一种12吋半导体晶棒金刚线切割的方法

技术领域

本发明涉及12吋半导体晶棒金刚线领域，具体的说是一种12吋半导体晶棒金刚线切割的方法。

背景技术

半导体晶圆是芯片制造的衬底材料，尤其是12吋半导体晶圆是高端芯片的主要材料，其制造过程：将多晶硅融化后通过单晶炉拉制成高品质单晶硅棒；将单晶硅棒经过截断、滚磨加工成12吋直径的晶棒；通过线切割将晶棒分割成硅片，硅片经过倒角、研磨、抛光等步骤，提高硅片表面平整度。

目前，12吋半导体晶棒常采用砂浆线或者金刚线切割的方式，其中，砂浆线切割12吋晶棒已得到广泛应用，金刚线切割6吋及6吋以下晶棒也已研发成功，但是，金刚线切割12吋晶棒处于研发初期。金刚线切割主要是利用金刚线上的金刚石粉高速撞击晶棒将其切割成硅片，12吋半导体晶棒金刚线切割相比砂浆线切割，具有以下优势：1)因为砂浆线切割产生的废砂浆处理越来越困难，不符合环保要求，而金刚线切割过程中使用的冷却液是纯水和少量金刚线切割液混合，顺应了环保的大趋势；2)切割成本降低40％以上；3)切割效率高，切割时间缩短30％以上；4)线损小，切片收率提升6％以上。

但是，金刚线切割12吋半导体晶圆时存在如下问题：不同于8吋和8吋以下的硅片，12吋半导体晶棒应用在高端芯片上，因此，对切割后硅片的表面形貌要求非常高，比如晶向、厚度均匀性、弯曲、翘曲等参数，这就要求在切割过程中金刚线的稳定性要好，散热要充分；而现有切割设备中的给水装置，一般都是处于晶棒两侧，朝向切割丝网提供冷却液，如图1所示，在实际中会导致线网的波动幅度大，造成切割后硅片表面形貌较差，当用于8吋及以下硅片切割时，并不会影响硅片的使用，但是在应用到12吋时，就会导致切割后的硅片表面形貌不合格。

12寸半导体晶棒在切割过程中最大的难点在于直径大，散热难，进而引起弯翘曲超标，为了解决这一问题，申请人此前已经申请了一项专利名称为“一种金刚线切割12吋半导体硅晶棒用喷淋系统及使用方法”的发明专利，申请号为CN202211262155.3，能够解决切割时散热问题的同时，有效减少了切割丝网的波动幅度，提升了切割后硅片的表面形貌参数。

现有技术中还公开了一种接片槽、金刚线切片机及大尺寸硅棒的切割方法的中国发明专利，申请号为202210307279.2。具体公开了金刚线切片机包括左右两个切割主辊和接片槽，接片槽包括用于盛装冷却液且设置在两个切割主辊之间的槽本体，槽本体包括左右布置的两个槽侧壁以及连接在两个槽侧壁之间的槽底壁，槽本体内于两个槽侧壁上分别固定有侧壁超声震板，槽本体内于槽底壁上固定有底壁超声震板。但是超声的原理是高频震动，在实施过程中，超声易把直径只有0.08mm的金刚线瞬间震断，即使没有震断也会引起高频震动，从而导致切割工作无法顺利进行。

本发明提供一种与现有技术不同的改进方案，以提高12寸半导体晶棒在切割过程中的散热效率，提高硅片成品的质量。

发明内容

本发明旨在提供一种12吋半导体晶棒金刚线切割的方法，以解决12寸半导体晶棒在切割过程中的不易散热，进而引起弯翘曲超标的技术问题。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体方案为：一种12吋半导体晶棒金刚线切割的方法，首先将半导体晶棒安装于切割机金刚线网上方的工件板上；然后再下压工件板，同时切割机的绕线辊带动金刚线运动，对半导体晶棒进行切割；切割过程包括以下三个阶段：

S1、从切割开始直至切割深度达到第一预设深度时，保持接片槽的排水通道畅通，切割过程中由切割机的给水机构向金刚线供水；

S2、切割深度从第一预设深度直到第二预设深度的过程中，封堵接片槽的排水通道，使金刚线浸没于接片槽的冷却水中对半导体晶棒进行切割，并在切割过程中以先升后降的鼓泡压空压力向冷却水鼓泡；

