CN116300762A - 基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法及晶体棒过程控制切割方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法及晶体棒过程控制切割方法，属于晶体切割技术领域。该构建方法采集多个单片的面型数据、温场数据以及加工数据构成第一数据集合；并以面型数据作为条件，从第一数据集合中筛选单个切割晶片的期待温场数据，并构建单个切割晶片的参考加工数据；从而形成基于期待温场数据与待产出切割晶片的实时监测温场数据的比对，来分析和预判待产出切割晶片面型情况，并基于参考加工数据作为加工数据调整参照的过程控制模型。该过程控制模型能够建立切割晶片面型与温场、加工数据之间的模型关系，可实时反馈切割过程的加工状态，有效溯源，提高加工效率和良品率。

Description

基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法及晶体棒过程 控制切割方法

技术领域

本申请涉及一种基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法及晶体棒过程控制切割方法，属于晶体切割技术领域。

背景技术

切割技术因其所切晶片具有小的总厚度变化、弯曲度和翘曲度及浅的表面损伤层，在半导体加工领域中具备广泛地应用，尤其是用于硅、陶瓷、碳化硅等硬脆材料的切割。

但目前的切割技术仍存在如下问题：一是因碳化硅(莫氏硬度9.5级)、蓝宝石(9级)等材料硬度较高，仅次于金刚石，因此其线切割加工周期较长，整个加工过程无法实时监测，一旦产品因加工出现质量问题，整个加工批次的产品都不合格，将导致加工效率低、产品良率可控性差；二是当产品检验发现问题时，无法有效溯源，更无法尽快阻止后续加工出现同样问题；三是晶片的加工周期长，加工状态无法实时反馈，从而影响工艺控制能力和效果。上述问题导致晶片的切割过程仍属于盲性切割，切割后晶片质量差且质量不均一，影响后续的加工过程，因此缺乏一种能够对晶片的切割过程进行实时反馈和工艺调整的过程控制模型及切割方法。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法及晶体棒过程控制切割方法，该过程控制模型能够将切割晶片的面型数据、温场数据及加工数据结合起来，从而建立面型与温场、加工之间的模型关系，可实时反馈切割过程的加工状态，有效溯源，提高加工效率和良品率。

根据本申请的一个方面，提供了一种基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法，所述方法包括以下步骤：

S1、对于预定规格的晶体棒切割工艺，采集多个单片数据对构成第一数据集合，其中，所述多个单片数据对中的每个单片数据对与单个切割晶片一一对应，且包括该单个切割晶片的面型数据、温场数据以及加工数据；

S2、以单片数据对中的面型数据落入预设的期望面型数据范围作为条件，从所述第一数据集合中筛选出第二数据集合，以该第二数据集合的温场数据作为单个切割晶片的期待温场数据，以该第二数据集合的加工数据构建单个切割晶片的参考加工数据范围；

S3、形成基于所述期待温场数据与待产出切割晶片的实时监测温场数据的比对，来分析和预判待产出切割晶片面型情况，并基于所述参考加工数据作为加工数据调整参照的过程控制模型。

现有切割工艺的调整方法是需要切割完成后，再经过对切割晶片最终检测才能得到相应的面型结果，因此对切割晶片的工艺调整效率低、耗时长、良品率也低且加工数据与面型的关系依靠经验来确定，当本批次的切割晶片不合格时，也无法补救，只能对下一批次的切割晶片进行补救。

上述构建方法以切割区域温场数据为媒介，建立切割效率、良品率与加工数据间的可靠联系，之后通过检测切割晶片的面型，建立切割晶片和温场数据之间的联系，进一步建立加工数据、温场数据、面型数据三者之间的关系。进而能够通过切割区域的温场分布实时的对切割工况进行反馈，并且能够通过最终切割晶片的检测结果来对这一反馈进行验证。此外，对切割区域的温场数据进行记录和保存，还有利于对切割加工中出现的工艺异常情况进行溯源。

建立模型之后，根据切割区域的温场数据即可分析和预判待产出切割晶片面型情况，从而可指导加工数据的实时调整，以得到符合面型要求的切割晶片，该切割工艺的调整效率高、耗时短，并且由于是实时调整，能够保证本切割批次的切割晶片及时补救，无需等待后续的反馈，提高切割晶片的良品率。

