TWI632041B

TWI632041B - 晶棒切割方法及切削磨料套組

Info

Publication number: TWI632041B
Application number: TW106130995A
Authority: TW
Inventors: 陳炤彰; 謝啟祥; 羅宏章; 施英汝
Original assignee: 環球晶圓股份有限公司
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-08-11
Also published as: TW201912357A

Abstract

一種晶棒切割方法，包括：提供一軟化劑組成物及多個切削磨料，並且軟化劑組成物包含一載劑及分散於載劑中的多個反應磨料。將一晶棒相對於一線材沿一切割路徑移動。使晶棒接觸多個反應磨料以交互地產生固相化學反應，以使晶棒的外表層形成為硬度小於晶棒的一固相化學反應層。使晶棒接觸多個切削磨料以進行一切片作業。在切片作業中，多個切削磨料對固相化學反應層進行切割，以形成多個切割槽。而多個反應磨料沿著切割路徑持續地與晶棒接觸，並使每個切割槽的槽底持續地形成固相化學反應層，以供多個切削磨料沿切割路徑進行切割。

Description

晶棒切割方法及切削磨料套組

本發明涉及一種晶棒切割方法及切削磨料套組，尤其涉及一種可降低晶圓次表面破壞的晶棒切割方法及切削磨料套組。

現有的晶棒切割方法主要是採用複合式線鋸切削製程(multi-wire sawing process)，其為現今鋸切脆硬材料之主要應用製程。複合式線鋸切割技術其加工模式主要是利用高速的鋼線帶動具有高強硬度與尖銳刃角的磨料對工件進行移除，而此技術有可依磨料固定的方式分成游離磨線切割(free abrasive)與固定磨料線切割(fixed abrasive)兩類。

但這兩種製程本身皆以機械加工的機制移除材料，會使得矽表面產生次表面破壞(Subsurface Damage)的缺陷，可能造成基板破裂和良率下降，其原因為矽晶錠本身為一高硬度材料，利用各種磨料移除時，會於矽基板表面上產生次表面破壞等缺陷。

於是，本發明人認為上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。

本發明實施例在於提供一種晶棒切割方法及切削磨料套組，能有效地改善現有晶棒切割方法及切削磨料套組所可能產生的缺陷。

本發明實施例公開一種晶棒切割方法，包括：提供一軟化劑組成物及多個切削磨料，並且所述軟化劑組成物包含一載劑及分散於所述載劑中的多個反應磨料；以及將一晶棒相對於一線材沿一切割路徑移動，使所述晶棒接觸多個所述反應磨料以交互地產生固相化學反應，而令所述晶棒的外表層沿著所述切割路徑形成為硬度小於所述晶棒的一固相化學反應層，並使所述晶棒接觸多個所述切削磨料以進行一切片作業；其中，在所述切片作業中，多個所述切削磨料對所述固相化學反應層進行切割，以形成多個切割槽；而多個所述反應磨料沿著所述切割路徑持續地與所述晶棒接觸，並使每個所述切割槽的槽底持續地形成所述固相化學反應層，以供多個所述切削磨料沿所述切割路徑進行切割。

本發明實施例另公開一種切削磨料套組，其用以搭配一線材進行一晶棒的一切片作業，所述切削磨料套組包括：一軟化劑組成物，包含一載劑；及多個反應磨料，分散於所述載劑中，用以與所述晶棒交互地產生固相化學反應，以使所述晶棒的表層形成為硬度小於所述晶棒的一固相化學反應層；以及多個切削磨料，能用以在所述切片作業中，切割所述固相化學反應層，以形成多個切割槽，而多個所述反應磨料用以持續地與所述晶棒接觸，以在所述晶棒的每個所述切割槽處形成硬度小於所述晶棒的一固相化學反應層。

本發明實施例另公開一種切削磨料套組，適用於晶棒的一切片作業，所述切削磨料套組包括：一載劑；及多個反應磨料，材質是碳酸鹽類並且分散於所述載劑中，以形成黏度介於100cP至400cP的一軟化劑組成物；其中，所述載劑與多個所述反應磨料的用量比例範圍為1~2：0.1~1.5，並多個所述反應磨料的重量百分比範圍為3~30wt%。

