TWI835498B - 線切割單元、設備、矽片及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了線切割單元、設備、矽片及其製造方法，切割線；彼此間隔開且平行地佈置的至少兩個線軸，每個線軸上設置有彼此平行且間隔開的多個導引槽，該切割線依次纏繞在每個線軸的每個導引槽上以形成由橫跨該至少兩個線軸並且彼此平行的多個切割線段組成的陣列，該陣列用於通過沿該切割線的延伸方向的運動將矽棒一次性切割成多個矽片；其中，該多個導引槽中的相鄰導引槽之間的間距根據該切割線的形變沿著該多個切割線段的排列方向按照設定的規律進行設置，使得切割出的該多個矽片具有一致的厚度。
Description
本發明實施例屬於晶圓加工技術領域，尤其關於線切割單元、設備、矽片及其製造方法。
矽片作為半導體電路製程載體，其品質對積體電路形成具有決定性的影響。目前，在矽片的初步成型過程中的主要步驟包括：矽棒切割，物理、化學研磨，化學刻蝕，物理化學拋光等。矽棒切割是矽片成型製程中的核心技術之一，其主要包括多線砂漿(SiC)切割和內圓切割。以12英寸晶圓的成型為例，目前採用的主流製程為多線切割，因為相對於內圓切割，多線切割具有效率高、品質好、出片率高等優勢。
多線切割是目前先進的切片加工技術，其原理是將切割線纏繞在一組線軸上以形成切割線段陣列，利用切割線的高速往復運動把磨料帶入待切割材料(比如矽棒)的加工區域進行研磨，而待切割工件通過工作臺的升降實現垂直方向的進給，以此將工件同時切割成若干個所需尺寸形狀的薄片(比如晶圓)。通常多線切割過程中所採用的磨料可選為砂漿，不僅能夠幫助研磨，而且還能夠在多線切割過程中起到冷卻作用。
目前，多線切割製程使用的切割線包括普通鋼線和結構線，普通鋼線和結構線區別在於：普通鋼線由圓柱形鋼線外加銅鋅合金構成，而結構線
是基於普通鋼線在軸向和徑向方向上增加扭曲部分以使得切割線在切割過程中攜帶切割液更穩定，同時切割能力增強，但是隨著切割操作的進行，切割線會由於承受力和/或因損耗而發生形變，切割線的形變將導致切割出的矽片的厚度的一致性、特別是從同一矽棒一次性切割出的多個矽片的厚度的一致性較差，因此線上切割過程中，如何改善不同矽片的厚度一致性成為本領域亟需解決的問題。
有鑑於此，本發明實施例期望提供線切割單元、設備、矽片及其製造方法；能夠改善由於矽棒被切割時的溫度變化、切割液中的顆粒的直徑的變化、切割線的損耗形變等因素導致的矽片平坦度差和厚度差異的問題，提高矽片的良率。
本發明實施例的技術方案是這樣實現的：
第一方面，本發明實施例提供了一種線切割單元，該線切割單元包括：切割線；彼此間隔開且平行地佈置的至少兩個線軸，每個線軸上設置有彼此平行且間隔開的多個導引槽，該切割線依次纏繞在每個線軸的每個導引槽上以形成由橫跨該至少兩個線軸並且彼此平行的多個切割線段組成的陣列，該陣列用於通過沿該切割線的延伸方向的運動將矽棒一次性切割成多個矽片；其中，該多個導引槽中的相鄰導引槽之間的間距根據該切割線的形變沿著該多個切割線段的排列方向按照設定的規律進行設置，使得切割出的該多個矽片具有一致的厚度。
第二方面，本發明實施例提供了一種線切割設備，該線切割設備包括：根據第一方面的線切割單元；用於裝載並固定待加工矽棒的承載單元；移動控制單元，用於控制該線切割單元和/或該承載單元移動，以使得該線切割單元和該承載單元相向移動以對矽棒進行切割。
第三方面，本發明實施例提供了一種用於製造矽片的方法，該方法包括：採用根據第三方面的線切割設備製造矽片，包括以下步驟：通過承載單元裝載並固定矽棒；通過移動控制單元控制線切割單元和裝載並固定有矽棒的承載單元相向運動以對矽棒進行切割；對矽棒切割後得到的矽片進行清洗並進行檢測。
第四方面，本發明實施例提供了一種矽片，該矽片通過使用根據第二方面的線切割設備獲得。