可选地，步骤S2还包括构建对应于期待温场数据的上限阈值和下限阈值。上限阈值和下限阈值构成的温度范围为期待温场数据的温度范围，当实时监测的温场数据超过该上限阈值或低于该下限阈值，则判定为切割晶片的面型情况为不合格，从而可基于参考加工数据范围调整加工数据。

可选地，所述面型数据包括Bow、Warp、TTV、LTV中的至少一种；

所述加工数据包括切割液流量、切割液温度、切割线速度、切割线张力、辅料质量浓度、工件进给速度、摆角中至少一种。

可选地，所述温场数据包括基于晶体棒截面的温度分布信息。

由于切割位置的不同，即使是相同的加工数据，也会导致晶体棒截面(即切割面)不同位置处的温场数据出现差异，因此以晶体棒截面的温度分布作为温场数据，能够构建更系统化的过程控制模型，从而更精准的控制切割过程。

可选地，所述温度分布信息为网格空间分布温度数据或图像性的可视化温度分布信息。

该图像性的可视化温度分布信息通过测温系统来实现，该测温系统包括红外探测器、成像图像处理和监视器。其中，红外探测器位置能够获得切割部位温场的基本信息，从而提供详细的切割区域温场分布数据，红外探测器检测的数据传输至成像处理器中进行处理，最终通过监视器呈现出图像性的可视化温度分布信息。监视器中的图像性的可视化温度分布信息不仅能在现场呈现，也能被远程实时读取，从而实现对切割部位温场分布的在线监控。

根据本申请的另一个方面，提供了一种晶体棒过程控制切割方法，所述切割方法采用上述任意一项所述的构建方法得到的过程控制模型来预判待产出切割晶片的面型情况是否合格；和/或

采用上述任意一项所述的构建方法得到的过程控制模型中的参考加工数据作为加工数据调整参照。

该切割方法依赖于上述构建的过程控制模型，根据温场数据来预判待产出切割晶片的面型情况是否合格，并且根据加工数据调整参照来对加工数据进行调整，以得到合格的切割晶片。

可选地，所述切割方法包括以下步骤：

P1、实时监测待产出切割晶片的温场，并获取第一实时监测温场数据；

P2、将所述第一实时监测温场数据与所述期待温场数据进行比对，并获得第一比对差，以第一比对差的偏离0的程度作为待产出切割晶片的面型情况是否合格的第一依据。

可选地，所述切割方法还包括：

P3、对于所述第一依据为不合格的待产出切割晶片，调整该待产出切割晶片的即时加工数据；

优选的，根据加工数据对温场的影响权重，将加工数据分为三个等级：

按影响从大到小分级为：第一级别包括切割液温度、工件进给速度、切割液流量，第二级别包括切割线速度、辅料质量浓度，第三级别包括摆角、切割线张力。

由于上述过程控制模型的构建中，第一实时监测的温场数据能够作为判断切割晶片的面型情况是否合格的依据，因此根据第一比对差可确定切割过程中的温场数据与期待温场数据之间的差异性，从而根据该差异判断切割晶片的面型情况是否合格。

利用第一比对差的变化来反推切割工况，对不合格的待产出切割晶片及时调整加工数据，实现加工工艺调整的可视性，从而提高切割效率和良品率。

可选地，调整该待产出切割晶片的即时加工数据的具体方法为：

调整加工数据的类型：优先调整工件进给速度和切割液流量，再调整切割线速度和切割线张力，再调整摆角；

加工数据的调整方式：当第一对比差偏离0的程度大且为正时，选择降低工件进给速度、增大切割液流量、增加切割线速度中的一种或多种；当第一对比差偏离0的程度大且为负时，增加工件进给速度和/或降低切割线速度。

可选地，所述切割方法还包括：

P4、实时监测调整即时加工数据后的待产出切割晶片的温场，获得第二实时监测温场数据；

P5、将所述第二实时监测温场数据与所述期待温场数据进行比对，并获得第二比对差，以第二比对差的大小作为待产出切割晶片的面型情况是否合格的第二依据。

对及时调整加工数据后的温场数据进行分析，获得第二比对差，从而根据第一比对差确定调整后切割过程中的温场数据与期待温场数据之间的差异性，以分析待产出切割晶片是否合格。该第二比对差能够进一步确定待产出切割晶片的面型状态，若第二比对差过大，超出该过程控制模型的控制范围，此时待产出切割晶片可判定为无法补救状态，则可及时停止切割过程，避免浪费切割时间，可进行下一批次晶体棒的切割；若第二比对差的大小符合待产出切割晶片面型合格的范围，则证明加工数据的调整为有效的，能够得到合格的切割晶片。

