TWI795792B

TWI795792B - 在一系列切割操作期間用線鋸從工件上切割多個薄片的方法

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Publication number: TWI795792B
Application number: TW110119352A
Authority: TW
Inventors: 艾克賽爾貝耶爾; 卡爾佛林特爾特; 彼得衛司納
Original assignee: 德商世創電子材料公司
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2023-03-11
Also published as: EP3922385A1; WO2021249719A1; KR20230019200A; JP2023534608A; TW202146137A; CN116018227A; US20230226629A1

Abstract

一種在一系列切割操作期間用線鋸從工件上切割多個薄片的方法，該切割操作分為初始切割和後續切割，其中，該線鋸包含鋸線之移動線段的線陣列以及致動裝置，且該線陣列在二個線導輥之間的平面中被拉緊，其中，二個線導輥各自支撐在固定軸承與浮動軸承之間，該方法包括：在每個切割操作期間，在存在工作流體和硬質材料的情況下，沿著垂直於工件軸線且垂直於該線陣列之平面的進給方向，藉由該致動裝置將相應的工件進給並穿過該線陣列，其中該硬質材料磨蝕性地在工件上作用，這包括：在每個切割操作期間，將工件進給並穿過該線陣列，並同時藉由根據溫度曲線的規定用冷卻流體調節該固定軸承的溫度來軸向移動該浮動軸承，該溫度曲線係視切割深度而指定該冷卻流體的溫度，且係與第一校正曲線相關，該第一校正曲線係視切割深度而指定該浮動軸承的行進路線；以及將工件進給並穿過該線陣列，同時根據第二校正曲線的規定，藉由致動元件來使工件沿著工件軸線移動，該第二校正曲線指定工件的行進路線，其中該第一校正曲線和第二校正曲線係與形狀偏差相反；以及在每個切割操作期間及／或每個切割操作之前確定該形狀偏差。

Description

在一系列切割操作期間用線鋸從工件上切割多個薄片的方法

本發明係關於一種在一系列切割操作期間用線鋸從工件上切割多個薄片的方法，其中，該線鋸包含鋸線之移動線段的線陣列以及致動裝置（actuating device），且該線陣列在二個線導輥之間的平面中被拉緊，其中，該二個線導輥各自支撐在固定軸承與浮動軸承之間。在每個切割操作期間，在存在工作流體和硬質材料的情況下，沿著垂直於工件軸線且垂直於該線陣列之平面的進給方向，藉由該致動裝置將相應的工件進給並穿過線陣列，其中該硬質材料磨蝕性地在工件上作用。

可藉由拋光切片（lap slicing）或研磨切片來實現這種用於切割多個薄片的方法。

在拋光切片的情況下，由硬質材料在液體載體介質中所組成的漿料形式的工作流體被進料至形成於線表面與工件之間的工作空間。在拋光切片的情況下，藉由涉及工具載具（鋸線）、工具（磨料）、及工件的三主體相互作用來去除材料。

在研磨切片的情況下，利用表面中牢固地黏合有硬質材料的鋸線，並供應工作流體，該工作流體本身不包含磨料且用作冷卻潤滑劑。在研磨切片的情況下，藉由涉及作為工具的金剛石塗層鋸線與工件的二主體相互作用來去除材料。

在傳統線鋸的情況下，每個線導輥在其每個端面附近都設置有軸承，該軸承以固定的方式連接到機架（machine frame）並被稱為固定軸承；以及在相對的端面附近設置有軸承，該軸承可在線導輥的軸向上相對於機架移動並被稱為浮動軸承。

已知有措施，其旨在抵消在切割操作期間線陣列與工件相對於彼此之佈置的變化，以改善將被切下的薄片的主表面的平面平行度。

US 5377568揭露一種方法，在該方法中，測量位於線導輥外側上的參考面相對於機架的位置，並藉由調節線導輥內部的溫度來引起線導輥的熱長度增加或長度減小，直到所測量的參考面位置變化再次被補償。