S3、切割深度从第二预设深度直到切割完成时，停止向冷却水鼓泡，保持金刚线浸没于接片槽的冷却水中切割。

作为上述技术方案的进一步优化，第一预设深度为30mm，第二预设深度为180mm。

作为上述技术方案的进一步优化，当切割深度在30-180mm时，鼓泡压空压力为0.18～0.39Mpa。

作为上述技术方案的进一步优化，

当切割深度在30-50mm时，鼓泡压空压力为0.18-0.22Mpa；

当切割深度在50-80mm时，鼓泡压空压力为0.27-0.33Mpa；

当切割深度在80-120mm时，鼓泡压空压力为0.33-0.39Mpa；

当切割深度在120-150mm时，鼓泡压空压力为0.27-0.33Mpa；

当切割深度在150-180mm时，鼓泡压空压力为0.18-0.22Mpa。

作为上述技术方案的进一步优化，当切割深度在30-50mm时，鼓泡压空压力为0.2Mpa；

当切割深度在50-80mm时，鼓泡压空压力为0.3Mpa；

当切割深度在80-120mm时，鼓泡压空压力为0.35Mpa；

当切割深度在120-150mm时，鼓泡压空压力为0.3Mpa；

当切割深度在150-180mm时，鼓泡压空压力为0.2Mpa。

作为上述技术方案的进一步优化，接片槽包括槽本体和设置在槽本体内的鼓泡气管，槽本体的槽壁上开设有排水通道，并活动设置有能够封堵排水通道的挡板。

作为上述技术方案的进一步优化，排水通道设置在在槽本体的一端或相对的两端。

作为上述技术方案的进一步优化，鼓泡气管设置在槽本体的底部及相对的两侧槽壁上，鼓泡气管上间隔设置有鼓泡口。

作为上述技术方案的进一步优化，鼓泡气管的直径为8mm，相邻鼓泡口之间的间距为30-50mm，鼓泡口的孔径为0.5-1mm。

作为上述技术方案的进一步优化，鼓泡气管与接片槽上边沿的距离50-230mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过控制向接片槽内的冷却水通入压缩空气进行鼓泡，通过鼓泡作业带动冷却液的流动，提高半导体晶棒在切割过程中的散热效率。

金刚线切割半导体晶棒制备硅片的过程中，会产生硅粉并在金刚线和硅片之间堆积，包裹住了金刚线表面的金刚线砂，降低了切割力，而鼓泡过程可以有效消除硅粉的堆积，增强切割力。

鼓泡如果流量过大，会造成液面波动较大，造成线网的波动也就越大，会影响硅片的TTV，造成厚薄片，通过采用本发明的切割方法，合理调整鼓泡压空压力，控制鼓泡量，达到散热和增加切割力的同时，又能保证TTV不受影响。