并且根据上述第一比对差和第二比对差的差异性，可判断各个加工数据对切割过程的影响权重，从而用于指导模型根据第一比对差的大小，确定加工数据的调整顺序。例如当第一比对差较大时，即实时监测的温场数据与期待温场数据差异性较大，可直接调整影响权重较大的加工数据，便于第二比对差落入合适范围内，以使得实时监测的温场数据落入期待温场数据范围内；当第一比对差较小时，则可调整影响权重较小的加工数据，避免第二比对差相比于第一比对差变化过大，从而在小范围内调整实时监测的温场数据，以使得实时监测的温场数据落入期待温场数据范围内。

优选的，所述切割方法还包括：

P6、对于所述第二依据为不合格的待产出切割晶片，调整该待产出切割晶片的即时加工数据。

通常情况下，在确定合适的温场范围后，再对第一对比差调整合适后，可以确保在切割状态不变的情况下晶片全部合格。但是当机器状态未发生变化的情况下，若再次出现偏离期待温场数据，此时第一对比差会再次出现偏离，则可以通过第二次调整加工数据来保证切割过程重新回到理想的切割过程，从而保证晶片的可用性。

本申请的有益效果包括但不限于：

1.根据本申请的基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法，通过检测切割晶片的面型，建立加工数据、温场数据、面型数据三者之间的关系，可实时监测切割过程中的温场变化，从而及时调整加工数据，以得到面型质量好的切割晶片。

2.根据本申请的基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法，根据所使用的切割设备确定参考加工数据，再通过监测不同切割工艺条件下的切割区域温场分布，来确定各加工数据对温场数据的影响。

3.根据本申请的晶体棒过程控制切割方法，以第一比对差的大小作为待产出切割晶片的面型情况是否合格的第一依据，能够及时判断晶体棒在切割过程中工况详情，有利于进一步对加工数据进行调整，以制备合格的切割晶片。

4.根据本申请的晶体棒过程控制切割方法，根据第一比对差的大小，可确定加工数据的调整顺序，以使得实时监测的温场数据落入期待温场数据范围内，提高该切割方法的可控性，进而提高加工效率和产品良率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例2涉及的依据切割区域的第一实时监测温场数据调整即时加工数据的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

下述实施例以碳化硅晶体棒为例进行说明，本领域技术人员能够得知，该基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法及晶体棒过程控制切割方法同样能够适用于其他材质的晶体棒，例如硅、锗、砷化镓、陶瓷、玻璃、蓝宝石等，下述实施例采用的碳化硅晶体棒并不构成对本申请的限制。

实施例1

本实施例涉及一种基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法，该方法包括以下步骤：

S1、对碳化硅晶体棒进行切割，确定切割液流量、切割液温度、切割线速度、切割线张力、辅料质量浓度、工件进给速度、摆角的加工数据，对晶体棒在切割过程中的温场数据进行实时监测并采集，得到晶体棒截面的网格空间分布温度数据或图像性的可视化温度分布信息，通过检测单个切割晶片的面型，得到面型数据；对上述各个加工数据进行调整，对不同加工数据下切割区域的温度数据进行统计，并与分别得到不同的面型数据，上述面型数据、温场数据和加工数据构成第一数据集合；

S2、在第一数据集合中，以单片数据对中的面型数据落入预设的期望面型数据范围作为条件，筛选出第二数据集合，并以该第二数据集合的温场数据作为单个切割晶片的期待温场数据，以该第二数据集合的加工数据构建单个切割晶片的参考加工数据范围；

S3、对晶体棒切割区域的温场进行实时检测，形成基于期待温场数据与待产出切割晶片的实时监测温场数据的比对，来分析和预判待产出切割晶片面型情况，并基于参考加工数据作为加工数据调整参照的过程控制模型。

根据上述步骤S1中，选择待切割的碳化硅晶棒为同一批次生产的碳化硅晶棒，各项指标相同，具体的切割方法和上述方法的不同之处如表1所示。

碳化硅晶片1#-15#辅料种类为金刚石粉、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，重量比为100:1:2。

