CN115958709A - 碳化硅晶片的多线切割方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种碳化硅晶片的多线切割方法，碳化硅晶棒无需粘接为较长的晶棒进行切割，这可以避免多个碳化硅晶棒粘接时产生的较大误差，能够保证切割后晶片具有较好的晶向参数，此外，减少了晶棒的拼接缝隙，也可以减少钢线往复切割时，张力传递在线网内发生弛豫的现象，有利于改善切割后晶片的面型；在单次切割过程中，无需将钢线布满整个罗拉，因此未处在切割区域的线槽不会受到磨损，可以在下一次切割时使用，如此极大地提高了罗拉的使用率，减少了罗拉的浪费，有利于降低碳化硅晶片的制造成本；由于一套罗拉可以进行多次切割，因此不需要每次切割前都进行更换，有利于提高加工效率，减少人员工作量。

Description

碳化硅晶片的多线切割方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及碳化硅晶片的多线切割方法。
背景技术
多线切割方法是金属钢线通过导轮组的换向在罗拉组的线槽上形成一张线网，切割过程中钢线高速往复在绕线轮罗拉上运转，砂浆喷管持续在晶棒两侧的线网上供给金刚石切割液，依靠工作台的上升或下降，将半导体硅、SiC、蓝宝石等硬脆材料一次同时切割为数片的加工方法。目前数控多线切割机凭借其极高的生产效率和出片率已经成为半导体材料的主要切割方式。
目前多线切割碳化硅晶片的流程为：
(1)将罗拉安装在多线切割机上，多线切割机一般包括收放线轮单元、张力单元、绕线导向轮单元、工作台进给单元、金刚石切削液供给单元、切削液冷却单元、摇摆单元以及主轴罗拉单元；
(2)将钢线从放线轮处引出，依次经过导线轮绕至罗拉第一槽，并布满罗拉上的所有槽，再经过收线侧导线轮，最后绕至收线轮上完成布线；
(3)将待切的拼接后的晶棒安装至工作台上进行锁死；
(4)根据所需SiC切割片的厚度对应的罗拉槽距和钢线直径，设置供线速度、线速度、收放线张力、工作台进给速度、砂浆温度等工艺参数；
(5)启动多线切割机，收放线单元、张力单元、工作台进给单元、金刚石切削液供给单元、切削液冷却单元开始按预设工艺参数运行直到工艺结束，晶棒被切割成薄晶片。
由于钢线在两侧张力单元张紧线网的状态下往复在罗拉上运动，因此罗拉使用1次或2次后切割槽的槽型和槽角会严重磨损导致切割面型变差，或者容易引起钢线断线造成晶体损失。
此外，受限于长晶水平，碳化硅成品晶棒的长度一般小于30mm，而现有的多线切割机适用的料板长度大多已经发展为500～800mm左右。为了提高生产效率，节约成本，一个板料上粘接多个晶棒同时进行切割已经成为一种行业发展的必须，定向粘接是目前较为常规的一种拼接方式，定向粘接工序的好坏决定着晶片的晶向参数，因此粘接的误差应当严格控制。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种碳化硅晶片的多线切割方法，有利于改善碳化硅切割片的面型。
为实现以上目的，本申请提供一种碳化硅晶片的多线切割方法，其特征在于，包括至少两次切割步骤，其中第一次切割步骤S1包括：
S100，提供长度为A的第一待切割晶棒，将所述第一待切割晶棒粘接在粘料晶托的一端；
S101，将长度为B的罗拉安装在多线切割机上，A＜0.5×B，将进线侧导轮上的钢线从所述罗拉的第一个槽缠绕至第N个槽，然后绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线，所述第一个槽至所述第N个槽的长度B1为A的1～1.2倍；
S102，将所述第一待切割晶棒安装至所述多线切割机的工作台，调整所述第一待切割晶棒的位置，使得所述第一待切割晶棒的垂直投影全部位于已布钢线区域内；
S103，启动所述多线切割机对所述第一待切割晶棒进行切割；