附图说明

图1为本发明切割机的结构示意图；

图2为接片槽的外部结构示意图；

图3为鼓泡气管的俯视图；

图4为图3中A处的放大图；

图5为对比例1中BOW的过程能力报告；

图6为实施例2中BOW的过程能力报告；

图7为对比例1中WARP的过程能力报告；

图8为实施例2中WARP的过程能力报告；

图9为实施例2、对比例1中BOW的区间图(均值95％置信区间)；

图10为实施例2、对比例1中WARP的区间图(均值95％置信区间)；

图11为实施例2切割的硅片表面形貌俯视图；

图12为实施例2切割的硅片表面形貌侧面图；

图13为对比例1切割的硅片表面形貌俯视图；

图14为对比例1切割的硅片表面形貌侧面图；

图15为未设置挡板的接片槽；

图16为插入挡板后的接片槽；

附图标记：1、半导体晶棒，2、接片槽，3、金刚线网，4、给水机构，5、绕线辊，6、挡板，7、鼓泡气管，8、鼓泡口，9、导向辊。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述，本发明以下各实施例中未详细记载和公开的部分，均应理解为本领域技术人员所知晓或应当知晓的现有技术，比如切割设备的结构、绕线辊与金刚线网的组装、进给机构控制晶棒的升降以及给水机构中冷却水的供给等。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种通过切割机，与现有技术相同的是：该切割机包括绕线辊5，绕线辊5一般为对称的两个，在两个绕线辊5的下方具有一个导向辊9，形成三角形分布，最终组成了一个三角形的辊组。一根金刚线在辊组上多次缠绕，形成三角形的金刚线网3；三角形的金刚线网3具有一个处于最上方的水平面，该水平面由多根相互平行的金刚线切割丝构成，形成切割区；切割设备的进给机构与工件板固定连接，工件板则与半导体晶棒1顶部粘接的树脂板固定，从而将半导体晶棒1固定在进给机构的底部，并随进给机构升降，在下降的过程中逐渐与金刚线网3的切割区接触，进而逐渐被切割形成多片硅片；

在半导体晶棒1轴向两侧对称设置有给水机构4，这两组给水机构4向金刚线切割线网表面提供冷却水，给水机构4为现有切割设备自带的给水机构4。给水机构4包括具有注液管的密封箱体，注液管用于将冷却水注入到密封箱体内，密封箱体的底部通过若干连通孔与其一侧设有的溢流区连通，溢流区实际上是一块水平板，水平板的两端与金刚线网3的宽度方向两端平齐，水平板与密封箱体底部连接处形成狭缝，冷却水通过狭缝均匀分布到水平板上，溢流区的边缘通过向下倾斜的导引板将冷却液导流到金刚线网上，导引板的两端与水平板平齐。

与现有技术不同的是，在两个绕线辊5和一个导向辊9围成的三角形区域内设置有接片槽2，接片槽2的上端面靠近金刚线网3。接片槽2的整体轮廓为长条形，其长度方向与绕线辊5和导向辊9的轴向平行。

如图2所示，接片槽2包括槽本体和设置在槽本体内的鼓泡气管7，槽本体的槽壁上开设有排水通道，排水通道位于接片槽2长度方向的一端或两端，槽本体上还设置有能够封堵排水通道的挡板6。

具体的，本实施例中的排水通道为两条，并分别位于排水通道长度方向的两端，每条排水通道上均设置有挡板6。在槽本体的内壁开设有用于安装挡板6的安装槽(图中未示出)，安装槽为两条并沿槽本体的径向开设，两条安装槽分布在槽本体的两端。使用时，将挡板6插入安装槽内实现排水通道的封堵，将挡板6从安装槽上移出可以实现排水通道的畅通。图2所示即为挡板6插入安装槽后的示意图，此时排水通道封堵，接片槽2内能够盛装冷却水。

如图2、图3所示，接片槽2内设置有鼓泡气管7，在接片槽2内盛装有冷却水后，可以通过向鼓泡气管7通入压缩空气对冷却水鼓泡。鼓泡气管7铺设在槽本体的底部及两侧槽壁内侧，鼓泡气管7沿槽本体的底部和槽壁呈S形分布。

鼓泡气管7上间隔设置有鼓泡口8，鼓泡口8即为设置在鼓泡气管7上的出气孔。鼓泡气管7的直径为8mm，鼓泡口8的孔径为0.5-1mm，在铺设鼓泡气管7的区域内，相邻鼓泡口8之间的间距为30-50mm。

接片槽2内所设置的鼓泡气管7为多根，每根鼓泡气管7均设置有一个进气口，用于鼓泡的压缩空气从进气口进入鼓泡气管7内，每根鼓泡气管7上开设的鼓泡口8数量为120～150个。

鼓泡气管7从槽壁中间的位置开始铺设，槽壁上位于最上方的鼓泡气管7与槽壁上边沿的距离为50～60mm，鼓泡气管7与接片槽2上边沿的距离50-230mm。

实施例2

本发明还公开了一种12吋半导体晶棒金刚线切割的方法，该方法使用上述实施例1的切割机进行实施：

首先将半导体晶棒1安装于切割机金刚线网3上方的工件板上；然后再通过进给机构下压工件板，同时切割机的绕线辊5带动金刚线运动，对半导体晶棒1进行切割；切割过程包括以下三个阶段：