綜上所述，本發明實施例所公開的晶棒切割方法及切削磨料套組，能使所述晶棒在切片作業中，接觸多個反應磨料以使得晶棒的外表層及切割槽的槽底形成為硬度小於晶棒的固相化學反應層，從而降低了切削磨料對於晶圓的次表面破壞。

為能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，但是此等說明與附圖僅用來說明本發明，而非對本發明的保護範圍作任何的限制。

101‧‧‧槽體

102‧‧‧線材

103‧‧‧滾輪

104‧‧‧管線

105‧‧‧噴嘴

1‧‧‧切削磨料套組

11‧‧‧軟化劑組成物

111‧‧‧載劑

112‧‧‧反應磨料

12‧‧‧切削磨料

2‧‧‧晶棒

21‧‧‧固相化學反應層

22‧‧‧切割槽

P1‧‧‧切割路徑

P2‧‧‧橫向方向

圖1為本發明第一實施例的晶棒切割方法的步驟流程示意圖。

圖2為本發明第一實施例中步驟S110的立體示意圖。

圖3為本發明第一實施例中步驟S120及步驟S130的立體示意圖。

圖4為本發明第一實施例中反應磨料及切削磨料透過噴嘴噴灑至線材上的示意圖。

圖5為圖3沿V-V剖線的剖視示意圖。

圖6為本發明第一實施例中晶棒的外表層形成為固相化學反應層的示意圖。

圖7為本發明第一實施例中晶棒切割槽的底層形成為固相化學反應層的示意圖。

圖8為本發明第二實施例中切削磨料固定於線材的示意圖。

本發明提供一種晶棒切割方法。所述晶棒切割方法包括：提供一軟化劑組成物及多個切削磨料，並且所述軟化劑組成物包含一載劑及分散於載劑中的多個反應磨料。以及將一晶棒相對於一線材沿一切割路徑移動，使晶棒接觸多個反應磨料以交互地產生固相化學反應，而令晶棒表層沿著切割路徑形成為硬度小於晶棒的一固相化學反應層，並使晶棒接觸多個切削磨料以進行一切片作業。其中，在所述切片作業中，多個切削磨料對固相化學反應層進行切割，以形成多個切割槽。而多個所述反應磨料沿著切割路徑持續地與晶棒接觸，並使每個切割槽的槽底持續地形成固相化學反應層，以供多個所述切削磨料沿切割路徑進行切割。

上述為本發明晶棒切割方法的主要技術特徵，於實際應用時，設計者能夠合理運用或是增減上述技術特徵，而完成不同實施態樣的晶棒切割方法，所以本發明難以就晶棒切割方法的所有實施態樣逐一介紹。因此，以下僅列舉運用上述技術特徵的部分實施態樣來說明晶棒切割方法，但本發明的保護範圍並不以此為限。

請參閱圖1至圖8，為本發明的各實施例，需先說明的是，各實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本發明的實施方式，以便於了解本發明的內容，而非用來侷限本發明的保護範圍。

[第一實施例]

如圖1，本發明的第一實施例公開一種晶棒切割方法。所述晶棒切割方法包含步驟S110、步驟S120、以及步驟S130。上述各步驟將配合圖2至圖6來說明。

如圖1及圖2，步驟S110為提供一軟化劑組成物11及多個切削磨料12。其中，所述軟化劑組成物11及多個切削磨料12可彼此搭配成為一切削磨料套組1。更詳細地說。所述軟化劑組成物11包含一載劑111及多個反應磨料112。並且多個所述反應磨料112是透過攪拌的方式均勻地分散於載劑111中(配置於一槽體101中)。其中，所述載劑111是選自丙二醇(PG)、聚乙烯二醇(PEG)、聚烷基二醇(PAG)的至少其中之一，而本實施例是採用丙二醇(PG)。多個所述反應磨料112的材質可為碳酸鹽類，所述碳酸鹽類是選自碳酸鈣(CaCO₃)、碳酸鋇(BaCO₃)、碳酸鎂(MgCO₃)的至少其中之一，而本實施例是採用碳酸鈣(CaCO₃)。多個所述切削磨料12是選自碳化矽(SiC)、鑽石等硬度較高的材料，而本實施例是採用碳化矽(SiC)。

