CN1529647A - 用于确定晶面相对于晶体表面定向的设备和方法以及用于在切割机内切割单晶体的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定晶面(100)相对于晶体表面(2)定向的设备及方法，按此方法，定向与晶体粘结缺陷或晶体支架不清洁无关。为此，测量要测量的晶体表面与基准轴线的夹角和晶面与基准轴线的夹角并算出它们之差。接着，在包括X－Y定位装置的钢丝锯设备内借助测得的定向进行期望的修正，与此同时沿水平和垂直位置调整晶体。由此保证晶体在切割面内的另一个旋转自由度，以达到垂直于进给方向和旋转方向无力地切割，所以不发生工具偏移和使切割力最小。此外提高了定向精度。

Description

用于确定晶面相对于晶体表面定向 的设备和方法以及用于在切割机内切割单晶体的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定晶面相对于晶体表面定向的设备和方法以及一种用于在切割机内切割单晶体的设备和方法。
背景技术
对于某些应用需要有所谓定向误差的半导体晶片。由图1可以看出，在有定向误差的半导体晶片1内，一个规定的晶面，例如(100)晶面，不平行于晶片表面2。在这种情况下，定向误差角φ是垂直于(100)晶面的矢量[100]与垂直于晶片表面2的法线矢量No的夹角。若需要这种定向误差，则从其上切下晶片的单晶体绕一条处于切割面内，亦即处于晶片表面2内的轴线T偏转预定的角度φ。
在已知的内孔锯的方法中，为了造成这种定向误差，粘结在工件支架上的晶体的定向，借助X射线测角器通过测量布喇格反射相对于工件支架的位置确定。借助支架进行在内孔纵锯上的安装，内孔纵锯有一个可水平和垂直调整的支座，在此支座上校正测得的晶体方向或可调整为期望的值。已切下的第一个圆片再次在X射线测角器上测量以及必要时再修正支座。因此在内孔锯设备中使用工件支架时产生的定向的不准确度；只能通过重新测量和再修正消除。
在已知的钢丝锯的方法中，不可能实施这种通过再测量和重新定向的修正，因为所有晶片从一个单晶体同时切下。如图2a所示，在钢丝锯中单晶体3固定在图2a中未表示的支架上，支架可通过进给装置的驱动器在钢丝锯的钢丝区4上以进给速度V运动并可重新返回起始位置。钢丝锯由多根平行延伸的钢丝4a、4b、4c组成，它们通过图2中未表示的辊张紧，并可在垂直于单晶体3纵向中心线M的平面内沿图2a中用箭头A和B表示的方向运动。此外，钢丝锯设备还包括装置5和6，用于将一种含有碳化硅颗粒的软膏涂在单晶体3每一侧的钢丝4a、4b、4c上。在钢丝锯有电结合的切割颗粒的情况下，还设一用于施加冷却润滑剂的装置。
已知一些有定向装置的钢丝锯，它们为了调整期望的定向误差，如图2b所示，仅仅允许在一个平行于钢丝区4平面的平面内移动。为此，晶体在钢丝锯之外在X射线测角器上测量并如此粘结在工件底座上，即，使得要设置的定向误差处于水平的平面内，亦即使图1中表示的角φ处于一个平行于钢丝区4的平面内。X射线测角器的测量值在这种情况下涉及工件底座的止挡面，止挡面则设立在钢丝锯的一个基准面上。然后水平地调整期望的定向。但在此方法中，由于止挡面或基准面不清洁造成的误差以及在单晶体粘结在工件底座上产生的粘结误差未检测，因为定向的测量在机器外进行。此外，单晶体必须始终按这样的方式旋转，即，使要设置的定向误差处于平行于钢丝区4的水平面内。其结果是加工方向取决于所要求的定向误差，并因而从一个单晶体到另一个单晶体会改变。