WO 2013/079683 A1揭露一種方法，其中，首先，測量在線導輥軸承之各種溫度下所獲得的薄片形狀，且將這些形狀的每一個與相應關聯的軸承溫度一起存儲，並在接下來的切割中，選擇最匹配所欲目標形狀的軸承溫度。

US 5875770揭露一種方法，其中測量來自一次切割的薄片的形狀，透過形成相對於所欲理想薄片形狀的差異來計算與切割深度相關的校正曲線，並在隨後的切割中，在切割操作期間，根據該校正曲線在軸向上相對於線陣列移動工件。

儘管有這些措施，仍然持續需要改進，一方面係因為這些措施的效果有限，另一方面係由於對薄片的平坦度和平面平行度的要求越來越高，特別是在半導體產業。

本發明之目的是在於提供形狀與目標形狀盡可能接近地相符的薄片。

本發明之目的係藉由一種方法來實現，該方法用於在一系列的切割操作期間用線鋸從工件上切割多個薄片，該切割操作分為初始切割和後續切割，其中，該線鋸包含鋸線之移動線段的線陣列以及致動裝置，且該線陣列在二個線導輥之間的平面中被拉緊，其中，二個線導輥各自支撐在固定軸承與浮動軸承之間，該方法包括：在每個切割操作期間，在存在工作流體和硬質材料的情況下，沿著垂直於工件軸線且垂直於該線陣列之平面的進給方向，藉由該致動裝置將相應的工件進給並穿過該線陣列，其中該硬質材料磨蝕性地在工件上作用，這包括：在每個切割操作期間，將工件進給並穿過該線陣列，並同時藉由根據第一溫度曲線的規定用冷卻流體調節該固定軸承的溫度來軸向移動該浮動軸承，該第一溫度曲線根據切割深度指定該冷卻流體的溫度，並且與第一校正曲線相關，該第一校正曲線係視切割深度而指定浮動軸承的行進路線；以及將工件進給並穿過該線陣列，同時根據第二校正曲線的規定，藉由致動元件來使工件沿著工件軸線移動，該第二校正曲線指定工件的行進路線，其中該第一校正曲線和第二校正曲線係與形狀偏差相反；以及在每個切割操作期間及／或每個切割操作之前確定該形狀偏差。

該方法可構型為拋光切片或研磨切片。切割深度（depth of cut，doc）表示在進入工件的切割直至離開工件的切割的區域中的長度，且與進給方向相反。

調節固定軸承的溫度（以下稱為線導向溫度控制，WGTC）導致固定軸承及其部件在線導輥的軸向上收縮或膨脹，從而導致浮動軸承的軸向移動，因此導致線導輥相對於工件移動。

因此，調節固定軸承的溫度在性質上與透過致動元件使工件沿工件軸線移動（以下稱為錠定位控制，IPC）具有相同的效果。致動元件較佳為壓電致動器。因此，引起相應行進路線的變數在WGTC的情況下是冷卻流體的溫度，在IPC的情況下是用於驅動致動元件的信號。

根據本發明，提供這二個措施以使任何可能的形狀偏差最小化。該方法具有特別的優勢。如果將這些措施組合使用，則可達成線導輥相對於工件移動的幅度（行進路線的量）大於僅使用其中一個措施時可能的幅度。在其中浮動軸承與工件之移動線性地取決於引起該移動的變數的範圍比僅使用一種措施時可得的相應範圍寬。與IPC相比，在WGTC的情況下，從改變引起移動的變數到實際發生移動需要花費顯著更多的回應時間，尤其是在致動元件是壓電致動器的情況下。因此，這二個措施具有不同的控制頻寬。因此，有利的是藉由IPC來抵抗相對高頻的形狀偏差（即，根據切割深度以相對大的梯度變化的形狀偏差），以及藉由WGTC來抵抗相對低頻的形狀偏差。由於回應時間不同，可使用IPC控制來減輕WGTC控制的過調量（overshoot）。另外，IPC與WGTC之組合的控制頻寬大於IPC或WGTC的控制頻寬。由於浮動軸承和工件的移動是由二個獨立的致動器來執行，因此這二個措施之組合可實現每單位時間更大的行進路線。