第二次切割步骤S2包括：
S200，提供长度为C的第二待切割晶棒，C＜(B-B1)，将所述第二待切割晶棒粘接在所述粘料晶托上，所述第二待切割晶棒的粘接位置相对于所述第一待切割晶棒的粘接位置平移的长度为B1；
S201，清除上次切割时所述罗拉上的钢线，并移动所述进线侧导轮和所述收线侧导轮与所述罗拉未经布线的线槽对应，将所述进线侧导轮上的所述钢线从所述罗拉的第N+a个槽缠绕至第N+b个槽，1≤a＜b，然后绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线，第N+a个槽至第N+b个槽的长度B2为C的1～1.2倍；
S202，将所述第二待切割晶棒安装至所述多线切割机的工作台，调整所述所述第二待切割晶棒的位置，使得所述第二待切割晶棒的垂直投影全部位于已布钢线区域内；
S203，启动所述多线切割机对所述第二待切割晶棒进行切割；
后续切割步骤同所述步骤S2，直到所述罗拉的开槽区域使用完，或者未被使用的所述罗拉的长度小于待切割晶棒的长度。
进一步地，各步骤中的所述待切割晶棒的长度相等。
进一步地，所述待切割晶棒的长度为40mm～70mm，所述罗拉的长度不小于300mm。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
(1)碳化硅晶棒无需粘接为较长的晶棒进行切割，这可以避免多个碳化硅晶棒粘接时产生的较大误差，能够保证切割后晶片具有较好的晶向参数，此外，减少了晶棒的拼接 缝隙，也可以减少钢线往复切割时，张力传递在线网内发生弛豫的现象，有利于提高切割后晶片的面型；
(2)在单次切割过程中，无需将钢线布满整个罗拉，因此未处在切割区域的线槽不会受到磨损，可以在下一次切割时使用，如此极大地提高了罗拉的使用率，减少了罗拉的浪费，有利于降低碳化硅晶片的制造成本；
(3)由于一套罗拉可以进行多次切割，因此不需要每次切割前都进行更换，有利于提高加工效率，减少人员工作量；
(4)晶棒的每一次切割过程均使用未被磨损的罗拉线槽，能够有效地保证切割后晶片具有良好的面型。
附图说明
图1为第一待切割晶棒粘接在晶托上的示意图；
图2为本申请的多线切割方法中，第一次切割的示意图；
图3为第二待切割晶棒粘接在晶托上的示意图；
图4为本申请的多线切割方法中，第二次切割的示意图；
图5为本申请的多线切割系统的简化示意图；
图中：100、待切割晶棒；101、第一待切割晶棒；102、第二待切割晶棒；200、罗拉；301、进线侧导轮；302、收线侧导轮；4、钢线；6、砂浆喷管；7、砂浆缸；8、粘料晶托。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请提供一种碳化硅晶片的多线切割方法，包括至少两次切割步骤，其中第一次切割步骤S1包括：
S100，如图1所示，提供长度为A的第一待切割晶棒101，将第一待切割晶棒101粘接在粘料晶托8的一端；
S101，如图2所示，将长度为B的罗拉200安装在多线切割机上，A＜0.5×B，将进线侧导轮301上的钢线4从罗拉200的第一个槽缠绕至第N个槽，然后绕至收线侧导轮302，最后绕至收线轮(图中未示出)完成布线，第一个槽至第N个槽的长度B1为A的1～1.2倍；
S102，将第一待切割晶棒101安装至多线切割机的工作台(图中未示出)，调整第一待切割晶棒101的位置，使得第一待切割晶棒101的垂直投影全部位于已布钢线区域内；
S103，启动多线切割机对第一待切割晶棒101进行切割；
第二次切割步骤S2包括：
S200，如图3所示，提供长度为C的第二待切割晶棒102，C＜(B-B1)，将所述第二待切割晶棒粘接在粘料晶托8上，第二待切割晶棒102的粘接位置相对于第一待切割晶棒101的粘接位置平移的长度为B1；