進一步地說，本實施例中的多個所述切削磨料12相同於多個所述反應磨料112是透過攪拌的方式均勻地分散於載劑111中(適用於游離磨料線切割)，藉此可形成包含有載劑111、多個切削磨料12、及多個反應磨料112的一混合漿料。

如圖1及圖3，步驟S120為將多個所述反應磨料112及多個切削磨料12提供給一線材102。本實施例中線材102所採用的材質為鋼線，線徑大致為0.10mm至0.20mm。所述線材102是繞設於彼此間隔排列的兩個滾輪103上(本實施例中滾輪103的數量為兩個，但滾輪103的數量也可以是三個以上)。更詳細地說，預先地分散於載劑111中的多個反應磨料112及多個切削磨料12是透過管線104及設置於線材102上方兩側的多個噴嘴105噴灑至線材102上。

如圖1及圖3至圖6，步驟S130為將一晶棒2相對於線材102沿一切割路徑P1移動，以進行一切片作業，從而將所述晶棒2切割成多片晶圓。更詳細地說，所述晶棒2在沿切割路徑P1移動時，能接觸所述線材102。而噴灑至線材102上的多個反應磨料112及多個切削磨料12能透過線材102沿垂直於切割路徑P1的一橫向方向P2高速移動而與晶棒2接觸。藉此，多個反應磨料112能與晶棒2接觸且交互地產生固相化學反應(Solid Phase Chemical Reaction，SPCR)，並且使晶棒2的外表層形成為硬度小於晶棒2一固相化學反應層21(如圖6)。

進一步地說，本實施例的晶棒2為矽晶碇(silicon ingot)。而當所述晶棒2是採用矽材質時，其可為單晶或者是多晶的型態，並且當所述晶棒2為單晶的型態時(如：單晶晶棒)，其具有最佳的晶棒切割效果。再者，在本實施例中，多個所述切削磨料12的硬度是大於晶棒2的硬度，而多個所述反應磨料112的硬度是小於等於晶棒2的硬度。

另，由於多個所述反應磨料112需與晶棒2交互地產生固相化學反應，並且多個所述反應磨料112的硬度需小於或等於晶棒2的硬度，因此，反應磨料112在材料的選擇上，是依據待切割晶棒2的材質而定。而由於本實施例中的晶棒2所採用的材質為矽晶碇，因此多個所述反應磨料112的材質可選擇為如上所述的碳酸鹽類，而碳酸鹽類與矽晶錠的化學反應式為：Si+2XCO₃+O₂→X₂SiO₄+2CO₂。其中，X為2A族，如鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋇(Ba)等；X₂SiO₄為固相化學反應層21的組成成份(如Ba₂SiO₄、Ca₂SiO₄、Mg₂SiO₄)。以本實施例所採用的碳酸鈣(CaCO₃)為例，碳酸鈣(CaCO₃)與矽晶錠的化學反應式為：Si+2CaCO₃+O₂→Ca₂SiO₄+2CO₂。

如圖6及圖7，在所述晶棒2的表層形成為固相化學反應層21後，多個所述切削磨料12能對固相化學反應層21進行切割，並且可移除晶棒2的部分體積，以形成多個切割槽22。而多個所述反應磨料112能沿著切割路徑P1移動並且與晶棒2的多個切割槽22接觸，以使得每個切割槽22的槽底持續地形成為硬度小於晶棒2的固相化學反應層21，以供多個切削磨料12沿切割路徑P1持續地進行切割。最終，所述晶棒2沿上述切割路徑P1被切割成多片晶圓(圖未繪示)。

藉由上述的晶棒切割方法能大幅地提升晶棒2切割的品質。更詳細地說，由於所述固相化學反應層21(如：Ca₂SiO₄)的硬度小於晶棒2(如：矽晶碇)的硬度，因此固相化學反應層21能對晶棒2的外表層及切割槽22的槽底產生保護，以利於晶棒2在進行切割時，可以減少多個所述切削磨料12對於晶圓次表面的破壞，並且降低了晶圓表面的粗糙度，從而大幅地提升了晶棒2切割的品質。

