TWI816414B - 用於從工件同時切割多個盤的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種切割半導體晶圓的方法。該方法包括：將半導體錠切割成工件；以及使用具有固定磨粒線的線柵將工件鋸切成片，同時使工件朝向線柵移動。在工件與線柵第一次接觸時，初始切割速度小於2毫米／分鐘，冷卻劑流量小於0.1公升／小時，且線速度大於20公尺／秒。然後將工件引導穿過線柵，直到達到第一切割深度，然後將冷卻劑流量增加到至少2000公升／小時。從工件與線柵第一次接觸直到切割深度為圓柱體的直徑的一半期間將切割速度減小到小於初始切割速度的70%，然後增大切割速度。
Description
本發明涉及一種用於從半導體工件同時切割多個晶圓的方法。
許多應用需要大量由特定起始材料製成的類似晶圓，例如作為用於生產磁性儲存盤的基板的玻璃晶圓，作為用於生產光電子元件的基板的由藍寶石或碳化矽製成的晶圓，或者用於生產光伏電池（「太陽能電池」）或作為用於構造電子、微電子或微機電元件的基板的半導體晶圓。作為用於電子元件或光伏電池的基板的晶圓也稱為晶圓。
盤的正面與背面之間的距離被稱為盤的厚度，且正面與背面之間的中心表面的曲率被稱為盤的形狀。厚度和形狀一起形成盤的幾何形狀，其中特別均勻的厚度以及具有低曲率的形狀對應於良好的幾何形狀並且不均勻的厚度以及高度彎曲的形狀對應於不良的幾何形狀。對於要求高的應用，盤較佳具有特別好的幾何形狀。在掃描圖案或一系列點測量期間遇到的厚度的最大值與最小值之間的差被定義為總厚度變化（total thickness variation）（「TTV」，例如根據ASTM F657，其全部內容透過引用併入本文）。
片切割的起始材料通常是圓柱形棒（「工件」）的形式。圓柱體由平坦的底面、頂面以及側面界定。底面和頂面也被稱為端面。
片從工件的分離是藉由沿分離平面打斷材料內聚力來進行。對於大量均勻的平片，分離面較佳是平的、垂直於工件軸線，並且相鄰的分離面較佳是等間距的。材料內聚力通常藉由去屑製程（chip removing process）破壞。碎屑（chip）被定義為從工件分離的顆粒。藉由去屑沿分離線去除的材料的體積被稱為分離間隙（或分隔、切斷、鋸或切割間隙）。對於某些應用，分離間隙也可以從工件軸線的垂線偏離一小角度，例如高達2°。
在用於將工件切割成多個具有特別均勻之厚度及特別低之形狀曲率的均勻薄片的去屑製程中，線切割（線鋸）是特別重要的。
用於鋸開棒的鋸線例如是由硬化鋼（例如鋼琴線）、塑膠、碳纖維或金屬合金製成。線可以包括一個元件（即，單股線）或由幾個元件絞合，這些元件也可以包括不同的材料。例如，在EP 0 799 655 A1、US 6,194,068 B1或DE 10 2012 007 815 A1中揭露了用於線鋸的鋸線，這些文獻中的每一者的全部內容透過引用併入本文。
例如，金剛石線是塗覆有作為磨料的細金剛石芯的鋸線。例如，在US 6,279,564 B1中揭露了一種金剛石鋸線，該文獻的全部內容透過引用併入本文。因此，這種金剛石線也被稱為固定磨粒線。
對於表面覆蓋有磨料的鋸線，較佳使用不含磨料的液體切割劑，在最簡單的情況下是水。
本發明人已經認識到使用金剛石線具有幾個優點。例如，考慮到當切割非常硬的材料（如矽）時，基於漿料的線鋸可能是緩慢的。另一方面，金剛石線提供速度上的明顯改善，從而提高生產率。
切割所需的冷卻劑主要是水，其中加入少量的界面活性劑。這使得易於設置，並且還使得易於回收在切割過程中損失的材料。
線切割操作期間，鋸線偶爾斷裂。例如，由於切斷間隙中的線摩擦過大且線導輥之間產生的線張力過大，或者由於線本身的缺陷（例如，以夾雜物的形式或者由於過度磨損），可能導致線斷裂。
線斷裂導致線切割操作中斷。在大多數情況下，為了修復斷裂的線，部分鋸開的工件必須完全移出線架。在對線架進行修理之後，工件必須首先以如下方式移回到線架中：在每個切割間隙中精確地定位一個線段，然後精確地垂直於線架的平面饋入，而不在工件軸線的方向上移動線架，直到線架在切割被中斷的位置處再次停留在工件中。
