CN117412847A - 用于从工件同时切割多个盘片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种方法切割半导体晶圆。所述方法包括：将半导体锭料切割成工件；以及使用具有固定磨料颗粒线的线栅将工件锯切成切片，同时将工件朝向线栅移动。在工件与线栅初次接触时，初始切割速度小于2毫米/分钟，冷却剂流量小于0.1升/小时，并且线速度大于20米/秒。然后，工件被引导通过线栅，直到达到第一切割深度，然后冷却剂流量被增大到至少2000升/小时。在工件与线栅初次接触直至圆柱体的直径的一半的切割深度期间，切割速度被降低到小于初始切割速度的70％，然后被增大。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从半导体工件同时切割多个晶圆(或晶片，wafer)的方法。
背景技术
许多应用需要大量的由特定起始材料制成的类似晶圆，例如作为用于生产磁性存储盘的衬底的玻璃晶圆，作为用于生产光电子部件的衬底的由蓝宝石或碳化硅制成的晶圆，或者用于生产光伏电池(“太阳能电池”)或作为用于构造电子、微电子或微机电部件的衬底的半导体晶圆。作为用于电子部件或光伏电池的衬底的晶圆也被称为晶圆。
盘片(或圆盘)的正面(或前侧)和背面(或后侧)之间的距离被称为盘片的厚度，正面和背面之间的中心表面的曲率被称为盘片的形状。厚度和形状一起形成盘片的几何形状，特别均匀的厚度和具有低曲率的形状对应于良好的几何形状，而不均匀的厚度和高度弯曲的形状对应于不良的几何形状。对于要求苛刻的应用，盘片优选具有特别良好的几何形状。在扫描图案或系列点测量期间遇到的厚度的最大值和最小值之间的差异被定义为总厚度变化(“TTV”，例如，根据ASTM F657，其全部内容通过引用并入本文)。
切割切片的起始材料通常呈圆柱形棒材(“工件”)的形式。圆柱体由平坦的底面(或底表面)、顶面(或顶表面)和侧面(或侧表面)限界。底面和顶面也被称为端面。
切片与工件的分离通过沿分离平面破坏材料的内聚力来进行。对于大量均匀的平坦切片，分开面(或分开表面)优选是平坦的，垂直于工件轴线，并且相邻的分开平面优选是等间距的。材料的内聚力通常通过切屑去除过程(或工艺)被破坏。切屑被定义为从工件分离的微粒。通过切屑去除沿分开线去除的材料体积被称为分开间隙(或者分离、切断、锯开或切割间隙)。对于某些应用，分开间隙也可能以小的角度(例如最高达到2°)偏离工件轴线的垂线。
在将工件切割成多个厚度特别均匀且形状曲率特别低的均匀薄切片的切屑去除过程之中，线切割(线锯切)是特别重要的。
用于切分棒材的锯线例如由硬化钢(例如，钢琴线)、塑料、碳纤维或金属合金制成。线可以包括一个元件(即单丝线)或由若干元件绞合而成，所述若干元件也可以包括不同的材料。例如，EP 0 799 655 Al、US 6,194,068 B1或DE 10 2012 007 815 Al(其中的每一个的全部内容通过引用并入本文)中公开了在线锯中使用的锯线。
例如，金刚石线为涂覆有作为磨料的细金刚石芯料的锯切线。例如，US 6,279,564Bl(其全部内容通过引用并入本文)中公开了一种金刚石锯线。该金刚石线因此也被称为固定磨料颗粒线。
对于其表面覆盖有磨料的锯线，优选使用不含磨料的液体切割剂，在最简单的情况下为水。
本发明人已经认识到使用金刚石线具有若干优点。例如，考虑到当切割像硅这样非常硬的材料时，基于浆料的线锯切可能是缓慢的。另一方面，金刚石线使得在速度方面具有显著的提高，从而增大了生产率。
切割所需的冷却剂主要是水，同时添加有少量的表面活性剂。这使得易于设置，也使得便于回收利用在切割过程期间损失的材料。
在线切割操作期间，锯线偶尔会断裂。例如，由于切断间隙中的过度线摩擦和所导致的线导辊之间的过度线张力、或者由于线本身的缺陷(例如呈夹杂物的形式)或归因于过度磨损，可能导致线断裂。
线断裂导致线切割操作中断。在大多数情况下，为了修复断裂的线，部分锯开的工件必须被完全移出线架。在线架已经被修复之后，必须首先将工件移回到线架中，以使得恰好一个线区段位于每个切割间隙中，然后准确地垂直于线架的平面进行送入(并且不沿工件轴线的方向移动线架)，直到线架再次停留在工件中切割中断的位置。