再者，由於所述線材102在切片作業中，大部分是與固相化學反應層21接觸，因此透過本發明實施例的設計，能減少對線材102的破壞，從而大幅地提升了線材102的使用壽命。

值得一提的是，為了提升晶棒2切割的品質，所述切削磨料套組1中各成份的用量比例與重量百分比有一較佳範圍。所述載劑111、多個所述切削磨料12、與多個所述反應磨料112的用量比例範圍為1~2：0.5~1.5：0.1~1.5，多個所述切削磨料的重量百分比範圍為3~30wt%，並且多個所述反應磨料的重量百分比範圍為3~30wt%。依據上述配置，所述軟化劑組成物11及多個切削磨料12所組成的混合漿料具有介於100cP至400cP的黏度。

在此說明的是，若多個反應磨料112的重量百分比低於3wt%，則其無法與晶棒2反應。更詳細地說，若多個反應磨料112的重量百分比低於3wt%，則晶棒2的外表層及多個切割槽22的槽底將可能無法形成足夠厚度的固相化學反應層21，因此將無法減少多個切削磨料12對於晶圓次表面的破壞(因缺乏固相化學反應層21的保護)。再者，若多個反應磨料112的重量百分比高於30wt%，則過多的反應磨料112將可能無法均勻地分散於載劑111中，對於晶棒2切割的品質並無任何助益。

另，若多個所述切削磨料12的重量百分比低於3wt%，則多個切削磨料12在切片作業中將可能無法提供晶棒2足夠的切割力道。再者，若多個所述切削磨料12的重量百分比高於30wt%，則過多的切削磨料12在多個切割槽22中可能會產生較大的震動，如此將可能導致晶圓破損的情況發生。

此外，本實施例所提供的切削磨料套組1可以是單獨販售的產品，並且其不限定僅能應用於上述的晶棒切割方法。更詳細地說，所述切削磨料套組1可用以搭配所述線材102進行晶棒2的切片作業。所述切削磨料套組1包含軟化劑組成物11及多個切削磨料12。所述軟化劑組成物11包含載劑111及分散於載劑111中的多個反應磨料112。多個所述反應磨料112是用以與晶棒2交互地產生固相化學反應，以使晶棒2的表層形成為硬度小於晶棒2的固相化學反應層21。多個所述切削磨料12能用以在切片作業中切割固相化學反應層21以形成多個切割槽22，而多個所述反應磨料112用以持續地與晶棒2接觸，以在晶棒2的每個切割槽22處形成硬度小於晶棒2的一固相化學反應層21。

另，所述晶棒2為矽晶碇，而所述載劑111是選自丙二醇(PG)、聚乙烯二醇(PEG)、聚烷基二醇(PAG)的至少其中之一，並且多個所述反應磨料112的材質為碳酸鹽類。再者，多個所述切削磨料12是分散於載劑111中。而所述載劑111、多個所述切削磨料12、與多個所述反應磨料112的用量比例範圍為1~2：0.5~1.5：0.1~1.5，多個所述切削磨料的重量百分比範圍為3~30wt%，並且多個所述反應磨料的重量百分比範圍為3~30wt%。

[第二實施例]

如圖8，本發明的第二實施例公開一種晶棒切割方法。所述晶棒切割方法大致上如同上述第一實施例所揭露的步驟S110、步驟S120、以及步驟S130，在此不加以贅述。

而本實施例相較於第一實施例不同處為，本實施例的多個所述切削磨料12可以是透過樹脂、電鍍或硬焊等方式固定於線材102上(適用於固定磨料線切割)，而並非分散於載劑111中。因此在本實施例的載劑111中僅分散有多個反應磨料112，並不包含有多個切削磨料12。

此外，值得一提的是，本實施例所提供的切削磨料套組1可以是單獨販售的產品，並且其不限定僅能應用於上述的晶棒切割方法。

在下文中，將參考上述實施例更詳細地描述本發明。然而，根據本發明之實施例可被修改為各種其它形式，且本發明的範圍不應解釋為限制於下述實施例。提供下述實施例僅是便於向彼等具有該項技術之通常知識者更完整地描述本發明。