如果形狀偏差是在切割操作之前確定，則術語形狀偏差是指薄片的形狀輪廓或薄片的平均形狀輪廓與參考形狀輪廓的偏差。

如果形狀偏差是在切割操作期間確定，則術語形狀偏差是指，相對於參考軌跡的位置，穿過所觀察之切口中心的線的位置的偏差，或者代表多條此種線的平均線的位置的偏差。如果切割操作是完全無問題的（即，在沒有非故意之線導輥的軸向移動及／或工件的軸向移動之情況下），該線與參考軌跡相對於共同參考點將具有相同的位置。共同參考點是在空間中保持靜止的位置，例如機架上的位置。如果觀察多個切口，則對穿過這些切口中心的線的位置進行平均以給出平均線的位置。位於與線或平均線及參考軌跡之相同高度處的點代表特定切口深度。因此，在線上或平均線上之此種點與在參考軌跡上之對應的點之間的距離表示在由這些點表示的切口深度處的形狀偏差。

一個或多個切口的觀察較佳係藉由用光輻射、IR輻射、X射線、或γ射線照射來進行。另外，還可考慮對切口進行機械掃描或對切口進行電感或電容測量。

在每個切割操作期間及／或每個切割操作之前確定形狀偏差。

根據一實施態樣，形狀偏差的確定是基於觀察一個或多個切口，並建立二個封閉控制回路。第一控制回路藉由WGTC回應控制誤差（即，所確定的形狀偏差），而第二控制回路藉由IPC回應，其中為了校正形狀偏差而將進行的浮動軸承及工件的移動係以功在回路之間劃分的方式來進行。浮動軸承藉由WGTC根據第一校正曲線來進行移動，該曲線視切割深度而確定浮動軸承的行進路線。視切割深度來指定冷卻劑溫度的溫度曲線與該第一校正曲線相關。預先由實驗確定為了使相應的線導輥的浮動軸承達到所界定之行進路線所需的冷卻流體之溫度變化。第一校正曲線視切割深度來確定為了減小形狀偏差而使浮動軸承進行的行進路線之比例。藉由IPC，根據第二校正曲線來移動工件。第二校正曲線視切割深度來確定為了減小形狀偏差而使工件進行的行進路線之比例。這二個比例的總和對應於為了減小所確定之形狀偏差所需的行進路線。行進路線之比例可相等或不同地劃分。

根據另一實施態樣，形狀偏差的確定是基於將已經切下的薄片的平均形狀輪廓與參考形狀輪廓進行比較，該比較提供了總體校正曲線，該總體校正曲線甚至在切割操作之前就視切割深度來確定必須的行進路線，以避免在沒有對策的情況下由於比較而預期的形狀偏差。總體校正曲線分為第一校正曲線和第二校正曲線，此確定了將藉由WGTC與IPC進行的行進路線之比例。在這種情況下，行進路線之比例也可相等地劃分或以一些其他比例劃分。

根據另一實施態樣，形狀偏差的確定是基於對一個或多個切口的觀察以及對已經切掉的切片的平均形狀輪廓與參考形狀輪廓進行比較。替藉由觀察一個或多個切口而確定的形狀偏差指派予第一或第二校正曲線，替藉由對平均形狀輪廓與參考形狀輪廓進行比較而確定的形狀偏差指派予第二或第一校正曲線。因此，如果使用WGTC對抗在每個切割操作期間確定的形狀偏差，則使用IPC對抗在每個切割操作之前確定的形狀偏差，反之亦然。

薄片的表面係由主表面和邊緣表面構成。主表面包括薄片的正面和背面。可藉由將薄片佈置在一對感測器之間來測量，如在翹曲測量的情況下很常見的方式。每個感測器在測量點上測量薄片朝向感測器的主表面的距離。測量點可分佈在主表面上，或者可位於沿著與進給方向偏離不超過±20°的薄片直徑處。測量點較佳沿著薄片的直徑位於位置i上，以特定與進給方向相反，因此每個測量點都與特定的切割深度相關。測量點的密度較佳為每公分不小於1個，且一個測量點與最近的相鄰點之間的距離對於所有的測量點而言較佳為相同的。