当使用金刚石线(例如，固定磨料颗粒线)时，不可能从受影响的锯开间隙(锯缝)中完全移除锯线(包括可能的金刚石碎片)。这是因为，在修复线栅(或线架)并将线区段重新送入到各个锯开间隙中之后，在重新启动后不久，同一锯开间隙中的锯线再次断裂。金刚石锯线中的这种新断裂归因于受锯线断裂影响的锯开间隙中的断裂金刚石切屑和/或锯线的残余物。
已知使用像水这样的流体冷却或切割剂对于防止线断裂至关重要。此外，DE 102016 224 640 A1教导所使用的流体切割剂应当在增大的压力下从喷嘴的出口开口沿锯开间隙的方向喷射。增大的压力是有利的，特别是有利于去除卡滞于锯开间隙中的最小金刚石颗粒，从而降低了线断裂的风险。
为了减少切口(切缝)损失并因此提高生产率，本发明人已经认识到，需要引入具有小于140微米(μm)的明显更小直径的锯线，其导致在切割期间晶圆之间的更小间隙并由此增加线断裂的风险。然而，在这样做的同时，能够观察到几何参数的恶化(例如，总厚度变化(TTV)的增加)。
US2017/0072594 Al(其全部内容通过引用并入本文)表明线上的磨料颗粒密度对切片晶圆的几何形状具有强烈的影响并且因此几何形状(TTV)得到改善。
无论如何，在晶圆的某些区域中，本发明人已经认识到，在使用固定磨料线的情况下TTV仍然表现不佳。这些区域可以被识别为线首先与工件相遇的区域。这些几何缺陷必须在半导体晶圆的生产链的后续步骤中被消除，这是昂贵的并且有时不能容易地实现。
发明内容
鉴于以上背景，本公开提供了一种用于从硅锭料切割晶圆的可靠方法，其在使用细金刚石切割线并且与此同时受益于金刚石切割线的快速切割速度的同时，未表现出几何参数的恶化。
根据本公开的第一方面，提供了一种切割半导体晶圆的方法。所述方法包括：提供呈圆柱体的形状的半导体锭料；使用锯将所述半导体锭料切割成工件；以及使用包括围绕两个辊被引导的固定磨料颗粒线的线栅将所述工件锯切成切片。所述辊具有凹槽，所述固定磨料颗粒线在所述凹槽中被引导。在锯切期间，所述工件朝向所述线栅移动。在所述工件与所述线栅初次接触时，初始切割速度vstart(或v开始)小于2毫米/分钟(mm/min)，与此同时冷却剂流量小于0.1升/小时(1/h)，并且与此同时固定磨料颗粒线的速度vw大于20米/秒(m/s)。在初次接触之后，工件被引导通过所述线栅，直到达到至少7毫米(mm)的第一切割深度。在锯切期间，冷却剂流量保持恒定，直到达到所述第一切割深度，然后被增大到至少2000升/小时。切割速度在所述工件与所述线栅初次接触直至所述圆柱体的直径的一半的切割深度期间被降低到小于初始切割速度的70％，然后被增大。
半导体晶圆可以是单晶硅的半导体晶圆，半导体锭料可以是单晶硅单晶体，工件可以是具有在350毫米和450毫米之间的长度的晶体工件，并且所述锯可以是带锯。
附图说明
下面将基于示例性附图更详细地描述本公开的主题。这里描述和/或图示的所有特征可以单独地使用或以不同的组合进行组合。通过参考附图阅读以下详细描述，各实施例的特征和优点将变得明显，附图图示了以下内容：
图1示出了被配置成锯切工件的线锯的设置；
图2示意性地示出了不同工艺条件的三组结果(关于局部厚度变化)；
图3示出了测量取自两个不同锭料块的晶圆的总厚度变化的结果；
图4图示了根据本发明的方法的实施例；以及
图5示出了在线的速度方向反转之前在一个方向上输送的线的长度。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于从工件同时切割多个盘片(或圆盘)的方法。根据一个优选实施例，工件是半导体工件，特别是半导体晶体，并且细金刚石切割线被用于盘片的同时切割。
在一个实施例中，提供了一种用于切割单晶硅的半导体晶圆的方法。所述方法包括：(1)提供呈圆柱体(或柱体)的形状的单晶硅单晶体；(2)借助于带锯将单晶硅单晶切割成具有在350毫米和450毫米之间的长度的晶体工件；以及(3)借助于线栅将晶体工件锯切成切片，其中所述线栅由围绕两个辊被引导的固定磨料颗粒线组成，所述两个辊包含凹槽，所述固定磨料颗粒线在所述凹槽中被引导。在该方法的执行期间，晶体工件朝向线栅移动，并且在晶体工件与线栅初次接触时，初始切割速度vstart小于2毫米/分钟，与此同时冷却剂流量小于0.1升/小时，并且与此同时所使用的线的速度vw大于20米/秒。在初次接触之后，晶体件被引导通过线栅，直到达到至少9毫米的切割深度，冷却剂流量保持恒定直至该点，然后被增大到至少2200升/小时。切割速度在晶体件与线栅初次接触直至所述圆柱体的直径的一半的切割深度期间被降低到小于初始切割速度的70％，然后被再次增大。