[晶圓測試片的製備]

製備例：根據上述第一實施例所公開的晶棒切割方法，在步驟S110中，首先配置包含有碳酸鈣(反應磨料112)、碳化矽(切削磨料12)、及丙二醇(載劑111)的混合漿料，並且透過攪拌的方式將碳酸鈣及碳化矽均勻地分散至丙二醇中。其中，碳酸鈣的重量百分比為25wt%。在步驟S120中，將所述混合漿料噴灑至線徑大致為0.10mm至0.20mm的鋼線(線材102)上。在步驟S130中，將晶棒2相對於線材102沿切割路徑P1移動，以進行切片作業，從而將所述晶棒2切割成多片晶圓。其中，晶棒的切除電流條件如下：粗切3nA、細切1nA。接著，將切割後的多片晶圓取出其中的一片晶圓做為測試片，以進行晶圓次表面破壞深度測試。以及取出其中的六片晶圓做為測試片，以進行晶圓表面粗糙度測試。

比較例：比較例的步驟流程與上述製備例大致相同，差異處僅在於，在步驟S110中的混合漿料僅包含碳化矽(切削磨料12)及丙二醇(載劑111)，且不包含任何的碳酸鈣(反應磨料112)。也就是說，碳酸鈣在混合漿料中的組成比例為0wt%。

[晶圓測試片的評估]

晶圓次表面破壞深度測試：將上述製備例及比較例分別取出的一片晶圓測試片(共兩片)，利用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行拍攝，以獲得兩張拍攝影像，掃描式電子顯微鏡的拍攝條件如下：拍攝電壓30KV、放大倍率15,000X。接者，將製備例的晶圓測試片的SEM拍攝影像取出兩個點進行縱軸破壞深度(μm)分析，以獲得兩個分析數值(編號為分析點1、分析點2)。以及，將比較例的晶圓測試片的SEM拍攝影像取出兩個點進行縱軸破壞深度(μm)分析，以獲得另外兩個分析數值(編號為分析點1’、分析點2’)。各測試片的縱軸破壞深度分析結果如表1所示。

晶圓表面粗糙度測試：將上述製備例取出的六片晶圓測試片(編號為1、2、3、4、5、6)及測試例取出的六片晶圓測試片(編號為1’、2’、3’、4’、5’、6’)，依據表面粗糙度的國際標準規格ISO25178利用粗糙度計(綠光干涉儀)來進行測定，以量測出面粗糙度的算術平均高度(S_a)、均方根高度(S_q)、及最大高度(S_z)。以及將上述的各晶圓測試片依據線粗糙度的國際標準規格ISO 13565-1利用粗糙度計來進行測定，以量測出線粗糙度的算術平均高度(R_a)、均方根高度(R_q)、及最大高度(R_max)。必須說明的是，在進行晶圓表面粗糙度測試時，每片晶圓測試片是分別隨機挑選其表面的五個點來進行量測，並且將五個點的量測結果果取平均值，測試結果如表2所示(表2僅顯示各量測參數的平均值)。

[晶圓測試片的評估結果]

表1顯示晶圓次表面破壞深度測試的評估結果，由表1可得知，本發明製備例(使用25wt%碳酸鈣)所取得的晶圓測試片具有較淺的縱軸破壞深度，分析的數值分別為1.04μm及1.61μm。而比較例(使用0wt%碳酸鈣)所取得的晶圓測試片具有較深的縱軸破壞深度，分析的數值分別為4.95μm及4.51μm。由此可得知，在混合漿料中使用碳酸鈣(反應磨料112)，晶圓次表面的破壞深度將顯著地降低。

表2顯示晶圓表面粗糙度測試的評估結果，由表2可得知，本發明製備例(使用25wt%碳酸鈣)所取得的晶圓測試片的各量測參數數值(S_a、S_q、S_z、R_a、R_q、R_max)皆小於比較例(使用0wt%碳酸鈣)所取得的晶圓測試片的各量測參數數值。由此可得知，在混合漿料中使用碳酸鈣(反應磨料112)，晶圓表面的粗糙度將顯著地降低。