當使用金剛石線（例如，固定磨粒線）時，不可能完全去除鋸線，包括從受影響的鋸間隙中完全去除可能的金剛石碎片。這是因為，在修理線閘並將線段重新饋送到各個鋸間隙中之後，同一鋸間隙中的鋸線在重新啟動之後緊接著再次斷裂。金剛石鋸線中的這種新斷裂歸因於鋸線的殘餘及／或受線斷裂影響的鋸間隙中的斷裂金剛石碎屑。
已知使用流體冷卻或切割劑（例如水）對於防止線斷裂是必要的。此外，DE10 2016 224 640 A1教導所使用的流體切割劑應該在增大的壓力下從噴嘴的排出口沿鋸間隙的方向噴射。增大的壓力是有利的，特別是為了除去陷入鋸間隙中的最小金剛石顆粒，由此降低線斷裂的風險。
為了減少切口損失並因此提高生產率，本發明人已經認識到，需要引入具有小於140微米的顯著更小的直徑的鋸線，這導致在切割期間晶圓之間的間隙更小，並因此增加線斷裂的風險。然而，這樣做時可以觀察到幾何參數的惡化（例如，總厚度變化（TTV）的增加）。
US 2017/0072594 A1（其全部內容透過引用併入本文）呈現出線上的磨粒密度對所切片的晶圓的幾何形狀具有強烈影響，並因此幾何形狀（TTV ）有所改善。
無論如何，在晶圓的某些區域中，本發明人已經認識到，使用固定磨線，TTV仍然表現不足。這些區域可以被識別為線首先與工件相遇的區域。這些幾何缺陷必須在半導體晶圓的生產鏈的後續步驟中去除，這是昂貴的且有時是不容易實現的。
鑒於上述內容，本發明提供一種用於從矽錠切割晶圓的可靠方法，該方法在使用細的金剛石切割線且同時得益於金剛石線的快速切割速度的同時，不會呈現出幾何參數的惡化。
根據本發明的第一方案，提供一種切割半導體晶圓的方法。該方法包括：提供圓柱體形狀的半導體錠；使用鋸將半導體錠切割成工件；以及使用包括在二個輥周圍引導的固定磨粒線的線柵將工件鋸切成片。輥具有凹槽，在凹槽中對固定磨粒線進行引導。在鋸切期間，工件朝向線柵移動。在工件與線柵第一次接觸時，初始切割速度v
start小於2毫米／分鐘，同時冷卻劑流量小於0.1公升／小時，且同時固定磨粒線的速度v
w大於20公尺／秒。在第一次接觸之後，將工件引導穿過線柵，直到達到至少7毫米的第一切割深度。在鋸切期間，冷卻劑流量保持恆定，直到達到第一切割深度，然後增加到至少2000公升／小時。從工件與線柵第一次接觸直到切割深度為圓柱體的直徑的一半期間將切割速度減小到小於初始切割速度的70%，然後增大切割速度。
半導體晶圓可以是單晶矽的半導體晶圓，半導體錠可以是單晶矽單晶體，工件可以是長度在350毫米與450毫米之間的晶體工件，以及鋸可以是帶鋸。
根據本發明之一實施態樣，提供一種用於從工件同時切割多個盤的方法。根據一較佳實施態樣，工件是半導體工件，特別是半導體晶體，且細的金剛石切割線用於同時切割盤。
在一實施態樣中，提供一種用於切割單晶矽半導體晶圓的方法。該方法包括：（1）提供圓柱體形狀的單晶矽單晶體；（2）利用帶鋸將單晶矽單晶體切割成長度在350毫米與450毫米之間的晶體工件；以及（3）透過由固定磨粒線構成的線柵將晶體工件鋸切成片，固定磨粒線在包含凹槽的二個輥周圍被引導，固定磨粒線在凹槽中進行引導。在執行該方法期間，晶體工件朝向線柵移動，並且在晶體工件與線柵的第一次接觸時，初始切割速度v
start小於2毫米／分鐘，同時冷卻劑流量小於0.1公升／小時，且同時所使用的線的速度v
w大於20公尺／秒。在第一次接觸之後，將晶體片引導穿過線柵，直到達到至少9毫米的切割深度，到此刻為止冷卻劑流量保持恆定，然後增加到至少2200公升／小時。從晶體片與線柵第一次接觸直到切割深度為圓柱體的直徑的一半期間將切割速度減小到小於初始切割速度的70%，然後再次增大切割速度。
根據本發明的方法提供一種用於從矽錠切割晶圓的可靠方法，該方法在使用細的金剛石切割線且同時得益於金剛石線的快速切割速度的同時，不會呈現出幾何參數的惡化。