根据本发明的方法提供了一种用于从硅锭料切割晶圆的可靠手段，其在使用细金刚石切割线并且与此同时受益于金刚石切割线的快速切割速度的同时，未表现出几何参数的恶化。
图1示出了被配置成锯切工件的线锯。在图1中，工件是具有直径D和长度L的晶体锭料101。通过在第一开槽辊102和第二开槽辊103之上对固定磨料颗粒线进行拉线来形成线网106。
线可以被供给有冷却剂，所述冷却剂主要包括第一喷嘴104和/或第二喷嘴105提供的水。在切割时，晶体锭料101沿垂直于线网的方向107移动穿过线网。切割的进度可以用距离dc 108来测量。
在试图成功地利用与使用金刚石线从锭料切割半导体晶圆相关联的经济和环境效益时，本发明人发现，切出的晶圆的总厚度变化(TTV)未能满足半导体工业的要求。
因此，本发明人着力提供一种满足或超过半导体工业要求的改进的切割方法。为此，具有在350毫米和450毫米之间的切割长度的若干(数个)单晶锭料块被切割。使用70微米和100微米的线厚度进行实验。线的颗粒密度被选择为大于1000颗粒/平方毫米(mm2)。
在切割之后(根据ASTM F657)测量晶圆的总厚度变化(除了其他值之外)。
此外，还使用了一种略微修改的方法来评估作为切割深度的函数的晶圆局部总厚度变化。为此目的，利用带锯从单晶锭料切割出锭料块。然后使用多线锯将该锭料块切割成晶圆。根据如上所述的测量方法测量每个晶圆。
图2示意性地显示了这些测量的基本结果。
特别是，图2示意性地示出了关于局部厚度变化的不同工艺条件(201、202和203)的三组结果。局部厚度变化(以任意单位，a.u.表示)被绘制为切割深度的函数(以任意单位表示)。图2显现出三组结果在平均水平和与局部平均值的局部偏差方面均显著不同。
将每个锭料块切割成一组半导体晶圆。然后，每组半导体晶圆产生包含作为切割深度的函数的局部厚度变化测量值的带。沿着横坐标从左到右增大，获得切割深度(的变化)。
如图2所示，与第二组202和第三组203相比，第一组201的晶圆(从第一锭料块切割)显示了更高的平均局部厚度值。
值得注意的是，尤其是在切割开始时，与第三组203相比，第一组201和第二组202的晶圆局部厚度变化相当大。
还值得注意的是，第二组202的晶圆显示出更宽的局部厚度变化带，并且带的厚度随着切割深度的增加而变化。
基于该实验数据，本发明人得出结论，显示出如第三组303中所示的测量值的晶圆是最理想的。
图3显示了取自两个不同锭料块的晶圆的总厚度变化(根据ASTM F657)的测量结果。
每个TTV值相对于其在相应锭料块中的晶圆位置(晶圆#)进行绘图。为了简化和定性比较，该图使用了任意的测量单位。
第一组的晶圆301(以空心圆示出)的测量显现出朝向晶体件(或晶体块)的端部的显著分散。而在中部，分散和平均值表现得相当低。
相反，第二组的晶圆302的测量(以实心圆示出)显示出TTV的低值以及与此同时晶圆与晶圆之间的低分散两者，这是非常理想的。
发明人认识到，在锯切过程期间，半导体晶圆在晶体件中的位置和相应的切割深度均对使用金刚石线进行切割时的厚度变化(TTV)具有影响。
瑞宁根(Ryningen)等人(B.Ryningen,P.Tetlie，S.G.Johnsen等人，“Capillaryforces as a limiting factor for sawing of ultrathin silicon wafers by diamondmulti-wire saw”，Engineering Science and Technology(“毛细管力作为通过金刚石多线锯锯切超薄硅晶圆的限制因素”，工程科学与技术)，国际期刊，可在doi.org/10.1016/j.jestch.2020.02.008获得，其全部内容通过引用并入本文)通过遵循它们的参数研究和理论方面提出，当使用金刚石线切割多晶硅晶圆时，毛细管力对于TTV具有重要影响。为了解决该问题，他们建议或者进行干式切入，或者(相反)使用完全浸没的线网以用于切入。
