm时，关闭冷却喷管(2)，保持切割参数不变继续切割，直至切割完毕。

8.根据权利要求7所述的喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法，其特征在于：所述步骤1)中，晶棒(3)的下降速度为0.5mm/min，金刚线切割线网(4)的线速度为1250m/min，喷淋装置(1)喷洒冷却液的流速为60L/min。

9.根据权利要求7所述的喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法，其特征在于：所述步骤2)中，晶棒(3)的下降速度为1.0mm/min，金刚线切割线网(4)的线速度为1800m/min，喷淋装置(1)喷洒冷却液的流速为90L/min，冷却喷管(2)喷出冷却液的流速为60L/min。

10.根据权利要求7所述的喷淋系统在金刚线切割12吋半导体硅晶棒的使用方法，其特征在于：所述步骤3)中，晶棒(3)的下降速度为0.5mm/min，金刚线切割线网(4)的线速度为1250m/min，喷淋装置(1)喷洒冷却液的流速为60L/min。

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