由US 5 904 136已知，为了调整定向误差所需的倾动角可在钢丝锯设备外的倾动装置内进行，其中，晶体定向借助X射线装置确定，接着晶体在倾动装置内沿水平和垂直方向相对于钢丝区倾转。然而由此同样不能消除在钢丝锯设备内在与晶休一起使用倾动装置时可能带来的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定晶面相对于晶体表面定向的设备和方法以及一种用于在切割机内切割单晶体的设备和方法，采用这种设备和方法可以实施精确地切割以及与此同时提高在切割单晶体时晶片的产出率。
此目的通过按权利要求1或8所述的设备和通过按权利要求18或19所述的方法达到。
在从属权利要求中说明本发明的进一步发展。
此方法和设备的优点在于，可以提高晶片的质量以及在切割时允许有更高的进给速度。通过改进所生产的晶片质量，可以基本上取消要不然常用的再加工步骤。此外，可以提高定向精度。
附图说明
下面借助附图说明实施例。附图中表示：
图1   一个晶片的示意图；
图2a  钢丝锯设备和要切割的单晶体的示意图；
图2b  按先有技术在钢丝锯设备中调整定向误差的示意图；
图3   在钢丝锯中产生的力的示意图；
图4a至4d  在两种不同进给值时，钢丝锯开的晶片的挠曲和弓形与加工方向关系的二维图解；
图5a  按本发明的用于确定晶面相对于晶体表面的方向的设备示意图；
图5b  朝其中一个端面方向看装在锯支架内的单晶体视图；
图6   按本发明的在钢丝锯设备中的定向装置示意图；以及
图7   图6的示意详图。
具体实施方式
为了更好地理解，下面首先借助图1至4说明在钢丝锯开时作用在晶片上的力。由图3可见，在钢丝锯开时钢丝4a、4b、4c贯入单晶体3内，以便切下构成晶片的圆片1a、1b、1c等。钢丝的金刚石颗粒在切割过程中达到临界贯入深度后在单晶体3内造成微裂纹，它们通过相互交联导致材料分离。此临界贯入深度取决于处于晶片表面2内规定的晶向K，例如[010]方向，相对于进给方向V的定向，下面说明进给方向V。
如图1和2a所示，单晶体3有一个形式上为平的外表面区7的定向标志，所谓平台(Flat)，它在单晶体1培植后按确定的方式施加，使规定的晶向K与晶片表面2内平的外表面区上的法线NF构成的角α是已知的。因为角α是已知的，因此在规定的晶向K与单晶体在一个垂直于单晶体纵向中心线M的平面内并因而在切割面内的进给方向V之间的角ρ也是已知的。应当指出，也可以取代平台在单晶体外侧制一个称为凹槽的切口。关键仅在于是一个外部标志，这一标志相对于规定的晶向K的布局是已知的。
由图3可见，在钢丝4a、4b、4c等贯入单晶体中时，作用在每根钢丝上的力Fx -或Fx +，由于在晶片1a、1b、1c等的前侧S和后侧S’上的临界负荷Lx +或Lx -不同因而是不同的，所以所产生的力的不平衡导致钢丝漂移，直到拉紧的钢丝的推斥力重新建立起力的平衡为止。临界负荷在物理上与临界贯入深度是等效的。图4a至4d分别表示晶片的挠曲(Warp)或弓形(Bow)与规定的晶向K相对于进给方向V的角度调整的关系。由此得出，要求的小挠曲或小量弓形值，或通过降低进给速度V达到，或在高进给速度的情况下通过调整晶向K相对于进给方向的角度达到。当进给速度为2mm/min时，例如最小弓形值(Bowwerte)在约60°、150°、240°和330°时达到。在这些值时，由强制力Fx -或Fx +之和得出的合力最小。优选的角度，亦即此时上述强制力得到补偿以及钢丝无横向偏移地贯入单晶体内，取决于单晶体的材料，或在半导体的情况下还取决于半导体中搀杂质，以及取决于其他因素。这些对于每种单晶体材料通过实验确定。
按本发明的用于在切割机内，尤其在钢丝锯设备内，单晶体定向的设备可以充分利用这种效果，与此同时可以精确地调整期望的定向误差φ。