圖1示出被構造成鋸切工件的線鋸。在圖1中，工件是具有直徑D以及長度L的晶錠101。藉由在第一帶槽輥102以及第二帶槽輥103上跨接固定磨粒線來形成線網106。
可以透過第一噴嘴104及／或第二噴嘴105向線供應冷卻劑，冷卻劑主要包括水。在切割時，晶錠101沿垂直於線網的方向107移動穿過線網。切割的進展可以用距離d
c108測量。
為了成功地利用與使用金剛石線從錠切割半導體晶圓相關聯的經濟及環境利益，本發明人已經發現所切割的晶圓的總厚度變化（TTV）不滿足半導體產業的要求。
因此，本發明人設法提供一種滿足或超越半導體產業要求的改進的切割方法。為此，切割出長度在350毫米與450毫米之間的幾個單晶錠塊。使用70微米以及100微米的線厚度進行實驗。將線的顆粒密度選擇為大於1000粒／平方毫米。
在切割之後（根據ASTM F657）測量晶圓的總厚度變化（以及其它值）。
另外，使用稍微修改的方法來評估隨切割深度變化的晶圓的局部總厚度變化。為此，用帶鋸從單晶錠切割錠塊。然後使用多線鋸將該錠塊切割成晶圓。根據如上所述的測量方法測量每個晶圓。
圖2示意性地呈現這些測量的基本結果。
具體而言，圖2針對局部厚度變化示意性地示出不同製程條件的三組結果（201、202以及203）。局部厚度變化（以任意單位給出，a.u.）被繪製為切割深度的函數（以任意單位）。圖2顯示這三組在平均水準以及偏離局部平均值的局部偏差上都顯著不同。
將每個錠塊切割成一組半導體晶圓。然後每組半導體晶圓產生包含作為切割深度之函數的局部厚度變化測量值的帶。沿橫坐標從左至右，所達成的切割深度增加。
如圖2所示，與第二組202以及第三組203相比，第一組201的晶圓（從第一錠塊上切割）呈現出更高的平均局部厚度值。
值得注意的是，特別是在切割開始時，與第三組203相比，對於第一組201以及第二組202，晶圓的局部厚度變異相當大。
還值得注意的是，第二組202的晶圓呈現出更寬的局部厚度變化的帶，且帶的厚度隨著切割深度的增加而變化。
基於該實驗資料，本發明人推斷出呈現如第三組303中所示的測量值的晶圓是最理想的。
圖3呈現取自二個不同錠塊的晶圓的總厚度變化的測量結果（根據ASTM F657）。
每個TTV值對其在對應錠塊中的晶圓位置（晶圓#）作圖。為了簡化以及定性比較，圖係使用任意測量單位。
第一組晶圓301（用空心圓示出）的測量顯示朝向晶體片末端的顯著發散。然而，在中間，發散以及平均值顯得相當低。
相較下，第二組晶圓302（用實心圓示出）的測量呈現出低的TTV值且同時呈現出晶圓與晶圓之間的低發散，這是非常期望的。
發明人認識到，在鋸切過程中，當使用金剛石線進行切割時，半導體晶圓在晶體片中的位置以及相應的切割深度均對厚度變化（TTV）有影響。
Ryningen等人（B. Ryningen、P. Tetlie、S. G. Johnsen等人，「Capillary forces as a limiting factor for sawing of ultrathin silicon wafers by diamond multi-wire saw」，Engineering Science and Technology，國際期刊，可在以下網址看到：doi.org/10.1016/j.jestch.2020.02.008，其全部內容透過引用併入本文）遵循他們的參數研究以及理論方面而提出，當使用金剛石線來切割多晶矽晶圓時，毛細作用力對TTV具有重要影響。為了解決該問題，他們建議執行乾切入或（相反）使用完全浸沒的線網進行切入。
雖然Ryningen等人建議在切割開始時省去冷卻劑以實現對TTV值的一些影響，但是他們的建議無法確保整個半導體晶圓上的局部厚度變化。特別是對於源自晶體片邊緣的半導體晶圓，TTV值強烈偏離對應的平均值（例如如圖3所示，空心圓301）。
