TWI510682B - 晶棒表面奈米化製程、晶圓製造方法及其晶圓 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種表面奈米化製程，尤指一種晶棒表面奈米化製程及其晶圓製造方法。
日常生活中所使用之資訊產品、資訊家電等，例如手機、電腦之主機板、微處理器、記憶體、數位相機、PDA等電子產品，均具有由IC半導體所組成之運算單元，而所謂的IC就是利用晶圓經過各種半導體製程所製作之具有特定電性功能之電路元件。
半導體加工製程可包含最初的長晶、進而至切片、研磨、拋光、清洗等相關步驟，其中在晶棒切割形成晶圓的過程，就直接決定出所生產之晶圓的數量，其更直接影響到半導體後段製程所產出的晶片數量，故提升晶棒切割的品質可連帶增加半導體產業的經濟效應。
一般矽晶圓製程中需先針對晶棒進行機械加工，例如外圓輪磨後再進行切片。然而，前述的機械加工對於脆性較高的晶棒，可能導致較高的不良率，其主要原因在於高脆性之晶棒，切片時刀具造成的應力容易造成晶棒表面的脆裂，並在晶圓邊緣產生微小的裂痕，而使得後續的晶圓製程中易發生破片現象，嚴重影響晶圓製程的良率。
再者，切片所得之晶圓在各種加工製程中可能會
受到外力的作用，當外力超出晶圓的最大負載或是應力過度集中時就會造成晶圓裂痕、晶圓破片的問題，導致生產製程的良率下降。
本發明之目的之一，在於提供一種晶棒表面奈米化製程及其晶圓製造方法，以在晶棒進行切片之前針對晶棒表面進行改質，以於晶棒表面製作出具有奈米結構之微結構層，所述之具有奈米結構之微結構層可強化晶棒表面強度，以降低切片的碎邊率。
本發明實施例係提供一種晶棒表面奈米化製程，係在晶棒進行切片步驟之前，先針對晶棒之至少一表面進行一表面處理步驟，以於該表面形成一具有奈米結構之微結構層。
本發明實施例係提供一種晶圓製造方法，包括以下步驟：成型一晶棒，該晶棒係由一初始晶棒所加工成型，該晶棒具有一黏著面；進行一表面處理步驟，以於該黏著面形成一具有奈米結構之微結構層；提供一載具，並成型一連接層於該黏著面之微結構層上，以利用該連接層將該晶棒固定於該載具上；進行一切片步驟。請注意，本發明實施例所指之「晶棒」、「初始晶棒」乃為泛指的名詞，實際上針對不同結晶態樣或各階段的加工製程後，產業界會以特定的名稱加以命名，然本發明可含括各種不同名稱的「晶棒」、「初始晶棒」。
本發明實施例係提供一種晶圓製造方法，包括以下步驟：成型一晶棒，該晶棒係由一初始晶棒所加工成型；進行一表面處理步驟，以於該晶棒之表面上形成一具有奈米結構之微結構層；提供一載具，並成型一連接層於該微結構層上，以利用該連接層將該晶棒固定於該載具上；進行一切片步驟。
本發明具有以下有益的效果：本發明主要利用表面處理方法將晶棒之至少一表面進行表面改質，以於晶棒表面生成淺層的奈米結構層，該奈米結構層並不會影響晶棒表面的特性；另外，該奈米結構層可釋放切片時刀具造成的應力，故可有效強化晶棒表面的機械強度，以降低切片時晶棒邊角之崩角問題。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
本發明提出一種晶棒表面奈米化製程及其晶圓製造方法，該晶棒表面奈米化製程主要係於晶棒進行切片步驟之前，先針對晶棒之至少一表面進行一表面處理步驟，使該表面上形成一具有奈米結構之微結構層，所成型之微結構層可提供釋放應力的效果，以降低晶棒進行切片步驟的碎邊率(chipping ratio)，進而提高晶圓製造的良率及品質。