由图5a可见，用于单晶体在切割机内定向的设备有一个处于真正的切割机外部的装置10，用于确定晶面，例如(100)晶面，与晶体表面2之间的角。此装置10有一个包括一个平的表面11a用于单晶体3的支架11，它优选地设计为真空吸盘，以及基本上圆柱形的单晶体在一个端面借助负压的作用固定在它上面。单晶体方位角定向，亦即沿以后的切割面的角向位置，通过平台7或其他外部标志的定向在装置10内确定。在这种情况下单晶体3或牢固粘结在锯底座12上，单晶体借助它以后可装入钢丝锯设备内，或在测量后进行此粘结。设在单晶体3上的平台7相对于支架11的角向位置通过止挡13调整，使得规定的晶向K相对于在切割机中的进给方向之间的夹角ρ，如图5b所示有一个上面已说明的事先通过实验确定的值，此值导致最小的钢丝偏移并因而最大可能的进给速度。支架11可沿垂直方向移动。此外，支架11可借助一个图中未表示的旋转机构绕其平行于单晶体纵向中心线延伸的中心轴线旋转。与单晶体处于相对位置或单晶体上构成以后第一个切下的晶片表面的自由表面2的上方，设一自动准直仪14，它定位为使其光学轴线O与支架11表面11a上的法线重合。此外设一个X射线测角器，它由X射线管15和附属的探测器16组成，可在一个预定的角度范围，例如约20°，绕在单晶体表面2上的一个原点运动。此外还设一面平面平行的光学镜子17。镜子17可借助图中未表示的真空机构固定在单晶体的端面2上。镜子17也可以这样的方式固定在单晶体3的端面2上，即使它处于自动准直仪的光学轴线上。自动准直仪的测量范围约为±1°。在晶体端面2相对于平的表面11a的角度超出此测量范围的情况下，采用有规定楔角的图中未表示的光学楔形板，它造成规定的射线偏转例如2°，从而将要测量的表面重新置于测量范围内。
装置10的控制设计为，首先自动地借助自动准直仪实施镜子定向的角度测量，接着借助X射线测角器测量期望的晶面，例如(100)晶面。此外将控制设计为，在第二步可再次用绕纵向中心线M旋转90°的单晶体实施这些相同的测量。
由图6和7可见，用于切割单晶体的在本实施例中设计为钢丝锯设备20的设备有一些钢丝辊21，钢丝区4沿水平方向通过钢丝辊21导引，以及处于其下方的转向辊22用于在真正的、在其中实施切割的钢丝面下方回引钢丝区。在钢丝区4上方设进给装置23，借助进给装置，通过固定在X-Y定位装置24上的锯底座12，可将单晶体沿垂直方向朝钢丝区以规定的进给速度V运动。X-Y定位装置24设计为，它可使单晶体3涉及机器方面的坐标系统XM、YM、ZM，沿平行于钢丝区4的方向，亦即XM方向，以及沿垂直于钢丝区4的方向，亦即YM方向移动。沿XM方向的转动范围约为±5°以及沿YM方向的转动范围约为±2°。此外设一自动准直仪25，它与装置10的自动准直仪14一致，它的光学轴线O处于一个平行于钢丝区4的平面内。此外，此自动准直仪25设置为使它的光学轴线在装入单晶体时大体处于单晶体中心线的高度上。为了分析自动准直仪的角度测量结果设一计算装置26。
设备20还包括一面镜子27，它与装置10的镜子17一致，以及它借助图中未表示的真空机构固定在单晶体3面朝自动准直仪25的端面2上。此外，在可旋转的套管29内设一光学楔形板28，用于造成规定的例如2°射线偏转。镜子27和楔形板28固定在一个含有真空机构的支架30上。此外设一止挡31，它使镜子27和楔形板28离X-Y定位装置24规定的距离固定不变。
为了调整整个设备设一基准面32，它固定在与自动准直仪25处于相对位置的进给装置23上。基准面有高度的平直性和机械稳定性，以及有一个易于清洁的表面，以便易于在测量前清除污垢。借助一图中未表示的可直接安装在基准面上的照相机，可使基准面在水平面内平行于钢丝区4定向。