本發明實施例提供了線切割單元、設備、矽片及其製造方法；根據本發明實施例提供的技術方案，該線切割單元的線軸上設置有用於導引切割線的多個導引槽，由於相鄰導引槽之間的間距根據該切割線的形變沿著該多個切割線段的排列方向按照設定的規律進行設置，因此可以補償因切割線形變引起的切割所得的多個矽片之間的厚度差異，從而改善不同矽片的厚度一致性。
1:線切割設備
2:待加工矽棒
11:線切割單元
12:承載單元
13:移動控制單元
111:線軸
111A:第一端部
111B:第二端部
112:切割線
113:導引槽
114:本體
115:導引部
1151:導引單元
121:基台
122:保持臂
123:底座
CD:線切割設備
Y:排列方向
AR:陣列
SE:切割線段
S01-S03:步驟
圖1為一種相關技術中的線切割設備的示意圖；圖2為另一種相關技術中的線切割設備的示意圖；圖3為相關技術中的線切割單元的結構示意圖；圖4為本發明實施例提供的線切割單元的結構示意圖；圖5為本發明實施例提供的切割單元的局部示意圖；圖6為本發明的另一實施例提供的切割單元的局部示意圖；圖7為本發明的又一實施例提供的切割單元的局部示意圖；圖8為本發明實施例提供的線切割設備的結構示意圖；圖9為本發明實施例提供的用於製造矽片的方法的流程圖。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
參見圖1，其示出了一種相關技術中的線切割設備1的示意圖，可以理解地，圖1所示結構僅用於進行原理性說明，並不表示本領域具通常知識者不會根據具體的實施狀態在圖1所示的組成結構上增加或減少元件，本發明實施例對此不做具體限制。由圖1所示，線切割設備1可以包括線切割單元11和承載單元12；線切割單元11可以在一些示例中如圖1所示置於承載單元12的垂直方向下方，也可以在一些示例中如圖2所示置於承載單元12的垂直方向上方。具體而言，線切割單元11可以包括多個線軸111以及切割線112，切割線112纏繞於線軸111以形成由相互平行的切割線段構成的陣列；在圖1中，線軸111的數量以2個為例進行說明，並且線軸111和切割線112朝向和遠離承載單元12的往復運動方向如圖1中的實線箭頭所示，往復運動速度示例性地可以為10m/s至15m/s。承載單元12用於裝載並固定待加工矽棒2，在圖1所示的示例中，承載單元12可以包括基台121以及安裝於基台121上的保持臂122，保持臂122可以沿待加工矽棒2的軸線方向夾持待加工矽棒2的兩端以固定待加工矽棒2，當然，對於本領域人員，可以設想到的是，待加工矽棒2也可以以其他方式固定至保持臂，例如待加工矽棒可以通過其外周表面直接黏接至保持臂的下表面從而固定至保持臂。在圖2所
示的示例中，承載單元12除了可以包括前述示例中所述的基台121以及安裝於基台121上的保持臂122之外，還可以包括承載待加工矽棒2的底座123。
對於圖1、2中所示的線切割設備1，可以通過移動線切割單元11或者承載單元12以使切割線112與待加工矽棒2之間沿垂直方向的相向運動，待切割線112與待加工矽棒2相互接觸之後，利用切割線112沿其延伸方向的運動實現對待加工矽棒2的切割。在如圖1所示的示例中，可以將線切割單元11沿黑色箭頭所示方向移動，也可以將承載單元12沿虛線白色箭頭方向移動，以實現切割線112與待加工矽棒2之間沿垂直方向的相向運動。在如圖2所示的示例中，可以將承載單元12沿黑色箭頭所示方向移動，也可以將線切割單元11沿虛線白色箭頭方向移動，以實現切割線112與待加工矽棒2之間沿垂直方向的相向運動。需要說明的是，本發明實施例通過加裝升降裝置(圖中未示出)以實現線切割單元11或者承載單元12的移動，可以理解地，本領域具通常知識者還可以根據實際需要及實施場景通過其他方式實現線切割單元11或者承載單元12的移動，本發明實施例對此不做贅述。