本發明所提出之晶棒表面奈米化製程係利用濕蝕刻方式針對晶棒表面進行表面改質的處理，使晶棒表面生成奈米結構，如奈米針結構、奈米柱結構等等，此奈米結構的形態類似於草狀(grass-like)結構，故又可稱做矽草(silicon grass)結構，或稱做黑晶(black Si)現象，經過表面改質的處理後，晶棒表面在視覺上近乎呈現黑色，即代表入射光幾乎被晶棒表面所吸收，因此具有較佳的抗反射率特性。然而，在其他變化實施例中，晶棒表面亦可藉由乾蝕刻，如電漿(plasma)等蝕刻方法進行表面改質的處理。
如圖1所示，本發明之晶棒表面奈米化製程包括以下步驟：
步驟S101：製備蝕刻液。在具體實施例中，係選用氫氟酸(HF)溶液、水(即溶劑)、硝酸銀(AgNO3
)溶液及過氧化氫(H2
O2
)溶液依照一預定比例進行混合。需注意的是，上述溶液的濃度可根據實際的製程進行調整；而在此實施例中，氫氟酸溶液的濃度約為49%，硝酸銀溶液的濃度約為0.1M，而過氧化氫溶液的濃度約為39%。
首先，在預定溫度下將濃度49%的氫氟酸溶液、濃度0.1M的硝酸銀溶液、濃度39%的過氧化氫溶液及水依照一預定比例混合均勻以配製成一酸性蝕刻液。該酸性蝕刻液即可作為用以蝕刻晶棒，在本具體實施例中，氫氟酸溶液、水、硝酸銀溶液及過氧化氫溶液之比例約為20：40：1：4。再者，混合液可以在溫度約為
20℃(室溫)下配製而成。
步驟S103：藉由該蝕刻液對晶棒(如矽晶棒)之表面進行表面處理，亦即操作者可以選取矽晶棒之一個或多個表面浸泡於上述酸性蝕刻液中，以於所浸泡之表面上形成前述之具有奈米結構之微結構層1011(如圖7所示)。在本具體實施例中，係將該矽晶棒的一個表面(即後續塗佈連接層之表面)浸泡於酸性蝕刻液中，以利用化學溼式蝕刻方式進行本發明之表面處理步驟，所選取之該矽晶棒的一個表面係浸泡於上述酸性蝕刻液約30秒至5分鐘，例如60秒，以於該表面形成有奈米結構，實質上，該微結構層1011係為一淺層結構，其約成型於該表面下數奈米至數十奈米深，故對於該表面的微米等級之表面特性而言，該微結構層1011並不會造成太大的影響(此部分將於後文以表面粗糙度進行說明)。
以下將本發明之晶棒表面奈米化製程應用於一晶圓製造方法，並進行相關實驗以具體說明本發明之功效，其中所述之晶圓製造方法包括以下步驟(如圖2)：
步驟S201：成型一晶棒。首先，請配合圖3A-3C及圖4A-4D，其分別係為多晶棒及單晶棒的示意圖，值得說明的是，本發明所定義之「晶棒」可廣泛地解釋，並不特指某一製程所製作者。請先參考圖3A-3C，圖3A顯示利用將原料多晶矽鑄造形成之晶錠10A(Ingot)，晶錠10A即為一種初始晶棒；接著，如圖3B
所示之割錠成塊的步驟，將晶碇10A切方(squaring)、切割以形成近似四方柱形之塊狀晶棒10B；接著，如圖3C所示，切方所得後進行拋光即為多晶棒10C(即本發明所稱之晶棒)，其可用於製造太陽能晶圓。