S201，如图4所示，清除上次切割时罗拉200上的钢线4，并移动进线侧导轮301和收线侧导轮302与罗拉200未经布线的线槽对应，将进线侧导轮301上钢线4从罗拉200的第N+a个槽缠绕至第N+b个槽，1≤a＜b，然后绕至收线侧导轮302，最后绕至收线轮完成布线，第N+a个槽至第N+b个槽的长度B2为C的1～1.2倍；
S202，将第二待切割晶棒102安装至多线切割机的工作台(图中未示出)，调整第二待切割晶棒102的位置，使得第二待切割晶棒102的垂直投影全部位于已布钢线区域内；
S203，启动多线切割机对第二待切割晶棒102进行切割；
后续切割步骤同第二次切割步骤，直到罗拉200的开槽区域使用完，或者未被使用的罗拉200的长度小于待切割晶棒的长度。
优选地，各步骤中每次待切割晶棒的长度相等，也即，前述步骤S100和S200中的A＝C。
进一步地，待切割晶棒的长度为40mm～70mm，罗拉200的长度不小于300mm。
采用本申请提供的切割方法进行碳化硅晶棒切割有以下有益效果：
(1)碳化硅晶棒无需粘接为较长的晶棒进行切割，这可以避免多个碳化硅晶棒粘接时产生的较大误差，能够保证切割后晶片具有较好的晶向参数，此外，减少了晶棒的拼接缝隙，也可以减少钢线往复切割时，张力传递在线网内发生弛豫的现象，有利于提高切割后晶片的面型；
(2)在单次切割过程中，无需将钢线布满整个罗拉，因此未处在切割区域的线槽不会受到磨损，可以在下一次切割时使用，如此极大地提高了罗拉的使用率，减少了罗拉的浪费，有利于降低碳化硅晶片的制造成本；
(3)由于一套罗拉可以进行多次切割，因此不需要每次切割前都进行更换，有利于提高加工效率，减少人员工作量；
(4)晶棒的每一次切割过程均使用未被磨损的罗拉线槽，能够有效地保证切割后晶片具有良好的面型。
值得一提的，考虑到加工效率与加工质量的平衡，优选待切割晶棒100由尽可能少的碳化硅晶棒拼接形成，这样可以保证在较小的拼接误差下提高切割质量。目前，碳化硅晶棒长度普遍在12-20mm左右，经过一次拼接后，待切割晶棒的长度大约为40-60mm左右。进口或国产多线切割设备的罗拉长度一般长度都在300mm以上，以待切割晶棒长度为60mm为例，一套罗拉可以对至少5组待切割晶棒进行切割，能够有效减少罗拉的使用数量以及更换罗拉的次数。
值得一提的是，本申请对多线切割机中使用的罗拉可以是两辊或三辊。
本申请的多线切割方法中，上一次切割完成后，需要移动进线侧导轮301和收线侧导轮302的位置，以使得缠绕在罗拉200上的钢线4保持合适的切割宽度。优选地，本申请的多线切割系统具有精度较高的位移控制装置，能够精确、快速地控制进线侧导轮301和收线侧导轮302的位置。
优选地，位移控制装置可以为自动化控制装置，进线侧导轮支架和收线侧导轮支架分别与驱动机构连接，用户可以直接输入需要移动的距离，位移控制装置控制驱动机构驱动进线侧导轮支架和收线侧导轮支架移动固定的距离，以确保再次布线时钢线能够良好地缠绕在预定的位置。
如图5所示，多线切割系统还包括砂浆缸7以及砂浆喷管6，在切割过程中，砂浆喷管将切割所需的金刚石切割液均匀喷在线网4上。优选地，砂浆喷管6也设置为可移动，且砂浆喷管6的移动与进线侧导轮301和收线侧导轮302的移动一致。优选地，砂浆喷管6与驱动机构连接，位移控制装置可根据进线侧导轮301和收线侧导轮302的移动距离驱动砂浆喷管6移动至相应的位置。
【实施例1】
(1)将长度为400mm的一组罗拉安装在多线切割机上，进线侧导轮上的钢线从罗拉的第一个槽开始缠绕，直至缠绕钢线部分的长度达到60mm，然后将钢线绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线；将长度约60mm的第一待切割晶棒安装在多线切割机的工作台上，调整工作台位置使得第一待切割晶棒与缠绕的钢线相对，然后启动多线切割机对第一待切割晶棒进行切割，获得多个第一切割片。切割完成后，拆下钢线。测试各第一切割片的TTV(总厚度变化值)小于5μm、Warp(翘曲度)小于10μm、Bow(弯曲度)小于10μm。