按本发明的设备10和20的工作如下。首先单晶体3如图5b中所示借助图中未表示的止挡将平台7按一个相对于锯底座12规定的角度方向地粘结在此锯底座上。在这里应这样选择上述角度，即，使平台7以这样的方式沿方位角方向定向：使规定的晶向K相对于进给方向V成一预定的角度ρ，在此角度下几乎消除了作用在钢丝上的强制力，并因而可以调整为一个最大可能的进给速度。然后，如图5a所示，单晶体3连同锯底座12借助图中未表示的真空机构安装在设备的支架11上，以便确定晶面相对于单晶体端面2的定向。真空机构允许单晶体3直接放置在支架11的表面11a上。接着，支架11移动到规定的高度位置，所以单晶体的端面2处于X射线测角器的焦点平面上。然后将镜子17借助真空机构安装并固定在端面2上。接着，借助自动准直仪14进行镜面的角度测量，为此确定反射的十字线与投射在镜面上的十字线的偏差。因为镜子17的表面平行于单晶体3的端面2定向，以及自动准直仪14的光学轴线O垂直于支架11构成基准面的表面11a，所以通过上述测量可以确定镜面或单晶体端面相对于支架11表面11a的角度的调整。
作为替换方式，单晶体在没有锯底座的情况下测量，此时，例如通过一个止挡确定平台在X射线装置中的定向。
所要求的晶面，例如(100)晶面，通常不平行于单晶体3的端面2。为了确定晶面的方向，借助X射线测角器15、16测量布喇格反射，X射线测角器为此可在规定的角度范围内运动。X射线管15和探测器16按已知的方式处于彼此相隔一个固定的角向距离的位置，以及在一圆弧上在预定的角度范围内运动。布喇格反射说明了晶面与支架11表面11a之间的夹角。重复X射线测角学的测量，在此过程中单晶体旋转90°。通过光学和X射线测角学的测量得到两个矢量，亦即相对于定向装置零点的X射线测量值(X100、Y100)和光学测量值(XOF、YOF)。这两个矢量之差得出(100)晶面相对于晶体表面2的定向，与所有的外部基准系统如成套板条(Kitleisten)、压板、固定盘等无关。在此测量后便已知(100)晶面相对于单晶体端面2的定向。由此得出在钢丝锯内X-Y定位的修正值，用于调整期望的定向误差。
接着，在钢丝锯20上借助一致的自动准直仪25和一致的平面平行的镜子27测量晶体上端面2的位置。在这里X-Y定位装置24在机器方面的坐标系XM、YM中的零点调整，借助基准面32进行。沿YM方向，亦即沿进给方向，此调整只是一次性地在工厂方面例如借助千分表进行。沿XM方向，亦即在钢丝面内的零点确定，在切割钢丝每次更换辊时进行。为此，基准面32水平地在钢丝区借助一个固定在基准面上的照相机定向，它确定相对于钢丝区基准钢丝的X位置。
为了调整自动准直仪25，进给装置23移动到基准位置，亦即使基准面32处于自动准直仪25的光学轴线内，以及将镜子27安置在基准面上并测量自动准直仪的位置。然后借助基准面32进行电子基准化，此时镜子27借助真空固定装置吸附在基准面32上。接着拆除镜子27以及进给装置运动到装料或定向位置以及单晶体3与锯底座12固定在一起。然后，镜子27固定在晶体端面2上，以及借助于自动准直仪25测量端面2的角度调整。接着，引用由装置10中的测量获得的修正值并进行单晶体的水平和垂直的位置调整，所以晶面有相对于钢丝区预定的角度。拆取镜子和实施切割。
在上述方法中，保持规定的晶向K的方位角调整，以及可以与先有技术相比更高的进给速度加工。进给速度例如对于切割6英寸GaAs单晶体约为传统定向的四倍，在传统定向时不可能恰当地调整方位角位置。
按一种修改，期望的定向误差通过设楔形板来考虑。在按本发明的切割设备另一种修改中，单晶体在此切割设备中可绕其在图1中表示的垂直于晶片表面的轴线No转动，以便调整为使切割力最小的最佳角度。作为替换形式，也可以将导致切割力最小的最佳角通过钢丝区的倾动来调整。优选地设一测量装置，用于测量切割时切割设备的偏转。