以上所述僅為本發明的優選可行實施例，並非用來侷限本發明的保護範圍，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的權利要求書的保護範圍。

Claims

一種晶棒切割方法，包括：提供一軟化劑組成物及多個切削磨料，並且所述軟化劑組成物包含一載劑及分散於所述載劑中的多個反應磨料；以及將一晶棒相對於一線材沿一切割路徑移動，使所述晶棒接觸多個所述反應磨料以交互地產生固相化學反應，而令所述晶棒的外表層沿著所述切割路徑形成為硬度小於所述晶棒的一固相化學反應層，並使所述晶棒接觸多個所述切削磨料以進行一切片作業；其中，在所述切片作業中，多個所述切削磨料對所述固相化學反應層進行切割，以形成多個切割槽；而多個所述反應磨料沿著所述切割路徑持續地與所述晶棒接觸，並使每個所述切割槽的槽底持續地形成所述固相化學反應層，以供多個所述切削磨料沿所述切割路徑進行切割；其中，所述載劑是選自丙二醇、聚乙烯二醇、聚烷基二醇的至少其中之一，多個所述反應磨料的材質為碳酸鹽類，並且多個所述切削磨料是選自碳化矽、鑽石的至少其中之一。
如請求項1所述的晶棒切割方法，其中，在所述切片作業中，多個所述切削磨料能移除所述晶棒的部分體積，以使得所述晶棒形成多個所述切割槽。
如請求項1所述的晶棒切割方法，其中，所述晶棒為矽晶碇。
如請求項1至3中任一項所述的晶棒切割方法，其中，多個所述切削磨料是分散於所述載劑中，所述載劑、多個所述切削磨料、與多個所述反應磨料的用量比例範圍為1~2：0.5~1.5：0.1~1.5，多個所述切削磨料的重量百分比範圍為3~30wt%，並且多個所述反應磨料的重量百分比範圍為3~30wt%。
如請求項4所述的晶棒切割方法，其中，所述軟化劑組成物及多個所述切削磨料具有介於100cP至400cP的一黏度。
一種切削磨料套組，其用以搭配一線材進行一晶棒的一切片作業，所述切削磨料套組包括：一軟化劑組成物，包含一載劑；及多個反應磨料，分散於所述載劑中，用以與所述晶棒交互地產生固相化學反應，以使所述晶棒的表層形成為硬度小於所述晶棒的一固相化學反應層；以及多個切削磨料，能用以在所述切片作業中，切割所述固相化學反應層，以形成多個切割槽，而多個所述反應磨料用以持續地與所述晶棒接觸，以在所述晶棒的每個所述切割槽處形成硬度小於所述晶棒的一固相化學反應層；其中，所述載劑是選自丙二醇、聚乙烯二醇、聚烷基二醇的至少其中之一，多個所述反應磨料的材質為碳酸鹽類，並且多個所述切削磨料是選自碳化矽、鑽石的至少其中之一。
如請求項6所述的切削磨料套組，其中，所述晶棒為矽晶碇。
如請求項6或7所述的切削磨料套組，其中，多個所述切削磨料是分散於所述載劑中，所述載劑、多個所述切削磨料、與多個所述反應磨料的用量比例範圍為1~2：0.5~1.5：0.1~1.5，多個所述切削磨料的重量百分比範圍為3~30wt%，並且多個所述反應磨料的重量百分比範圍為3~30wt%。
一種切削磨料套組，適用於晶棒的一切片作業，所述切削磨料套組包括：一載劑，選自丙二醇、聚乙烯二醇、聚烷基二醇的至少其中之一；及多個反應磨料，材質為碳酸鹽類並且分散於所述載劑中，以形成黏度介於100cP至400cP的一軟化劑組成物；其中，所述載劑與多個所述反應磨料的用量比例範圍為1~2：0.1~1.5，並多個所述反應磨料的重量百分比範圍為3~30wt%。
如請求項9所述的切削磨料套組，進一步包括分散於所述載劑中的多個碳化矽顆粒，並且多個所述碳化矽顆粒的用量比例範圍為0.5-1.5，而多個所述碳化矽顆粒的重量百分比範圍為3~30wt%。