此外，所獲得的TTV的絕對值太大，以至於無法適用於生產用於半導體產業的半導體晶圓。Ryningen等人沒有提出該問題的解決方案，也沒有給出如何解決該問題的任何指示。
為了解決上述問題，本發明人提供一種用於切割單晶矽半導體晶圓的方法，其優於已知的方法。圖4是根據本發明之一實施態樣的方法400的流程圖。
在方法400中，提供半導體錠（S401）。半導體錠較佳是圓柱體形狀的單晶矽單晶體。在晶體生長之後，晶體在其每一端處均具有錐體，這些錐體通常使用帶鋸來切斷。此外，晶體顯示出表面起伏，這是在晶體生長期間由熱條件的變化引起的。藉由圓柱體研磨來消除這些起伏，從而得到具有光滑罩面的圓柱體。
將半導體錠（例如，單晶矽單晶體）切割成工件（例如，晶體工件）（S402）。在一較佳實施態樣中，工件（例如，晶體工件）具有350毫米與450毫米之間的長度。可以透過鋸（例如，帶鋸）進行切割。由於以下幾個原因，將半導體錠（例如，單晶體）切割成工件（例如，晶體工件）：（1）線鋸無法鋸切很長的錠；且即便如此，（2）在晶體生長期間，晶體的品質參數隨著長度的增加而改變。因此，通常有益的是針對特定的客戶需要選擇部分的晶體。
將工件（例如，晶體工件）切割成片（S403）。具體而言，透過線柵（線網或絲網）切割工件。線柵可以由在包含凹槽的二個輥周圍引導的固定磨粒線構成，鋸線在凹槽中進行引導。工件（例如，晶體工件）朝向線柵移動。固定磨粒線可以被理解為其中磨料固定於線表面上的線。例如，金剛石線是這類鋸線的變體。較佳地，輥上的二個凹槽之間的距離不小於769微米且不大於850微米。
另外，較佳實施態樣在該方法的操作期間符合以下設置。
在工件（例如，晶體工件）與線網第一次接觸時，即在鋸切開始時，初始切割速度v
start較佳是在切割期間的最高值。較佳地，v
start不小於1.4毫米／分鐘。
最佳地，切割期間的切割速度是沿著拋物線的切割深度的函數，該拋物線在切割的中間（晶體片直徑的一半）具有低點，其值為v
start的70%。
較佳地，在切割開始時將冷卻劑流量設定為小於0.1公升／小時，直到達到至少7毫米且至多13毫米的切割深度。然後將冷卻劑流量設定為大於2000公升／小時、特別佳大於2200公升／小時的值。較佳地，冷卻劑包含水以及界面活性劑。最佳地，不刻意使用冷卻劑中的鬆散顆粒。發明人認識到，在低於7毫米的切割深度處存在幾何形狀問題，並且在高於13毫米的切割深度處TTV仍然普遍存在問題。這種效果存在於使用70微米以及100微米線時。
在該方法的執行中，較佳地，在開始切割時，將線的速度v
w設定為大於20公尺／秒。
較佳地，在切割期間改變線速度的方向，因此較佳地，在切割開始期間匹配最大速度。該方法也被稱為朝聖者法（pilgrim method），並因此線的長度被稱為「朝聖者長度（pilgrim length）」。最佳地，在一個方向上行進的線的最大長度（朝聖者長度）在該方向改變之前係大於850公尺。最佳地，在一個方向上行進的線的最大長度。該方法的圖示可以在圖5中看到。最佳地，在切割期間的最小朝聖者長度不超過初始朝聖者長度的98.5%。
圖5示出在線速度的方向反轉之前在一個方向上輸送的線的長度（以相對單位表示）。該方法也被稱為朝聖者法，並因此線的長度被稱為「朝聖者長度」。該圖示出朝聖者長度隨著切割深度的增加而先減小且隨後再增加。在該圖中，最小朝聖者長度約為初始朝聖者長度的98%。
較佳地，所使用的鋸線的厚度不大於80微米且不小於60微米。
儘管已經在附圖和前文的描述中詳細說明和描述本發明的實施態樣，但是這樣的說明和描述應當被認為是說明性或例示性的，而不是限制性的。應當理解，本領域的普通技術人員可以在以下申請專利範圍內作出改變和修改。具體而言，本發明涵蓋具有來自上文和下文所描述的不同實施態樣之特徵的任何組合的其它實施態樣。另外，在本文中為表徵本發明的所作出的陳述係指本發明之一實施態樣，而並非一定是所有實施態樣。