取代在测量装置10内的偏转，也可以使用一种不接触式距离测量系统，用于检测平台的定向。
由于粘结或止挡、基准面等的不清洁造成的全部误差均可避免，因为在钢丝锯设备20上可以直接测量。所说明的设备和方法允许在钢丝锯上高精度地直接测量，没有安全性危险。此外，借助自动准直法的角度测量与测量距离无关，所以自动准直仪25可以安置在切割腔的外面。因此为了切割可以封闭相应的保护罩。X-Y定位装置可以实施定向误差分量的垂直和水平调整，所以晶体的加工方向可以随时自由选择，并可利用作为钢丝偏移的调节参量。
本发明不限于钢丝锯设备，而例如也可以在一种内孔切割机中使用。

Claims (28)

1.切割单晶体的设备，包括：
一个切割装置(4)，用于从基本上设计为圆柱形具有一纵向中心线(M)的单晶体(3)切下晶片；
一个设在此设备中的定向装置(24)，用于单晶体相对于切割装置定向；
一个进给装置(23)，用于沿基本上垂直于其纵向中心线的进给方向(V)使晶体(3)相对于切割装置运动，
其特征为：定向装置(24)设计为，使单晶体(3)能绕一条由进给方向确定的轴线以及一条垂直于由纵向中心线(M)与进给方向(V)确定的平面的轴线旋转。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征为：切割装置设计为有多根平行的用于切割并构成一钢丝面的钢丝(4)的钢丝锯；以及，定向装置(24)设计为X-Y定位装置，单晶体借助它可在一个平行于钢丝面的平面内和一个垂直于钢丝面的平面内移动。
3.按照权利要求2所述的设备，其特征为：设一角度测量装置，用于测量单晶体(3)端面(2)相对于钢丝面的方向。
4.按照权利要求2或3所述的设备，其特征为：角度测量装置有一面固定在单晶体(3)的端面(2)上的镜子(27)和一个自动准直仪(25)，它的光学轴线(O)垂直于切割面。
5.按照权利要求4所述的设备，其特征为：镜子(27)可借助真空装置固定在单晶体的端面(2)上。
6.按照权利要求2至5之一所述的设备，其特征为：设一用于X-Y定位装置的基准装置(32、25)。
7.按照权利要求1至6之一所述的设备，其特征为：设一块有一确定的楔角的楔形板(28)，用于调整单晶体X-Y定向的预定的角偏移。
8.按照权利要求7所述的设备，其特征为：楔形板(28)可在切割面内以这样的方式绕单晶体的纵向中心线旋转，即，可调整楔角的一个规定的方位角定向。
9.按照权利要求1至8之一所述的设备，其特征为：设单晶体的支架(12)，单晶体借助它按这样的方式定位在切割装置内，即，将单晶体预定的外部标志定位在一个预定的绕纵向中心线(M)旋转的位置。
10.按照权利要求1至8之一所述的设备，其特征为：设一旋转装置，用于单晶体绕其纵向中心线旋转；以及，优选地存在一个用于在切割时测量切割装置偏转的装置，此装置与旋转装置耦合。
11.在切割机内切割单晶体的方法，在切割机中，通过单晶体沿进给方向(V)相对于切割装置运动切下晶片，此方法包括下列步骤：
确定晶面与单晶体外表面(2)之间的角度；
在切割机内测量单晶体外表面(2)的定向；
以此外表面的定向为基本位置以这样的方式确定单晶体的位置，即，使规定的晶面与进给方向构成一个预定的夹角；以及
实施切割。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征为：角度的确定借助一个有下列步骤的方法实施：
借助自动准直法测量晶体表面(2)与一基准轴线的夹角；
借助X射线测角法测量晶面相对于基准轴线的角度；以及
算出测得的这些角度之差。