薄片的形狀輪廓是連接測量點si的線，測量點si係在位置i處根據規則si =D-(FDi-BDi)計算，其中D是感測器之間的距離，FDi是上感測器與薄片正面上之相應測量點之間的距離，而BDi是下感測器與薄片背面上之相應測量點之間的距離。應當注意，本發明也可使用具替代性定義的形狀輪廓來實施，只要該替代性定義係視切割深度而對切片的形狀進行編碼即可。

薄片的平均形狀輪廓是藉由對多個薄片的形狀輪廓進行平均而獲得的形狀輪廓。參考形狀輪廓是所欲的形狀輪廓，較佳是具有完全平坦且相互平行之主表面的薄片的形狀輪廓。平均形狀輪廓是用相同的線鋸較佳由至少1至5個切割操作產生的薄片來確定，其中這些切割操作緊接在即將由該線鋸進行的切割操作之前。用於創建平均形狀輪廓的薄片的選擇可基於薄片或基於切割，或者可包括二者。在基於薄片的選擇之情況下，將來自切割操作的特定切片用於藉由平均化來確定相應的平均形狀輪廓，而將其他薄片排除在外。例如，在平均化過程中僅考慮在工件中具有特定位置的薄片，例如僅考慮沿工件軸線每第15至25個薄片。基於薄片的選擇的另一種可能性是，將與在切割操作中之所有薄片之平均形狀輪廓具有最大和最小偏差的薄片排除在外（所謂的截尾平均數（trimmed mean））。或者，可從平均化中排除形狀輪廓偏離切割操作中之所有薄片之平均形狀輪廓超過1至2σ的薄片。在基於切割的選擇中，使用來自至少一個切割操作的所有薄片來確定平均形狀輪廓，並排除來自至少另一個切割操作中的所有薄片除。

切割操作中的薄片的平均形狀輪廓在一系列切割操作的過程中發生變化。較佳利用變化來評估線鋸的性能。它們可指出線鋸及／或線導輥的保護面（facing）或線鋸的任何其他易磨損部件的磨損。因此，較佳地，限定用於形狀偏差的閾值，當達到或超過該閾值時，啟動維護活動（預測性維護活動），而不是進一步的切割操作。甚至在達到這種閾值之前，也可將這種變化用作採取調整措施的契機以抵抗由於磨損而導致的工作結果的惡化。這種調節措施可為例如改變工作流體的組成及／或溫度及／或改變線速度及／或其他製程特定的參數。

鋸系統改變後進行的切割操作代表一種特殊情況。鋸系統的這種改變係例如在如下情況時發生：當存在線導輥的變化、對線鋸的機械調節、或工作流體的物理或化學性質變化時。在改變鋸系統之後的第一次切割操作，即所謂的初始切割，較佳係由1至5個切割操作組成。對於初始切割，形狀偏差較佳係藉由將薄片的平均形狀輪廓與參考形狀輪廓進行比較來確定，其中，利用在鋸系統發生變化之前所進行的一個或多個初始切割的過程中由同一線鋸產生的薄片的平均形狀輪廓系統。

根據本發明使用的線鋸包含二個或更多個線導輥，例如三個或四個線導輥。可將線導輥的固定軸承之溫度的調節限制在其間拉緊線陣列的二個線導輥，透過這二個線導輥進給工件。

工件較佳係由處於多晶或單晶狀態的半導體材料（例如矽）所構成。工件橫截面的週邊為正方形、矩形、或圓形。在圓柱形工件的情況下，工件軸線延伸穿過圓柱體的中心。根據本發明的方法特別適合於製造由直徑為至少200毫米、特別是至少300毫米的單晶矽所構成的圓形半導體晶圓。