在申請專利範圍中使用的術語應被解釋為具有與前述描述一致的最廣泛的合理解釋。例如，在介紹元件時使用冠詞「一」或 「該」不應被解釋為排除多個元件。同樣地，「或」的表述應被解釋為包括性的，使得「A或B」的表述不排除「A及B」，除非從上下文或前面的描述中清楚地看出僅意指A及B中的一個。進一步，「A、B以及C中的至少一個」的表述應被解釋為由A、B以及C組成的一組元件中的一個或多個，而不應被解釋為要求所列出的元件A、B以及C中的每一個中的至少一個，而不論A、B以及C是否作為類別或以其它方式相關。此外，「A、B及／或C」或「A、B或C中的至少一個」的表述應被解釋為包括來自所列元件的任何單數實體（例如，A）、來自所列元件的任何子集合（例如，A以及B）、或元件A、B以及C的整個系列。
101:具有直徑D以及長度L的半導體錠
102:第一帶槽輥
103:第二帶槽輥
104:第一噴嘴
105:第二噴嘴
106:由固定磨粒線形成的線網
107:錠朝向鋸切線網移動的方向
108:切割距離dc
201:第一組
202:第二組
203:第三組
400:方法
S401:提供半導體錠
S402:將半導體錠切割成工件
S403:將工件切割成片
以下將基於例示性附圖更詳細地描述本發明的主題。本文描述及／或說明的所有特徵均可單獨使用或以不同組合方式組合。經由參考附圖閱讀以下詳細描述，各實施態樣的特徵以及優點將變得顯而易見，附圖示出以下：
圖1示出被構造成鋸切工件的線鋸的設置；
圖2針對局部厚度變化示意性地示出不同製程條件的三組結果；
圖3示出取自二個不同錠塊的晶圓的總厚度變化的測量結果；
圖4示出根據本發明方法的實施態樣；以及
圖5示出在線速度方向反轉之前沿一個方向輸送的線的長度。
201:第一組
202:第二組
203:第三組
Claims (12)
- 一種切割半導體晶圓的方法，該方法包括：提供圓柱體形狀的半導體錠；使用鋸將該半導體錠切割成工件；以及使用線柵將該工件鋸切成片，該線柵包括在二個輥周圍引導的固定磨粒線，該等輥具有凹槽，該固定磨粒線在該凹槽中進行引導，其中在鋸切期間，該工件朝向該線柵移動，其中在該工件與該線柵第一次接觸時，初始切割速度vstart小於2毫米/分鐘，同時冷卻劑流量小於0.1公升/小時，且同時該固定磨粒線的速度vw大於20公尺/秒，其中在該第一次接觸之後，將該工件引導穿過該線柵，直到達到至少7毫米的第一切割深度，其中在該鋸切期間，冷卻劑流量保持恆定，直到達到該第一切割深度，然後增加到至少2000公升/小時，以及其中在從該工件與該線柵第一次接觸直到切割深度為該圓柱體的直徑的一半期間將切割速度減小到小於該初始切割速度的70%，然後增大該切割速度。
- 如請求項1所述的方法，其中該半導體晶圓是單晶矽半導體晶圓，其中該半導體錠是單晶矽單晶體，其中該工件是長度在350毫米與450毫米之間的晶體工件，以及其中該鋸是帶鋸。
- 如請求項2所述的方法，其中該固定磨粒線的厚度不大於80微米且不小於60微米。
- 如請求項2所述的方法，其中該固定磨粒線包括芯線以及固定在該芯線表面上的磨粒。
- 如請求項2所述的方法，其中該冷卻劑流量包括水以及界面活性劑。
- 如請求項2所述的方法，其中該等輥的凹槽彼此之間的距離不小於769微米且不大於850微米。
- 如請求項2所述的方法，其中在該切割期間改變該固定磨粒線的速度的方向。
- 如請求項1所述的方法，其中該固定磨粒線是金剛石線。
- 如請求項1所述的方法，其中在該鋸切期間的切割速度是沿著該切割的中間之拋物線的切割深度的函數，該切割的中間位於圓柱體直徑的一半的切割深度處。
- 如請求項1所述的方法，其中該第一切割深度為至少9毫米。
- 如請求項1所述的方法，其中該第一切割深度為至多13毫米。
- 如請求項1所述的方法，其中當達到該第一切割深度時，該冷卻流量增加到至少2200公升/小時。
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