又例如圖4A-4D，先利用拉晶等方法成長一粗棒20A，其亦為前述之初始晶棒，例如本領域常見之旋轉拉晶法，具體而言，可利用柴式拉晶法(Czochralski method，簡稱CZ法)，將晶種(seed crystal)浸入於石英坩堝內所形成之矽熔融液中，並使石英坩堝及晶種進行反向或同向旋轉，同時向上提拉晶種，藉以利用晶種為結晶核而使矽單晶成長於晶種下方以製作出粗棒20A；又或者利用懸浮帶區法(floating zone method，簡稱FZ法)製作一粗棒20A等等；粗棒20A經過多個加工步驟後以成型為圓棒20D(即本發明所稱之晶棒)，例如，粗棒20A係先經過移除晶棒頭尾；再經過外圓輪磨等加工，使長成後的粗棒20A進行輪磨，以修整粗棒20A之不規則表面與結構的變質層，使粗棒20A呈適當的圓截面及所需的外徑(如圖4B所示之單棒20B)；再經過切割形成分段單棒20C；接著，針對前述分段單棒20C進行一圓磨(又稱輪磨)步驟，以去除分段單棒20C之表面因切割所形成的機械損傷層或結構的變質層，而形成圓棒20D(即本發明所稱之晶棒)。
如圖3C所示之實施例中，該多晶棒10C具有四個側面101，操作者可選用上述四個側面101的其中之一
為一黏著面101A(如圖5所示)，該黏著面101A係用於成型一連接層11，以利用該連接層11將多晶棒10C固定於一載具12上，進而進行後續的切片步驟(此步驟將於後文再于以詳細說明)，且本發明所提出之晶棒表面奈米化製程即可針對前述之黏著面101A進行奈米化的改質，以降低多晶棒10C進行切片步驟的碎邊率。
步驟S203：進行一表面處理步驟，此步驟即為前述之晶棒表面奈米化的步驟(即S101與S103)；如同前述，先製備蝕刻液，例如先在預定溫度下將濃度49%的氫氟酸溶液、濃度0.1M的硝酸銀溶液、濃度39%的過氧化氫溶液及水依照一預定比例混合均勻以配製成一酸性蝕刻液，或是以硝酸、磷酸與溶劑等混合均勻以配製成另一蝕刻液；接著，將該黏著面101A浸入前述之酸性蝕刻液，使黏著面101A上形成一具有奈米結構之微結構層1011。
另一方面，由於黏著面101A必須成型有一連接層11，以利用該連接層11將多晶棒10C固定於載具12上，進而進行後續的切片步驟，為了避免表面處理步驟影響該黏著面的表面特性，造成黏著面101A與連接層11的接著特性不佳，本發明特將傳統未經本發明表面處理步驟的晶棒(即對照例)與經本發明表面處理步驟的晶棒(即實驗例1、2)進行表面粗糙度的量測，以確保表面處理之蝕刻步驟不會影響黏著面101A與連接層11的接著強度，量測結果如表一所示，其中Ra
表示中心線平均粗糙度；Rmax表示最大高度粗糙度，且由表一可知，經過晶棒表面奈米化的蝕刻處理後，實驗例1、2的表面粗糙度依然接近於對照例，表示本發明之晶棒表面奈米化處理不會影響黏著面101A與連接層11的接著強度。
步驟S205：提供一載具12(如圖5所示)，並成型一連接層11於該黏著面101A之微結構層1011上，以利用該連接層11將該多晶棒10C固定於該載具12上。具體而言，該黏著面101A上可塗佈有黏膠材料，例如臘或樹脂類的黏結劑，如環氧樹脂等，以形成所述之連接層11，並利用該連接層11將多晶棒10C固定於該載具12上，該載具12可為石墨板、石墨墊片等，其可用於支撐、固定多晶棒10C，亦可避免在切片步驟時，刀具離開多晶棒10C所造成的晶棒邊角、邊緣的破裂、崩角現象(edge chipping)。
步驟S207：進行一切片步驟。在本具體實施例中，係採內徑鋸或線鋸(wire saw)等方式將多晶棒10C切割成晶圓；而在切片步驟之前，更包括結晶定位，
例如利用X-ray繞射、平行光束折射等方法來決定多晶棒10C在切片機上的正確位置。