(2)移动进线侧导轮支架和收线侧导轮支架至罗拉未经绕线的区域，进线侧导轮上的钢线从罗拉的未经使用的线槽开始缠绕，直至缠绕钢线部分的长度达到60mm，然后将钢线绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线；将长度约60mm的第二待切割晶棒安装在多线切割机的工作台上，调整工作台位置使得第二待切割晶棒与缠绕的钢线相对，然后启动多线切割机对第二待切割晶棒进行切割，获得多个第二切割片。切割完成后，拆下钢线。测试各第二切割片的TTV小于5μm、Warp小于12μm、Bow小于8μm。
(3)参考上述步骤(2)对长度约60mm第三待切割晶棒(由两个碳化硅晶棒拼接形成)进行切割，获得多个第三切割片。测试各第三切割片的TTV小于4μm、Warp小于9μm、Bow小于8μm。
(4)参考上述步骤(2)对长度约60mm第四待切割晶棒(由两个碳化硅晶棒拼接形成)进行切割，获得多个第四切割片。测试各第四切割片的TTV小于6μm、Warp小于13μm、Bow小于7μm。
(5)参考上述步骤(2)对长度约60mm第五待切割晶棒(由两个碳化硅晶棒拼接形成)进行切割，获得多个第五切割片。测试各第五切割片的TTV小于5μm、Warp小于12μm、Bow小于9μm。
(6)参考上述步骤(2)对长度约60mm第六待切割晶棒(由两个碳化硅晶棒拼接形成)进行切割，获得多个第六切割片。测试各第六切割片的TTV小于5μm、Warp小于12μm、Bow小于5μm。
在实施例1中，使用同一组罗拉进行了6次切割，切割后的切割片面型参数基本都保持一致。
【实施例2】
(1)将长度为400mm的一组罗拉安装在多线切割机上，进线侧导轮上的钢线从罗拉的第一个槽开始缠绕，直至缠绕钢线部分的长度达到90mm，然后将钢线绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线；将长度约90mm的第一待切割晶棒安装在多线切割机的工作台上，调整工作台位置使得第一待切割晶棒与缠绕的钢线相对，然后启动多线切割机对第一待切割晶棒进行切割，获得多个第一切割片。切割完成后，拆下钢线。测试各第一切割片的TTV小于9μm、Warp小于15μm、Bow小于9μm。
(2)移动进线侧导轮支架和收线侧导轮支架至罗拉未经绕线的区域，进线侧导轮上的钢线从罗拉的未经使用的线槽开始缠绕，直至缠绕钢线部分的长度达到90mm，然后将钢线绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线；将长度约90mm的第二待切割晶棒安装在多线切割机的工作台上，调整工作台位置使得第二待切割晶棒与缠绕的钢线相对，然后启动多线切割机对第二待切割晶棒进行切割，获得多个第二切割片。切割完成后，拆下钢线。测试各第二切割片的TTV小于8μm、Warp小于13μm、Bow小于8μm。
对比实施例2与实施例1的切割片，可以发现，待切割晶棒的长度增加不利于改善切割片的面型。
【对比例1】
(1)将长度为400mm的一组罗拉安装在多线切割机上，进线侧导轮上的钢线从罗拉的第一个槽开始缠绕，并布满罗拉上的所有线槽，然后将钢线绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线；将长度约60mm的第一待切割晶棒安装在多线切割机的工作台上，调整工作台位置使得第一待切割晶棒与缠绕的钢线相对，然后启动多线切割机对第一待切割晶棒进行切割，获得多个第一切割片。切割完成后，不拆下钢线。测试各第一切割片的TTV(总厚度变化值)小于11μm、Warp(翘曲度)小于20μm、Bow(弯曲度)小于15μm。