以下參照附圖說明本發明的細節。

適合實施根據本發明方法的線鋸包含由鋸線3之移動線段所組成的線陣列2，該線陣列在二個線導輥1之間的平面中被拉緊。在切割操作期間，藉由致動裝置12沿著垂直於工件軸線且垂直於線陣列2之平面的進給方向將工件4進給並穿過線陣列2。在該操作過程中，將線陣列2拉緊的線導輥1以及工件4分別視第一和第二校正曲線根據方向箭頭10和11在軸向上移動。第一和第二校正曲線對抗在切割操作之前或期間所確定的形狀偏差。為了在切割操作期間確定形狀偏差，設有用於觀察切口的切口檢測器13以及用於創建第一和第二校正曲線的資料處理單元14。資料處理單元14將控制信號傳輸給致動元件15，該控制信號視切割深度來使工件4根據第二校正曲線在沿著方向箭頭11所示的工件軸線的方向移動。

如圖2所示，線導輥1安裝在固定軸承5與浮動軸承6之間。固定軸承5和浮動軸承6支撐在機架7上。線導輥1具有保護面8，該保護面設有槽，鋸線3在該槽中延伸。固定軸承5包含通道9，用於調節固定軸承5之溫度的冷卻流體通過該通道。如果流體的溫度增加，固定軸承5的熱膨脹會導致線導輥1沿浮動軸承6的方向軸向移動，而浮動軸承6相對於機架7沿方向箭頭10所示的線導輥1的軸線方向向外移動。如果冷卻流體的溫度降低，則引起線導輥1和浮動軸承6沿相反方向移動。冷卻流體的溫度根據切割深度而由溫度曲線確定，該溫度曲線與第一校正曲線相關。連接到熱交換器和泵的控制單元16確保當達到特定切割深度時，通過固定軸承5的流體具有由相應溫度曲線所需的溫度。資料處理單元14將溫度曲線傳送到控制單元16，這會使浮動軸承根據第一校正曲線移動。

圖3示出穿過工件4的切口17的路線以及由參考軌跡18表示的預設路線。穿過切口中心的線與參考軌跡的相應偏差對應於總體校正曲線，該總體校正曲線在WGTC與IPC之間被劃分為第一和第二校正曲線的形式。

圖4示出薄片在二個感測器19、20之間的佈置，該二個感測器用於在切割操作之前確定薄片的形狀偏差。感測器19、20根據特定切割深度在進給方向上沿著薄片21的直徑在特定位置i處測量上感測器19到薄片21之正面的距離FDi以及下感測器20到薄片21之背面的距離BDi。薄片的形狀輪廓是連接根據規則si = D-(FDi-BDi)計算的測量值si的線，其中D表示感測器之間的距離。透過將薄片的形狀輪廓與參考形狀輪廓進行比較來獲得薄片的形狀偏差。取決於切割深度的與參考形狀輪廓的偏差對應於總體校正曲線，該總體校正曲線在WGTC與IPC之間被劃分為第一和第二校正曲線的形式。

圖5顯示當將WGTC與IPC的幅度相加時所獲得的優勢。如果總體校正曲線需要虛線所示之程度的幅度A的行進路線，則不可能單獨藉由WGTC或IPC完成該行進路線，因為用各個單獨的措施可實現的行進路線不足。只有WGTC與IPC的組合才能實現這一點。

圖6示出，在具有靜止位置B1的範圍B2中，移動的幅度A線性地取決於引起移動的變數（輸入I）。在此範圍之外，發生偏離線性行為的偏差，從而導致Δ誤差。藉由組合WGTC與IPC，使整個系統線性反應的範圍B2增大。

圖7顯示在WGTC與IPC之間總體校正曲線的有利劃分，其係藉由WGTC和第一校正曲線抵消低頻形狀偏差，以及藉由IPC和第二校正曲線抵消高頻形狀偏差構成。為此目的，較佳使用分頻器（crossover），該分頻器藉由低通濾波器（LP）和高通濾波器（HP）將形狀偏差的低頻部分分配給藉由WGTC進行校正形狀，以及將形狀偏差的高頻部分分配給藉由IPC進行校正。

圖8示出藉由WGTC與IPC的組合可實現每單位時間Δt更大的總幅度A2 + A1，因為浮動軸承和工件的移動是由二個獨立的致動器進行的。當單獨使用WGTC或IPC時，在此時間單位中，分別只能達成幅度A1和A2之一者。