在相關方案中，線軸111上設置有用於導引切割線112的多個導引槽，導引槽以均勻的間隔彼此間隔開，也就是說相鄰的導引槽之間的間距是一致的，切割線112依次纏繞在每個線軸111的每個導引槽使得切割線112形成為由多個切割線段組成的陣列，在該陣列中，各切割線段彼此平行以期將矽棒一次性切割成多個矽片。然而，實際上，在切割線攜帶切割液進行切割的過程中，無論是對於普通鋼線還是對於結構線而言，切割線至少將承受與矽棒的摩擦作用力以及線軸對其的張緊力並且切割線也會在切割操作中被磨損，這些因素將導致切割線發生形變，例如，在切割過程中，如果切割線總體上沿單一方向被
進給並且其他切割條件例如切割液狀態、溫度等一致的情況下，靠近其頭部的切割線部段由於參與了更多的切割操作將具有大於靠近其尾部的切割線部段的變形程度，最終導致切割線總體上沿進給方向從頭部至尾部逐漸變粗。針對存在形變的切割線，如果依然使其以等間距纏繞在線軸上將導致切割出的矽片的厚度的一致性較差。例如，參見圖3，在相關技術中的線切割單元中，晶棒長度L，線軸需要開槽數量為N，矽片厚度T，相鄰的導引槽之間的間距為固定值D，切割線線徑為d，如果隨著切割線線徑d的變化，例如d1>d2>d3>d4，則導致矽片厚度T也發生變化：T1<T2<T3<T4。應當指出的是，導引槽的橫截面形狀包括但不限於矩形、三角形等。
基於上述情況，本發明實施例期望提供一種線切割矽棒的方案，能夠補償因切割線形變引起的切割所得的多個矽片之間的厚度差異，從而改善不同矽片的厚度一致性。
基於此，參見圖4，其示出了本發明實施提供的一種線切割單元11，該線切割單元11包括：切割線112；彼此間隔開且平行地佈置的至少兩個線軸111，每個線軸111上設置有彼此平行且間隔開的多個導引槽113，該切割線112依次纏繞在每個線軸111的每個導引槽113上以形成由橫跨該至少兩個線軸111並且彼此平行的多個切割線段SE組成的陣列AR，該陣列AR用於通過沿該切割線112的延伸方向的運動將待加工矽棒2一次性切割成多個矽片；
其中，該多個導引槽113中的相鄰導引槽之間的間距根據該切割線112的形變沿著該多個切割線段SE的排列方向Y按照設定的規律進行設置，使得切割出的該多個矽片具有一致的厚度。
下面以圖4至圖6為示例進行說明，切割線段SE的排列方向Y是指從線軸111的第一端部111A至第二端部111B的方向，相鄰的兩個導引槽113的間距分別為D1、D2和D3，當切割線112纏繞在線軸111上時，切割線112的頭部從線軸111的第一端部111A直接延伸出，而切割線112的尾部則從線軸111的第二端部111B直接延伸出，如在上說明書中論述記載的，在實際的切割操作中，切割線的形狀和尺寸、特別是切割線在直徑方向上的形狀和尺寸並不是固定不變的，而是至少位於靠近第一端部111A的導引槽113中的切割線段SE的形變程度將與位於靠近第二端部111B的導引槽113中的切割線段SE的形變程度存在差異，為了補償此差異，根據本發明實施例，間距D1、D2和D3並非如相關技術中的方案那樣設置成彼此相等，而是根據該切割線112的形變沿著該多個切割線段SE的排列方向Y按照設定的規律進行設置，由此可以改變通過改變相鄰的導引槽之間的間距來改變相鄰的切割線段SE之間的距離，以補償切割線形變，使得切割出的多個矽片具有一致的厚度，以一次性能夠被切割出400個矽片的晶棒為例，採用相關技術中的線切割單元，從同一矽棒一次性切割出的400個矽片的厚度差將大於10μm，而通過使用本發明實施例提供的線切割單元，400個矽片的厚度差則為4μm。
本發明實施例提供了一種線切割單元11；根據本發明實施例提供的技術方案，該線切割單元11的線軸111上設置有用於導引切割線112的多個導引槽113，由於相鄰導引槽113之間的間距根據該切割線112的形變沿著該多個切
割線段SE的排列方向Y按照設定的規律進行設置，因此可以補償因切割線形變引起的切割所得的多個矽片之間的厚度差異，從而改善不同矽片的厚度一致性。