尽管瑞宁根等人建议在切割开始时省略冷却剂以获得对TTV值的一些影响，他们的建议未能确保整个半导体晶圆上的局部厚度变化。尤其是对于源自晶体件的边缘的半导体晶圆而言，TTV值显著偏离相应的平均值(例如，如图3中的空心圆301所示)。
此外，所获得的TTV的绝对数值太大而不适于生产用于半导体工业的半导体晶圆。瑞宁根等人未提出该问题的解决方案，也未给出关于该问题如何可能被解决的任何指示。
为了解决上述问题，本发明人提供了一种用于切割单晶硅的半导体晶圆的方法，其优于已知的方法。图4是根据本发明的实施例的方法400的流程图。
在方法400中，提供半导体锭料(S401)。半导体锭料优选为呈圆柱体的形状的单晶硅单晶体。在晶体生长之后，晶体在晶体的每一端具有锥体(通常使用带锯将其切掉)。此外，晶体显示出表面起伏(或波度)，所述表面起伏由晶体生长期间热条件的变化所导致。这些起伏通过外圆(圆柱式)磨削被消除，从而产生具有光滑表层表面(mantle surface)的圆柱体(或圆形的柱体)。
将半导体锭料(例如，单晶硅单晶)切割成工件(例如，晶体工件)(S402)。在一个优选实施例中，工件(例如，晶体工件)具有在350毫米和450毫米之间的长度。切割可以通过锯(例如，带锯)进行。由于以下若干原因，半导体锭料(例如，单晶体)被切割成工件(例如，晶体工件)：(1)线锯不能锯切非常长的锭料；以及即便如此(2)在晶体生长期间，晶体的品质参数随着长度的增加而改变。因此，针对特定的客户需求选择晶体的(一些)部分通常是有益的。
工件(例如，晶体工件)被切割成切片(S403)。特别是，工件通过线栅(线网或线网格)被切割。线栅可以由围绕两个辊被引导的固定磨料颗粒线组成，所述两个辊包含槽，锯切线在所述槽中被引导。工件(例如，晶体工件)朝向线栅移动。固定磨料颗粒线可以被理解为磨料固定于线的表面上的线。例如，金刚石线为这类锯切线的变体。优选地，所述辊上的两个槽之间的距离不小于769微米(μm)且不超过850微米。
另外，优选实施例在该方法的操作期间符合以下设置。
在工件(例如，晶体工件)与线网初次接触时，即开始锯切时，初始切割速度vstart优选为切割期间的最高值。优选地，vstart不小于1.4毫米/分钟。
最优选地，切割期间的切割速度为切割深度的函数，所述函数遵循抛物线，其在切割中部或中点(晶体件的直径的一半)处具有低点，该低点具有vstart的70％的值。
优选地，冷却剂流量在切割开始时被设定为小于0.1升/小时，直到达到至少7毫米和最多13毫米的切割深度。然后将冷却剂流量设定为大于2000升/小时(特别优选地大于2200升/小时)的值。优选地，冷却剂包含水和表面活性剂。最优选地，不打算使用冷却剂中的松散颗粒。发明人意识到，在低于7毫米的切割深度时存在几何形状问题，并且在高于13毫米的切割深度时仍然存在以TTV为主的问题。这种效果在使用70微米和100微米的线时均存在。
在所述方法的执行中，优选地，当开始切割时，线的速度vw被设定为大于20米/秒。
优选地，在切割期间线的速度的方向是交变的，并且因此优选在切割开始期间匹配最大速度。该方法也被称为朝圣(pilgrim)方法，并且由此线的长度被称为“朝圣长度”。最优选地，在改变方向之前，线沿一个方向行进的最大长度(朝圣长度)大于850米(m)。最优选地，线沿一个方向行进最大长度。该方法的图形表示(图示)可以在图5中看到。最优选地，切割期间的最小朝圣长度不超过初始朝圣长度的98.5％。
图5示出了在线的速度方向反转之前沿一个方向输送的线的长度(以相对单位表示)。这种方法也被称为朝圣方法，并且由此线的长度被称为“朝圣长度”。该图显示，随着切割深度的增加，该朝圣长度首先减小，然后再次增大。在该图中，最小朝圣长度为初始朝圣长度的约98％。
优选地，所使用的锯切线的厚度不超过80微米且不小于60微米。
虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明的实施例，但是这种图示和描述应被看作是图解说明性的或示例性的，而不是限制性的。应当理解，普通技术人员可以在以下权利要求的范围内进行改变和修改。特别是，本发明覆盖具有来自上文和下文描述的不同实施例的特征的任意组合的进一步实施例。此外，本文中表征本发明的陈述涉及本发明的实施例，而不一定是所有实施例。