圖9顯示在WGTC與IPC之間總體校正曲線的有利劃分減輕了使用WGTC作為唯一措施時（左圖）將會觀察到的幅度A隨時間t的過調量（右圖）。

以上示意性實施態樣的描述應被理解為是例示性的。由此所作的揭露一方面使本領域技術人員能夠理解本發明及其相關的優點，另一方面還包括對所描述的結構和方法的改變和修改，這些改變和修改在本領域技術人員的理解內是顯而易見的。

1:線導輥 2:線陣列 3:線鋸 4:工件 5:固定軸承 6:浮動軸承 7:機架 8:保護面 9:通道 10:方向箭頭 11:方向箭頭 12:致動裝置 13:切口檢測器 14:資料處理單元 15:致動元件 16:控制單元 17:切口 18:參考軌跡 19:上感測器 20:下感測器 21:薄片

圖1示意性地示出在本發明使用中起作用的線鋸的特徵。圖2顯示線鋸的進一步細節。圖3顯示穿過工件的切口路線和由參考軌跡表示的預設路線。圖4示出薄片在二個感測器之間的佈置，該二個感測器係用於在切割操作之前確定薄片的形狀偏差。圖5顯示當將WGTC和IPC的幅度相加時所獲得的優勢。圖6示出範圍，在該範圍內移動的幅度A線性地取決於引起移動的變數。圖7顯示在WGTC與IPC之間總體校正曲線的有利劃分。圖8顯示藉由組合WGTC與IPC而可帶來每單位時間更大的行進路徑。圖9顯示在WGTC與IPC之間總體校正曲線的有利劃分減輕了使用WGTC作為唯一的措施時會觀察到的幅度的過調量。

1:線導輥

2:線陣列

3:線鋸

4:工件

10:方向箭頭

11:方向箭頭

12:致動裝置

13:切口檢測器

14:資料處理單元

15:致動元件

16:控制單元

Claims

一種在一系列切割操作期間用線鋸從工件上切割多個薄片的方法，該切割操作分為初始切割和後續切割，其中，該線鋸包含鋸線之移動線段的線陣列以及致動裝置(actuating device)，且該線陣列在二個線導輥之間的平面中被拉緊，其中，二個線導輥各自支撐在固定軸承與浮動軸承之間，該方法包括：在每個切割操作期間，在存在工作流體和硬質材料的情況下，沿著垂直於工件軸線且垂直於該線陣列之平面的進給方向，藉由該致動裝置將相應的工件進給並穿過該線陣列，其中該硬質材料磨蝕性地在工件上作用，這包括：在每個切割操作期間，將工件進給並穿過該線陣列，並同時藉由根據溫度曲線的規定用冷卻流體調節該固定軸承的溫度來軸向移動該浮動軸承，該溫度曲線係視切割深度而指定該冷卻流體的溫度且係與第一校正曲線相關，該第一校正曲線係視切割深度而指定該浮動軸承的行進路線；以及將工件進給並穿過該線陣列，同時根據第二校正曲線的規定，藉由致動元件來使工件沿著工件軸線移動，該第二校正曲線指定工件的行進路線，其中該第一校正曲線和第二校正曲線係與形狀偏差相反；以及在每個切割操作期間確定該形狀偏差，其中，該形狀偏差是在每個切割操作期間藉由將穿過至少一個切口中心的線的位置與參考軌跡的位置進行比較來測量。
如請求項1所述的方法，其中，該形狀偏差額外在每個切割操作之前藉由將已經切掉的薄片的平均形狀輪廓與參考形狀輪廓進行比較來確定。
如請求項2所述的方法，其中，該平均形狀輪廓是藉由平均化所選擇的薄片之形狀輪廓來確定，其中該選擇是以基於薄片、基於切割、或基於薄片與基於切割的方式進行。
如請求項2所述的方法，其中，該已經切掉的薄片係源自緊接在相應的切割操作之前的至少1至5個切割操作。
如請求項2至4中任一項所述的方法，其中如果在相應的切割操作之前確定的形狀偏差達到或超過限定的閾值，則啟動維護措施而不是相應的切割操作。