S1、从切割开始直至切割深度达到第一预设深度时，保持接片槽2的排水通道畅通，切割过程中由切割机的给水机构4向金刚线供水；

第一预设深度为30mm，即切割深度在0～30mm时，取出挡板6，保持接片槽2的排水通道畅通，切割过程中由切割机的给水机构4按照现有技术的方式向金刚线供水，提供给金刚线的冷却水由接片槽2两端的排水通道流出；

S2、切割深度从第一预设深度直到第二预设深度的过程中，封堵接片槽2的排水通道，使金刚线浸没于接片槽2内的冷却水中对半导体晶棒1进行切割，并在切割过程中以先升后降的鼓泡压空压力向冷却水鼓泡；鼓泡压空压力是指向鼓泡气管通入压缩空气，使其在冷却水中鼓泡的压力。

封堵接片槽2的排水通道采用将挡板6插入安装槽内的方式，挡板6插入安装槽内后，控制冷却水在十秒钟内即充满接片槽2，挡板6上边沿和接片槽2的上边沿是平齐的，然后两侧给水机构4一直不断地给水，保持接片槽2处于溢流状态。

在切割深度达到30mm之后，此时金刚线网3形成了一定的线弓，金刚线网3与半导体晶棒1接触的位置接触到水面，此时金刚线网3受到向下的压力，硅片波动影响小。并且随着两侧给水机构4不断注水，接片槽2内不断溢流，如图15所示为未设置挡板时的接片槽图片，图16所示为插入挡板后的接片槽图片，插入挡板后，两边给水机构提供的水落到金刚线网上之后，绝大部分会穿过线网落入接片槽内，因为金刚线的直径是0.08-0.1mm，而金钢线之间的缝隙是0.8-1mm，插入挡板后接片槽会迅速充满水。再加上鼓泡，此时液面才具有一定波动，形成在液面下切割的效果。

需要说明的是，接片槽2内也可直接连接向其输入冷却水的输水管，在两侧的给水机构4供水不足时，可通过输水管直接向接片槽2内供水，以保证接片槽2在步骤S2的过程中始终处于溢流状态。

第二预设深度为180mm，从第一预设深度直到第二预设深度的切割过程又分为五个鼓泡阶段；切割深度在30-50mm时为第一鼓泡阶段，切割深度在50-80mm时为第二鼓泡阶段，切割深度在80-120mm时为第三鼓泡阶段，切割深度在120-150mm时为第四鼓泡阶段，切割深度在150-180mm时为第五鼓泡阶段。从第一鼓泡阶段至第五鼓泡阶段的整个过程中，鼓泡气管7内的鼓泡压空压力按照先升后降的方式提供，从第一鼓泡阶段至第三鼓泡阶段时，鼓泡压空压力逐渐上升，在第三鼓泡阶段时达到最大，随后再逐渐下降。这是由于鼓泡如果流量过大，会造成液面波动较大，造成线网的波动也就越大，会影响硅片的TTV，造成厚薄片，通过采用本发明的切割方法，随着金刚线与晶棒接触面积的改变而适时调整鼓泡压空压力，控制鼓泡量，达到散热和增加切割力的同时，又能保证TTV不受影响。

鼓泡压空压力的范围在0.18～0.39Mpa之间，具体的：

当切割深度在30-50mm时，鼓泡压空压力为0.18-0.22Mpa；

当切割深度在50-80mm时，鼓泡压空压力为0.27-0.33Mpa；

当切割深度在80-120mm时，鼓泡压空压力为0.33-0.39Mpa；

当切割深度在120-150mm时，鼓泡压空压力为0.27-0.33Mpa；

当切割深度在150-180mm时，鼓泡压空压力为0.18-0.22Mpa。

本实施例中采用的鼓泡压空压力值如下：

当切割深度在30-50mm时，鼓泡压空压力为0.2Mpa；

当切割深度在50-80mm时，鼓泡压空压力为0.3Mpa；

当切割深度在80-120mm时，鼓泡压空压力为0.35Mpa；

当切割深度在120-150mm时，鼓泡压空压力为0.3Mpa；

当切割深度在150-180mm时，鼓泡压空压力为0.2Mpa。

S3、切割深度从第二预设深度直到切割完成时，停止向冷却水鼓泡，保持金刚线浸没于接片槽2的冷却水中切割。

行业内半导体金刚线切割普遍采用纯水+切割液的方式，为了节省成本，本方案使用纯水辅助切割，不需要再添加切割液，而是通过接片槽2内部压空鼓泡的方式代替切割液的冷却作用。