权利要求中使用的术语应当被解释为具有与前述描述一致的最广泛的合理解释。例如，在引入一个要素(或元件)时修饰词“一个”或“所述”的使用不应被解释为排除了多个要素(或元件)。同样，“或”的列举性描述应被解释为是包容性的，因此“A或B”的列举性描述并不排除“A和B”，除非从上下文或前述描述中可以清楚地看出A和B中只有一个被预定使用。此外，“A、B和C中的至少一个”的列举性描述应被解释为由A、B和C组成的一组要素中的一个或多个，而不应被解释为要求所列要素A、B和C中的每一个的至少一个，无论A、B和C是否作为类别或以其他方式相关。此外，“A、B和/或C”或“A、B或C中的至少一个”的列举性描述应被解释为包括所列要素的任何单一个体，例如A；所列要素的任何子集，例如A和B；或要素A、B和C的整个列表。
附图标记说明
101 具有直径D和长度L的半导体锭料
102 第一开槽辊
103 第二开槽辊
104 第一喷嘴
105 第二喷嘴
106 由固定磨料颗粒线形成的线网
107 锭料朝向锯切线网的运动方向
108 切割距离dc
Claims (12)
1.一种切割半导体晶圆的方法，所述方法包括：
提供呈圆柱体的形状的半导体锭料；
使用锯将所述半导体锭料切割成工件；以及
使用线栅将所述工件锯切成切片，其中所述线栅包括围绕两个辊被引导的固定磨料颗粒线，所述辊具有凹槽，所述固定磨料颗粒线在所述凹槽中被引导，
其中在锯切期间，所述工件朝向所述线栅移动，
其中在所述工件与所述线栅初次接触时，初始切割速度vstart小于2毫米/分钟，与此同时冷却剂流量小于0.1升/小时，并且与此同时所述固定磨料颗粒线的速度vw大于20米/秒，
其中在初次接触之后，所述工件被引导通过所述线栅，直到达到至少7毫米的第一切割深度，
其中，在锯切期间，所述冷却剂流量保持恒定，直到达到所述第一切割深度，然后被增大到至少2000升/小时，并且
其中所述切割速度在所述工件与所述线栅初次接触直至所述圆柱体的直径的一半的切割深度期间被降低到小于初始切割速度的70％，然后被增大。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体晶圆为单晶硅的半导体晶圆，其中所述半导体锭料为单晶硅单晶体，其中所述工件为具有在350毫米和450毫米之间的长度的晶体工件，并且其中所述锯为带锯。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述固定磨料颗粒线的厚度不超过80微米且不小于60微米。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述固定磨料颗粒线包括芯线和固定在所述芯线的表面上的磨料颗粒。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，冷却剂流包括水和表面活性剂。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述辊的所述凹槽彼此之间具有不小于769微米且不超过850微米的距离。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，在切割期间所述线速度的方向是交变的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固定磨料颗粒线为金刚石线。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在锯切期间所述切割速度为切割深度的函数，在处于所述圆柱体的直径的一半的切割深度处的切割中部，所述函数遵循抛物线。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一切割深度至少为9毫米。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一切割深度最多为13毫米。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，一旦达到所述第一切割深度，冷却流被增大到至少2200升/小时。
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