表1切割数据

对碳化硅晶片1#～15#进行面型测试，得到的测试结果如表2。其中，Bow为弯曲度，Warp为翘曲度，TTV为总厚度偏差，LTV为局部厚度偏差。

表2切割晶片的面型数据

表2中切割晶片10#的Bow值为8.3μm、Warp值为18.5μm、TTV值为8.2μm、LTV值为6.1μm，作为本实施例的期望切割面型数据，因此确定期待温场数据的温度范围为15～21℃；结合表1中的切割数据，确定切割液流量的参考加工数据为2000Kg/h、切割液温度的参考加工数据为10℃、切割线速度的参考加工数据为25m/s、切割线张力的参考加工数据为25N、辅料质量浓度的参考加工数据为10％、工件进给速度的参考加工数据为20μm/min、摆角的参考加工数据范围为2°。

上述表2中的LTV利用光的干涉法测试的，由于切割片比较粗糙，故未对切割片的LTV进行分区，该数据主要体现的是切割片圆周与中心的差异，与不同位置的切割关系不大，故此处采用的是平均值的概念。

作为一种优选的实施方式，由于温场数据为网格空间分布温度数据或图像性的可视化温度分布信息，则可将晶体棒截面自上而下划分为4个区域，每个区域的宽度占晶体棒直径的25％，第一区域的期待温场数据的温度范围为15～19℃，第二区域的期待温场数据的温度范围为17～21℃，第三区域的期待温场数据的温度范围为17～21℃，第四区域的期待温场数据的温度范围为15～19℃。

实施例2

本实施例涉及一种晶体棒过程控制切割方法，该切割方法采用实施例1的构建方法得到的过程控制模型来预判待产出切割晶片的面型情况是否合格，以及采用实施例1的构建方法得到的过程控制模型中的参考加工数据范围作为加工数据调整区间。

作为一种实施方式，参考图1，切割方法包括以下步骤：

P1、实时监测待产出切割晶片的温场，并获取第一实时监测温场数据；

P2、将第一实时监测温场数据与期待温场数据进行比对，并获得第一比对差，以第一比对差的偏离0的程度作为待产出切割晶片的面型情况是否合格的第一依据。

根据实施例1的结论，将切割晶片的第一实时监测温场数据与实施例1中的期待温场数据做对比，若是第一实时监测温场数据落入期待温场数据范围内，则判定待产出切割晶片的面型合格，若第一实时监测温场数据超出期待温场数据范围，则判定待产出切割晶片的面型不合格。

并且由于温场数据为网格空间分布温度数据或图像性的可视化温度分布信息，因此由于切割区域不同，则期待温场数据也会存在不同，故第一实时监测温场数据需要与该特定切割区域的期待温场数据进行对比，以获得第一比对差。

作为一种实施方式，切割方法还包括：游离式磨料线切割和固结式磨料线切割。

P3、对于第一依据为不合格的待产出切割晶片，调整该待产出切割晶片的即时加工数据。

当切割过程及时反馈的结果为不合格的待产出切割晶片时，能够及时调整即时加工数据，即及时调整为合格待产出切割晶片的加工数据，使得第一实时监测温场数据落入期待温场数据范围内，以得到最终合格的切割晶片。

该切割方法具有动态调整性，能够根据第一比对差的大小为第一依据，可及时分析加工过程导致的加工结果，从而及时调整相应加工数据，实现加工状态的实时反馈，从而提高该切割方法的工艺控制能力和控制效果，并降低不合格切割晶片的数量，提高产品良率可控性。

作为一种优选的实施方式，加工数据对温场的影响权重，将加工数据分为三个等级：

按影响从大到小分级为：第一级别包括切割液温度、工件进给速度、切割液流量，第二级别包括切割线速度、辅料质量浓度，第三级别包括摆角、切割线张力。

因此可以根据第一比对差的大小，选择相应加工数据的调整方式，以快速使得切割区域的第一实时监测温场数据符合期待温场数据，避免待产出切割晶片朝向不合格方向继续发展，提高该切割方法的调整效率。

作为一种实施方式，调整该待产出切割晶片的即时加工数据的具体方法为：

调整加工数据的类型：优先调整工件进给速度和切割液流量，再调整切割线速度和切割线张力，再调整摆角；

加工数据的调整方式：当第一对比差偏离0的程度大且为正时，选择降低工件进给速度、增大切割液流量、增加切割线速度中的一种或多种；当第一对比差偏离0的程度大且为负时，增加工件进给速度和/或降低切割线速度。