另外，在另一變化實施例中，上述之步驟S103可藉由該蝕刻液對晶棒(如矽晶棒)之表面進行表面處理，如圖3C所示之四個側面101，而不限定於黏著面101A；換言之，在晶棒的各個表面上均成型有上述之具有奈米結構之微結構層1011。
由於本發明所提出之晶棒表面奈米化製程可於黏著面101A上成型具有奈米結構之微結構層1011，該微結構層1011可以強化晶棒表面之機械強度，並釋放切片時之刀具所造成的應力，藉以降低切片步驟的碎邊率。在一測試的實驗例中，利用本發明所提出之晶棒表面奈米化製程，可大幅降低切片之碎邊率，其碎邊率可降低至零；相對地，傳統未經本發明表面處理步驟的晶棒之切片碎邊率約為1.5%至2.0%，顯見本發明之晶棒表面奈米化製程可有效提高晶圓製造的良率。
另一方面，如圖6所示，其顯示前述之圓棒20D經由連接層11而固定於該載具12上之示意圖。該圓棒20D具有一側面201，而操作者可選取側面201的一部份為黏著面201A，並將黏著面201A進行本發明之晶棒表面奈米化製程，再利用連接層11將黏著面201A黏接固定於載具12上，以進行切片步驟；同樣地，黏著面201A上具有本發明之晶棒表面奈米化製程所生成之奈米結構之微結構層1011，其可強化晶棒表
面之機械強度，並釋放切片時之刀具所造成的應力，藉以降低切片步驟的碎邊率。
因此，本發明係於切片步驟之前，在晶棒的表面(如圖5)或是表面的一部份(如圖6)製作出具有奈米結構的微結構層1011，所述之奈米結構較佳地位於切片步驟中刀具之行程的結束位置，例如上述的黏著面，使切斷時刀具所造成應力可被奈米結構所釋放，以降低晶棒切片的碎邊率。另外，所製成的奈米結構並不會影響到黏著面的粗糙度，故不會影響到黏著面與連接層的接著強度，換言之，本發明可適用於目前的晶圓製造方法，而不需調整、改變現有的製程。據此，本發明可提供一種有效降低晶棒切片時晶棒邊緣、邊角發生脆裂之機率，進而提高切片良率之晶棒表面奈米化製程及其晶圓製造方法。另一方面，本發明可針對每一個側面101(如圖5所示)或側面201的全部(如圖6所示)進行表面奈米化製程，即針對晶棒的全表面製作出具有奈米結構的微結構層1011，以同時降低切割步驟時「入刀/出刀」時的碎邊率。而在切片完成之後，即可形成圖7A之晶圓100，其具有切片過程中所形之上、下表面及相鄰兩切割道所界定之側面101、201；上、下表面及側面101、201之間可具有介於0度至180度之間的夾角，如約90度，或者上、下表面及側面101、201之間可具有導圓角結構。
另請參考圖7A，其顯示圖5之多晶棒10C經過切片步驟後所形成之晶圓(又稱晶片)100，如圖所示，
切片之後的晶圓100為薄片狀，其具有多個(如四個)側面101，側面101可由多晶棒10C上之相鄰兩切割道所界定，而其中之一側面101即為上述之具有奈米結構之微結構層1011的黏著面101A；而圖7B則顯示切片之後的晶圓100之四個側面101上均成型有微結構層1011。又圖8A則顯示圖6之圓棒20D經過切片步驟後所形成之圓形薄片狀的晶圓200，晶圓200之側面201的一部份為黏著面201A，而黏著面201A上可利用前述方法製作出具有奈米結構的微結構層2011；而圖8B則顯示切片之後的晶圓200可在全部的側面201上均成型有微結構層2011。