關於多個導引槽中的相鄰導引槽之間的間距的確定，具體而言，參見圖5，假設為了切割出N個矽片而設置了n個導引槽並且切割線依次纏繞在n個導引槽中形成n個切割線段SE，其中，目標矽片厚度為T，各個切割線段SE的直徑按照排列順序依次為d1、d2、d3、d4......，那麼相鄰的導引槽之間的間距D1、D2、D3......為：D1=T+d1、D2=T+d2、D3=T+d3......，由此可以確定，當需要切割出n個矽片時，相鄰的導引槽之間的間距Dn=T+dn。
如果在切割過程中位於第n個導引槽中的切割線段SE相比於位於第1個導引槽中的切割線段SE的直徑變化量為△dn，那麼相鄰的導引槽之間的間距D1、D2、D3......可以進一步表示為：D1=T+d1-△d1、D2=T+d1-△d2、D3=T+d1-△d3......。
通過以上各式可以進一步確定，當切割出N個矽片需要設置n個導引槽時，該相鄰導引槽之間的間距通過式(1)獲得：Dn=T+d1-△dn (1)，其中，Dn代表第n個導引槽與第n-1個導引槽之間的間距，T代表目標矽片厚度，d1代表切割線的初始直徑，△dn代表在切割過程中位於第n個導引槽中的切割線相比於位於第1個導引槽中的切割線的直徑變化量。
通過式(1)可以看出，根據本發明的實施例，對導引槽之間間距的設置考慮到了切割線的直徑變化量，以通過調整導引槽之間的間距來對該直徑變化量進行補償，由此才能使得在實際操作中相鄰切割線段間的實際距離與目標矽片厚度保持一致，進而使得切割出的多個矽片具有一致的厚度。
關於在切割過程中位於第n個導引槽中的切割線相比於位於第1個導引槽中的切割線的該直徑變化量△dn可以通過式(2)獲得：
其中，K為實測切割線磨損係數。
作為示例，經過試驗測得，在同等條件下切割出大約350個矽片之後，對於鋼線，形變係數大約為0.9879，對於結構線，形變係數大約為0.9847，那麼對應的切割線磨損係數K則分別為，鋼線：1-0.9879=0.0121，結構線：1-0.9847=0.0153，由此則可以計算出相鄰導引槽之間的間距Dn。
如在上說明書中分析的，如果在切割操作中，其他切割條件不發生變化，例如切割液狀態、切割溫度等，那麼切割線的形變的總體趨勢為逐漸變細，針對此情況，可選地，該多個導引槽中的相鄰導引槽之間的間距設置成沿著該多個切割線段的排列方向逐漸減小，由此各切割線段之間的間距也逐漸減小，從而對切割線的形變進行補償，使得切割出的多個矽片具有一致的厚度。
在相關技術中的實施例中，導引槽可以直接開設於線軸上，然而，在實際生產中，導引槽由於要與切割線直接接觸而且要承受切割線以及切割液帶來的磨損，在這種情況下，導引槽也很容易被磨損消耗，為了便於對磨損的導引槽進行更換，並且為了根據不同的生產需要能夠方便地使用以不同間距間隔開的導引槽，可選地，參見圖6，以具有三角形橫截面的導引槽為例，該線切割單元11包括本體114和以可拆卸的方式安裝在該本體114的外圓周上的導引部115，該導引槽113設置在該導引部115上，根據本發明的該實施例，如果導引槽113因受到磨損而無法繼續使用，或者需要針對不同的應用需求調整導引槽
113之間的間距，則只需要將當前的導引部115從本體114上拆下，將目標導引部115安裝在本體114上即可，由此可以大幅降低材料成本，提高生產效率。
為了實現導引槽113的佈置的靈活性，可選地，參見圖7，該導引部115包括並列安裝在該本體114上的多個導引單元1151，每個導引單元1151包括一個或更多個該導引槽113並且每個導引單元1151能夠獨立於彼此在該本體114上安裝和拆卸，由此，可以根據實際生產狀態或需求，對導引單元1151進行組合以獲得具有所需的導引槽間距佈置方案的導引部115。
第二方面，參見圖8，本發明實施例還提供了一種線切割設備CD，該線切割設備CD包括：根據第一方面的線切割單元11；用於裝載並固定待加工矽棒的承載單元12；移動控制單元13，用於控制該線切割單元11和/或該承載單元12移動，以使得該線切割單元11和該承載單元12相向移動以對矽棒進行切割。