作为一种实施方式，切割方法还包括：

P4、实时监测调整即时加工数据后的待产出切割晶片的温场，获得第二实时监测温场数据；

P5、将第二实时监测温场数据与期待温场数据进行比对，并获得第二比对差，以第二比对差偏离0的程度作为待产出切割晶片的面型情况是否合格的第二依据。

针对第一依据判定为不合格的待产出切割晶片，该切割方法及时调整即时加工数据之后，还需要通过第二实时监测数据获得第二对比差，以确定调整后的即时加工数据是否符合合格切割晶片的生产要求，进一步提高该切割方法的反馈效果，实现加工数据调整的可视性。

作为一种优选的实施方式，切割方法还包括：

P6、对于第二依据为不合格的待产出切割晶片，调整该待产出切割晶片的即时加工数据。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理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 (10)

1.一种基于切割区域温场的过程控制模型的构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、对于预定规格的晶体棒切割工艺，采集多个单片数据对构成第一数据集合，其中，所述多个单片数据对中的每个单片数据对与单个切割晶片一一对应，且包括该单个切割晶片的面型数据、温场数据、以及加工数据；

S2、以单片数据对中的面型数据落入预设的期望面型数据范围作为条件，从所述第一数据集合中筛选出第二数据集合，以该第二数据集合的温场数据作为单个切割晶片的期待温场数据，以该第二数据集合的加工数据构建单个切割晶片的参考加工数据；

S3、形成基于所述期待温场数据与待产出切割晶片的实时监测温场数据的比对，来分析和预判待产出切割晶片面型情况，并基于所述参考加工数据作为加工数据参照的过程控制模型。

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤S2还包括构建对应于期待温场数据的上限阈值和下限阈值。

3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述面型数据包括Bow、Warp、TTV、LTV中的至少一种；

所述加工数据包括切割液流量、切割液温度、切割线速度、切割线张力、辅料质量浓度、工件进给速度、摆角中至少一种。

4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述温场数据包括基于晶体棒截面的温度分布信息。

5.根据权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述温度分布信息为网格空间分布温度数据或图像性的可视化温度分布信息。

6.一种晶体棒过程控制切割方法，其特征在于，所述切割方法采用如权利要求1-5中任意一项所述的构建方法得到的过程控制模型来预判待产出切割晶片的面型情况是否合格；和/或

采用如权利要求1-5中任意一项所述的构建方法得到的过程控制模型中的参考加工数据作为加工数据调整参照。

7.根据权利要求6所述的晶体棒过程控制切割方法，其特征在于，所述切割方法包括以下步骤：

P1、实时监测待产出切割晶片的温场，并获取第一实时监测温场数据；

P2、将所述第一实时监测温场数据与所述期待温场数据进行比对，并获得第一比对差，以第一比对差的偏离0的程度作为待产出切割晶片的面型情况是否合格的第一依据。

8.根据权利要求7所述的晶体棒过程控制切割方法，其特征在于，所述切割方法还包括：

P3、对于所述第一依据为不合格的待产出切割晶片，调整该待产出切割晶片的即时加工数据；

优选的，根据加工数据对温场的影响权重，将加工数据分为三个等级：

按影响从大到小分级为：第一级别包括切割液温度、工件进给速度、切割液流量，第二级别包括切割线速度、辅料质量浓度，第三级别包括摆角、切割线张力。

9.根据权利要求8所述的晶体棒过程控制切割方法，其特征在于，调整该待产出切割晶片的即时加工数据的具体方法为：

调整加工数据的类型：优先调整工件进给速度和切割液流量，再调整切割线速度和切割线张力，再调整摆角；

加工数据的调整方式：当第一对比差偏离0的程度大且为正时，选择降低工件进给速度、增大切割液流量、增加切割线速度中的一种或多种；当第一对比差偏离0的程度大且为负时，增加工件进给速度和/或降低切割线速度。

10.根据权利要求8所述的晶体棒过程控制切割方法，其特征在于，所述切割方法还包括：

P4、实时监测调整即时加工数据后的待产出切割晶片的温场，获得第二实时监测温场数据；

P5、将所述第二实时监测温场数据与所述期待温场数据进行比对，并获得第二比对差，以第二比对差偏离0的程度作为待产出切割晶片的面型情况是否合格的第二依据；

优选的，所述切割方法还包括：

P6、对于所述第二依据为不合格的待产出切割晶片，调整该待产出切割晶片的即时加工数据。

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