就微結構層1011、2011的特性加以分析，微結構層1011、2011中的奈米結構可形成集中應力的缺陷位置，如奈米結構的連接處、奈米結構本身中的材料缺陷等均可能造成應力集中的現象，故就整個側面101、201的巨觀分析，晶圓100、200所受的應力可分散於整個側面101、201的缺陷位置，而形成面型態的應力分布，並非點型態或線型態的應力分布。故當晶圓100、200受到張力時，應力會被分散至整個側面101、201的微結構層2011上，故可避免過度的應力集中所導致之晶圓上的裂痕或晶圓破裂問題；換言之，晶圓100、200之側面101、201的微結構層2011可有效提高晶圓的抗破裂強度。再者，晶圓100、200亦可利用微結構層2011達到承受更大的負載的效果，亦即使微結構層2011具有較大的可彎曲度；因此，本發明之
晶圓100、200在加工製程中不易因張力的作用而產生破片，故可更進一步提升晶圓100、200的材料特性及其製程的適用領域。根據具體的實驗結果，傳統的晶圓可承受的最大負載約為2N，而本發明之晶圓100、200的最大負載約為3N，且可隨著微結構層2011的長成時間而調整，足見微結構層2011可提升晶圓100、200的強度與抗破裂特性。
再者，前述實施例係以矽晶棒進行說明，然本發明可應用於其他材料之晶棒，如砷化鎵晶棒等等，而所選用之蝕刻液種類亦可針對不同的晶棒而選用不同組成、不同成份比例、不同酸鹼值之蝕刻液。值得說明的是，本發明亦不排除以適當的乾蝕刻(如電漿蝕刻)等方法或機台進行前述之晶棒表面奈米化製程。而本發明所製作之晶圓100、200可應用於太陽能晶片、發光二極體晶片、半導體晶片等領域。
本發明至少具有以下優點：
1、本發明利用表面處理方法將晶棒之一表面進行表面改質，以於晶棒表面生成淺層的奈米結構層(即微結構層)，釋放切片時刀具造成的應力，故可有效強化晶棒表面的機械強度，以降低切片時晶棒邊角之崩角問題。
2、在切片完成後，所製作之晶圓的側面具有上述之微結構層，其可提升晶圓的負載，以提高晶圓的強度及抗破裂特性。再者，晶圓具有較大的可彎曲度，以應用於較廣的應用範圍。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。
10A‧‧‧晶錠
10B‧‧‧塊狀晶棒
10C‧‧‧多晶棒
20A‧‧‧粗棒
20B‧‧‧單棒
20C‧‧‧分段單棒
20D‧‧‧圓棒
100、200‧‧‧晶圓
101、201‧‧‧側面
101A、201A‧‧‧黏著面
1011、2011‧‧‧微結構層
11‧‧‧連接層
12‧‧‧載具
S101~S103、S201~S207‧‧‧步驟
圖1係顯示本發明之晶棒表面奈米化製程的流程圖。
圖2係顯示本發明之晶圓製造方法的流程圖。
圖3A-3C係顯示本發明之多晶棒的製程示意圖。
圖4A-4D係顯示本發明之單晶棒的製程示意圖。
圖5係顯示本發明之多晶棒(即晶棒)藉由連接層固定於載具上的示意圖。
圖6係顯示本發明的圓棒(即另一態樣之晶棒)藉由連接層固定於載具上的示意圖。
圖7A係顯示本發明第一實施例之晶圓的示意圖，其中微結構層成型在單一個側面上。
圖7B係顯示本發明第一實施例之晶圓的示意圖，其中微結構層成型在多個側面上。
圖8A係顯示本發明第二實施例之晶圓的示意圖，其中微結構層成型在一部分之側面上。
圖8B係顯示本發明第二實施例之晶圓的示意圖，其中微結構層成型在全部之側面上。
S101~S103‧‧‧步驟
Claims (15)