(2)将长度约60mm的第二待切割晶棒安装在多线切割机的工作台上，然后启动多线切割机对第二待切割晶棒进行切割，获得多个第二切割片。测试各第二切割片的TTV(总厚度变化值)小于15μm、Warp(翘曲度)小于25μm、Bow(弯曲度)小于18μm。
实施例1切割片的面型优于对比例1第一次切割片的面型，说明将钢线布满整个罗拉进行切割不利于提高切割片的面型，这应该与钢线布满罗拉时，张力传递的损失更多有关。
对比例1的第二次切割片的面型质量较第一次切割片的面型质量显著下降，可见钢线布置在有一定磨损的线槽内，对切割片的面型有显著的影响。
【对比例2】
将长度为400mm的一组罗拉安装在多线切割机上，进线侧导轮上的钢线从罗拉的第一个槽开始缠绕，并布满罗拉上的所有线槽，然后将钢线绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线；将长度约120mm的第一待切割晶棒安装在多线切割机的工作台上，调整工作台位置使得第一待切割晶棒与缠绕的钢线相对，然后启动多线切割机对第一待切割晶棒进行切割，获得多个第一切割片。切割完成后，不拆下钢线。测试各第一切割片的TTV(总厚度变化值)小于19μm、Warp(翘曲度)小于25μm、Bow(弯曲度)小于20μm。
较多碳化硅晶棒拼接得到的更长的待切割晶棒进行多线切割时，由于拼接误差以及拼接缝隙的影响，其切割片的面型质量更差。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种碳化硅晶片的多线切割方法，其特征在于，包括至少两次切割步骤，其中第一次切割步骤S1包括：
S100，提供长度为A的第一待切割晶棒，将所述第一待切割晶棒粘接在粘料晶托的一端；
S101，将长度为B的罗拉安装在多线切割机上，A＜0.5×B，将进线侧导轮上的钢线从所述罗拉的第一个槽缠绕至第N个槽，然后绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线，所述第一个槽至所述第N个槽的长度B1为A的1～1.2倍；
S102，将所述第一待切割晶棒安装至所述多线切割机的工作台，调整所述第一待切割晶棒的位置，使得所述第一待切割晶棒的垂直投影全部位于已布钢线区域内；
S103，启动所述多线切割机对所述第一待切割晶棒进行切割；
第二次切割步骤S2包括：
S200，提供长度为C的第二待切割晶棒，C＜(B-B1)，将所述第二待切割晶棒粘接在所述粘料晶托上，所述第二待切割晶棒的粘接位置相对于所述第一待切割晶棒的粘接位置平移的长度为B1；
S201，清除上次切割时所述罗拉上的钢线，并移动所述进线侧导轮和所述收线侧导轮与所述罗拉未经布线的线槽对应，将所述进线侧导轮上的所述钢线从所述罗拉的第N+a个槽缠绕至第N+b个槽，1≤a＜b，然后绕至收线侧导轮，最后绕至收线轮完成布线，第N+a个槽至第N+b个槽的长度B2为C的1～1.2倍；
S202，将所述第二待切割晶棒安装至所述多线切割机的工作台，调整所述所述第二待切割晶棒的位置，使得所述第二待切割晶棒的垂直投影全部位于已布钢线区域内；
S203，启动所述多线切割机对所述第二待切割晶棒进行切割；
后续切割步骤同所述步骤S2，直到所述罗拉的开槽区域使用完，或者未被使用的所述罗拉的长度小于待切割晶棒的长度。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的多线切割方法，其特征在于，各步骤中的所述待切割晶棒的长度相等。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的多线切割方法，其特征在于，所述待切割晶棒的长度为40mm～70mm，所述罗拉的长度不小于300mm。
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