13.按照权利11或12所述的方法，其特征为：在切割面内单晶体规定的晶向(K)的角向位置调整为，使单晶体切割时作用在切割装置上的力最小。
14.按照权利要求1至10之一所述的设备，其特征在于一个用于确定晶面相对于一晶体表面的方向的设备，此设备包括：
一个用于单晶体(3)的支架(11)，单晶体(3)借助它固定为使单晶体要测量的表面(2)暴露在外；
一个角度测量装置(14、17)用于测量要测量的表面(2)相对于支架基准轴线的角度；以及
一个X射线测量装置(15、16)用于确定晶面相对于基准轴线的角度。
15.按照权利要求14所述的设备，其特征为：单晶体(3)基本上构成圆柱形以及要测量的表面(2)是圆柱体的一个端面，支架(11)有一个平的表面(11a)，单晶体(3)可将其与要测量的表面处于相对位置的端面固定在此平的表面上；以及，基准轴线是平的表面(11a)的法线。
16.按照权利要求14或15所述的设备，其特征为：角度测量装置(14、17)包括一面装在要测量的表面(2)上的镜子(17)和一个自动准直仪(14)，它的光学轴线(O)与基准轴线重合。
17.按照权利要求14至16之一所述的设备，其特征为：X射线测量装置设计为X射线测角器，它包括X射线管(15)和探测器(16)，它们可在一个角度范围内绕基准轴线共同运动，以便测量晶面的布喇格反射。
18.按照权利要求14至17之一所述的设备，其特征为：支架(11)可沿基准轴线的方向移动。
19.按照权利要求14至18之一所述的设备，其特征为：支架(11)有一个真空抽吸装置，用于借助负压固定单晶体(3)。
20.按照权利要求14至19之一所述的设备，其特征为：单晶体在支架中有一个止挡(13)，单晶体(3)借助它可按预定的角度方向固定在一个垂直于基准轴线的平面内，其中优选地设一个止挡(13)。
21.确定晶面相对于晶体表面定向的设备，包括：
一个用于单晶体(3)的支架(11)，单晶体(3)借助它固定为使单晶体要测量的表面(2)暴露在外；
一个角度测量装置(14、17)用于测量要测量的表面(2)相对于支架基准轴线的角度；以及
一个X射线测量装置(15、16)用于确定晶面相对于基准轴线的角度。
22.按照权利要求21所述的设备，其特征为：单晶体(3)基本上构成圆柱形以及要测量的表面(2)是圆柱体的一个端面，支架(11)有一个平的表面(11a)，单晶体(3)可将其与要测量的表面处于相对位置的端面固定在此平的表面上；以及，基准轴线是平的表面(11a)的法线。
23.按照权利要求22或23所述的设备，其特征为：角度测量装置(14、17)包括一面装在要测量的表面(2)上的镜子(17)和一个自动准直仪(14)，它的光学轴线(O)与基准轴线重合。
24.按照权利要求21至23之一所述的设备，其特征为：X射线测量装置设计为X射线测角器，它包括X射线管(15)和探测器(16)，它们可在一个角度范围内绕基准轴线共同运动，以便测量晶面的布喇格反射。
25.按照权利要求21至24之一所述的设备，其特征为：支架(11)可沿基准轴线的方向移动。
26.按照权利要求21至25之一所述的设备，其特征为：支架(11)有一个真空抽吸装置用于借助负压固定单晶体(3)。
27.按照权利要求21至26之一所述的设备，其特征为：单晶体在支架中有一个止挡(13)，单晶体(3)借助它可按预定的角度方向固定在一个垂直于基准轴线的平面内，其中优选地设一个止挡(13)。
28.确定晶面相对于晶体表面定向的方法，包括下列步骤：
借助自动准直法测量晶体表面(2)与基准轴线的夹角；
借助X射线测角法测量晶面相对于基准轴线的角度；以及
计算测得的这些角度之差。
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