本发明通过控制向接片槽2内的冷却水通入压缩空气进行鼓泡，通过鼓泡作业带动冷却液的流动，提高半导体晶棒1在切割过程中的散热效率。通过控制鼓泡量的大小，达到增加散热的目的，鼓泡的量越大，气泡越多，液体的流动性也就越强，散热效果也就越好。

正常切割过程中，金刚线切割半导体晶棒1制备硅片，切割过程中产生的硅粉，会在金刚线和硅片之间堆积，包裹住了金刚线表面的金刚线砂，降低了切割力，而鼓泡过程可以有效消除硅粉的堆积，利用气泡炸裂，可以有效带走硅片缝隙中和金刚线表面的硅粉。鼓泡的压空压力越大，鼓泡量也就越大，消除硅粉堆积的效果越好，越有利于增加切割力。

但是，鼓泡如果流量过大，会造成液面波动较大，造成金刚线网3的波动也就越大，会影响硅片的TTV，造成厚薄片。

通过采用本发明的切割方法，在切割之初，即0-30mm时，采用原有的普通给水方式提供冷却水，此时金刚线切割处的热量聚集较低，原有的给水方式即可以实现半导体晶棒1的散热，同时，由于金刚线与半导体晶棒1的接触面较小，若此时鼓泡还会产生金刚线的晃动而影响切割效果；

在切割深度达到30mm之后，随着金刚线与半导体晶棒1接触面积的增加，此时金刚线网3形成了一定的线弓，跟半导体晶棒1接触的金刚线网3中间部分会接触到水面，金刚线网3受到向下的压力，硅片波动影响小；此时施加鼓泡作业，并合理调整鼓泡压空压力，控制鼓泡量，达到散热和增加切割力的同时，又能保证TTV不受影响。

采用本发明的切割方法，不但可以获得较好的冷却效果，进而改善弯翘曲水平；还可以获得较好的润滑效果，减少硅粉在线缝中的积累。

对比例1

本对比例采用现有技术的切割方式对12吋半导体晶棒1金刚线切割，切割全过程均由切割机的给水机构4按照现有技术的方式向金刚线供水。

对比例2

本对比例采用实施例1的切割机，从切割之初至切割完成，全程施加0.4Mpa的鼓泡压空压力。

对比例3

本对比例采用实施例1的切割机，从切割之初至切割完成，全程施加0.2Mpa的鼓泡压空压力。

关于对比例2、3，当全程施加恒定不变的鼓泡压力的时候，鼓泡压力不随硅片发热量而变化，这种情况下，如果恒定的压力过小，则切割到中间硅片发热量最大的地方，不能起到有效的散热效果；反之如果恒定的压力过大，则在非中间部分，散热效果过强，导致冷却水和硅片温度低于目标值，从而导致冷却水流动性变差，反而不利于硅粉的分散。

将实施例2(即采用本发明的方法)和对比例1(即普通方法)所切割硅片的质量分别进行分析检测，检测数据如下表1：

表1

结果分析：从图5、图6和图9的BOW过程能力分析对比图上可以看出，使用本发明的方法后，BOW的CPK能力从2.020提升到了3.197，数据的过程能力提升了50％以上，数据更集中，BOW的绝对值更小、更优；从图7、图8和图10的WARP过程能力分析对比图上可以看出，使用本发明的方法后，WARP的CPK能力从2.162提升到了7.396，数据的过程能力提升了340％以上，数据更集中，WARP值更小、更优，WARP均值从14.2μm降低到8.8μm左右。

图13、14为普通方法切割的硅片表面形貌俯视图和侧面图，此图为等高线图，红色表示高，蓝色表示低，从高到低依次为红→黄→绿→蓝，一个硅片的落差越大，说明硅片弯翘曲程度越高；图11、12为本发明方法切割的硅片表面形貌俯视图和侧面图，说明硅片弯翘曲程度越高，可以看到普通方法切割后的硅片落差大于本发明切割的硅片，说明弯翘曲程度明显高于本发明方法切割的硅片。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。