- 一種晶棒表面奈米化製程，係在晶棒進行切片步驟之前，先針對晶棒之相對於一刀具之一表面進行一表面處理步驟，以於該表面形成一具有奈米結構之微結構層，其中，該具有奈米結構之微結構層係用以強化該表面之強度，以於進行該切片步驟時釋放該刀具造成的應力。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶棒表面奈米化製程，其中該表面處理步驟係針對該表面進行濕蝕刻。
- 如申請專利範圍第2項所述之晶棒表面奈米化製程，其中該表面處理步驟係將該表面浸入至少由氫氟酸溶液、硝酸銀溶液、過氧化氫溶液及溶劑依照一預定比例混合所得之酸性蝕刻液。
- 如申請專利範圍第3項所述之晶棒表面奈米化製程，其中該酸性蝕刻液中之該氫氟酸溶液、該溶劑、該硝酸銀溶液及該過氧化氫溶液之比例為20：40：1：4。
- 一種晶圓製造方法，包括以下步驟：成型一晶棒，該晶棒係由一初始晶棒所加工成型，該晶棒具有一黏著面；進行一表面處理步驟，以於該黏著面上形成具有奈米結構之一微結構層；提供一載具，並成型一連接層於該黏著面之該微結構層上，以利用該連接層將該晶棒固定於該載具上；及進行一切片步驟； 其中，該微結構層係用以強化該黏著面之強度，以釋放該切片步驟中刀具造成的應力。
- 如申請專利範圍第5項所述之晶圓製造方法，其中該表面處理步驟係針對該黏著面進行濕蝕刻或乾蝕刻。
- 如申請專利範圍第6項所述之晶圓製造方法，其中該表面處理步驟係利用電漿將該黏著面進行改質。
- 如申請專利範圍第6項所述之晶圓製造方法，其中該表面處理步驟係將該黏著面浸入至少由氫氟酸溶液、溶劑、硝酸銀溶液及過氧化氫溶液混合所得之酸性蝕刻液，該酸性蝕刻液中之該氫氟酸溶液、該溶劑、該硝酸銀溶液及該過氧化氫溶液之比例為20：40：1：4。
- 如申請專利範圍第5項所述之晶圓製造方法，其中在進行一表面處理步驟的步驟中，更包括一將該晶棒的全表面製作出該具有奈米結構的微結構層之步驟。
- 一種晶圓製造方法，包括以下步驟：成型一晶棒，該晶棒係由一初始晶棒所加工成型，該晶棒具有相對於一刀具之一表面及一黏著面；進行一表面處理步驟，以於該晶棒之該表面及該黏著面上各形成具有奈米結構之一微結構層；提供一載具，並成型一連接層於該黏著面上之該微結構層上，以利用該連接層將該晶棒固定於該載具上；及進行一切片步驟；其中，該表面及該黏著面上之該微結構層係用以強化該晶棒之表面的強度，以釋放該切片步驟中該刀具 造成的應力。
- 如申請專利範圍第10項所述之晶圓製造方法，其中該表面處理步驟係針對該晶棒之該表面及該黏著面進行濕蝕刻或乾蝕刻。
- 如申請專利範圍第10項所述之晶圓製造方法，其中該表面處理步驟係利用電漿將該晶棒之該表面及該黏著面進行改質。
- 如申請專利範圍第10項所述之晶圓製造方法，其中該表面處理步驟係將該晶棒之表面浸入至少由氫氟酸溶液、溶劑、硝酸銀溶液及過氧化氫溶液混合所得之酸性蝕刻液，該酸性蝕刻液中之該氫氟酸溶液、該溶劑、該硝酸銀溶液及該過氧化氫溶液之比例為20：40：1：4。
- 一種利用如申請專利範圍第5或10項所述之晶圓製造方法所製成的晶圓，其係由一晶棒經過切割所形成者，該晶圓具有至少一個由相鄰兩切割道所界定之側面，該側面上形成具有奈米結構之一微結構層。
- 如申請專利範圍第14項所述之晶圓，其中所述之微結構層係成型於該側面之全部或一部分。
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