第三方面，參見圖9，本發明實施例還提供了一種用於製造矽片的方法，該方法包括：採用第二方面的線切割設備CD製造矽片，包括以下步驟：S01：通過承載單元裝載並固定矽棒；S02：通過移動控制單元控制線切割單元和裝載並固定有矽棒的承載單元相向運動以對矽棒進行切割；S03：對矽棒切割後得到的矽片進行清洗並進行檢測。
第四方面，本發明實施例還提供了一種矽片(圖中未示出)，該矽片通過使用根據第三方面的方法獲得。
通過使用根據第三方面的方法獲得的矽片相比於通過相關技術中生產的矽片的厚度具有更好的一致性，以一次性能夠被切割出400個矽片的晶棒為例，採用相關技術中的線切割單元，從同一矽棒一次性切割出的400個矽片的厚度差將大於10μm，而通過使用本發明實施例提供的線切割單元，400個矽片的厚度差則為4μm左右。厚度均一性得到改善的多個矽片在後續加工步驟例如研磨、拋光步驟中也能夠得到更好的處理，特別是在多個矽片同時被處理的步驟中，由此最終獲得的矽片還具有更好的平坦度，例如通過本發明實施例提供的線切割設備切割出的矽片在經歷了後續相關技術中加工步驟之後，平坦度可以達到500-1000nm。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
2:待加工矽棒
11:線切割單元
111:線軸
111A:第一端部
111B:第二端部
112:切割線
113:導引槽
Y:排列方向
AR:陣列
SE:切割線段
Claims (8)
- 一種線切割單元，包括：切割線；彼此間隔開且平行地佈置的至少兩個線軸，每個線軸上設置有彼此平行且間隔開的多個導引槽，該切割線依次纏繞在每個線軸的每個導引槽上以形成由橫跨該至少兩個線軸並且彼此平行的多個切割線段組成的陣列，該陣列用於通過沿該切割線的延伸方向的運動將矽棒一次性切割成多個矽片；其中，該多個導引槽中的相鄰導引槽之間的間距根據該切割線的形變沿著該多個切割線段的排列方向按照設定的規律進行設置，使得切割出的該多個矽片具有一致的厚度；當切割出N個矽片需要設置n個導引槽時，該相鄰導引槽之間的間距通過式(1)獲得：Dn=T+d1-△dn (1)，其中，Dn代表第n個導引槽與第n-1個導引槽之間的間距，T代表目標矽片厚度，d1代表切割線的初始直徑，△dn代表在切割過程中位於第n個導引槽中的切割線相比於位於第1個導引槽中的切割線的直徑變化量；代表在切割過程中位於第n個導引槽中的切割線相比於位於第1個導引槽中的切割線的該直徑變化量△dn通過式(2)獲得：
- 如請求項1所述之線切割單元，其中，該多個導引槽中的相鄰導引槽之間的間距設置成沿著該多個切割線段的排列方向逐漸減小。
- 如請求項1所述之線切割單元，其中，該線軸包括本體和以可拆卸的方式安裝在該本體的外圓周上的導引部，該導引槽設置在該導引部上。
- 如請求項3所述之線切割單元，其中，該導引部包括並列安裝在該本體上的多個導引單元，每個導引單元包括一個或更多個該導引槽，並且每個導引單元之間的間距是能夠調節的。
- 如請求項4所述之線切割單元，其中，每個導引單元能夠獨立於彼此在該本體上安裝和拆卸。
- 一種線切割設備，包括：根據如請求項1至5中任一項所述之線切割單元；用於裝載並固定待加工矽棒的承載單元；移動控制單元，用於控制該線切割單元和/或該承載單元移動，以使得該線切割單元和該承載單元相向移動以對矽棒進行切割。
- 一種用於製造矽片的方法，包括：採用根據如請求項6所述之線切割設備製造矽片，包括以下步驟：通過承載單元裝載並固定矽棒；通過移動控制單元控制線切割單元和裝載並固定有矽棒的承載單元相向運動以對矽棒進行切割；對矽棒切割後得到的矽片進行清洗並進行檢測。
- 一種矽片，該矽片通過使用根據如請求項6所述之線切割設備獲得。
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