CN115946251A
审中
用于线切割硅棒的方法、设备及硅片
技术领域
[0001]本发明实施例涉及晶圆加工技术领域，尤其涉及用于线切割硅棒的方法、设备及硅片。
背景技术
[0002]硅片作为半导体电路制程载体，其品质对集成电路形成具有决定性的影响。目前，在硅片的初步成型过程中的主要工序包括：硅棒切割，物理、化学研磨，化学刻蚀，物理化学抛光等。硅棒切割是硅片成型工艺中的核心工艺之一，其主要包括多线砂浆(SiC)切割和内圆切割。目前采用的主流工艺为多线切割，因为相对于内圆切割，多线切割具有效率高、质量好、出片率高等优势。
[0003]多线切割是目前先进的切片加工技术，其原理是将切割线依次缠绕在彼此间隔开地形成于线轴的周向表面上的导引槽内以使切割线形成切割线段阵列，在导引槽的导引作用下，利用切割线的高速往复运动把磨料带入待切割材料(比如硅棒)的加工区域进行研磨，而待切割工件通过工作台的升降实现垂直方向的进给，以此将工件同时切割成若干个所需尺寸形状的薄片(比如晶圆)。
[0004]影响线切割质量的因素众多，包括：切割线的张力，待切割工件的下降速度，磨料的成分、粘度及浓度等。在切割过程中，为了保证线切割质量，需要根据具体的操作情况调节线切割工艺参数，目前，在本领域，判断线切割工艺参数的优劣仅以工件的表面损伤深度的检测结果作为依据，而没有考虑切割线在切割过程中相对于被切割表面的动态位置变化，因此难以适当把控线切割工艺参数，导致线切割质量不稳定。
发明内容
[0005]有鉴于此，本发明实施例期望提供用于线切割硅棒的方法、设备及硅片；能够根据线切割线痕从高效切割面向低效切割面偏移的趋势优化线切割工艺参数，以使切割线痕保持在高效切割面，从而在保证线切割质量的同时提高线切割效率。
[0006]本发明实施例的技术方案是这样实现的：
[0007]第一方面，本发明实施例提供了一种用于线切割硅棒的方法，所述方法包括：
[0008]采用第一线切割工艺参数组线切割第一硅棒以获得多个样本硅片；
[0009]获得所述样本硅片上的线切割线痕的起伏角度；
[0010]基于所述起伏角度判断是否存在所述线切割线痕从高效切割面向低效切割面的偏移趋势；
[0011]基于判断结果，根据所述起伏角度的大小，调整所述第一线切割工艺参数组中的一个或更多个线切割工艺参数以形成第二线切割工艺参数组；
[0012]采用所述第二线切割工艺参数组线切割第二硅棒。
[0013]第二方面，本发明实施例提供了一种线切割设备，所述线切割设备用于执行根据第一方面的方法。
[0014]第三方面，本发明实施例提供了一种硅片，所述硅片通过使用根据第一方面的方法制成。
[0015]本发明实施例提供了一种线切割方法，该方法基于切割线痕的偏移情况来优化线切割工艺参数，该方法包括测量样本硅片上的线切割线痕的起伏角度，并基于获得的起伏角度调整线切割工艺参数，以应用于后续的线切割操作，由于形成在硅片上的线切割线痕的起伏角度实际上为实际切割面相对于标准切割面的偏移角度，也就是线切割线痕从高效切割面向低效线切割面偏移的角度，因此，该起伏角度可以表征线切割线痕从高效切割面向低效线切割面偏移的趋势，基于起伏角度来干涉线切割工艺参数可以使切割线痕保持在高效切割面上或其附近，而抑制其向低效切割面偏移，由此可以在保证线切割质量的同时，提高线切割操作的效率，进而提高产能。
附图说明
[0016]图1为一种常规的线切割设备的示意图。
[0017]图2为另一种常规的线切割设备的示意图。
[0018]图3为常规的线切割方法的流程图。
[0019]图4为经线切割的样本硅片的表面的显微图像。
[0020]图5为本发明实施例提供的用于线切割硅棒的方法的流程图。
[0021]图6为经线切割的样本硅片的表面的示意性立体图。
[0022]图7为硅片的晶面的示意图。
[0023]图8为使用本发明实施例提供的方法处理后的样本硅片的表面的示意性立体图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0025]参见图1，其示出了一种常规的线切割设备1的示意图，可以理解地，图1所示结构仅用于进行原理性说明，并不表示本领域技术人员不会根据具体的实施状态在图1所示的组成结构上增加或减少组件，本发明实施例对此不做具体限制。由图1所示，线切割设备1可以包括线切割单元11和承载单元12；线切割单元11可以在一些示例中如图1所示置于承载单元12的竖直方向下方，也可以在一些示例中如图2所示置于承载单元12的竖直方向上方。具体而言，线切割单元11可以包括多个线轴111以及切割线112，切割线112缠绕于线轴111上以形成由相互平行的切割线段构成的阵列；在图1中，线轴111的数量以2个为例进行说明，并且线轴111和切割线112朝向和远离承载单元12的往复运动方向如图1中的实线箭头所示，往复运动速度示例性地可以为10m/s至15m/s。承载单元12用于装载并固定待加工硅棒2，在图1和图2所示的示例中，承载单元12可以包括基台121以及中间件122，中间件122可以将待加工硅棒2固定至基台121，例如待加工硅棒可以通过其周向表面利用树脂粘接至基台的下表面(图1)或上表面(图2)从而固定至基台。
[0026]对于图1、2中所示的线切割设备1，可以通过移动线切割单元11或者承载单元12以使切割线112与待加工硅棒2之间沿竖直方向的相向运动，待切割线112与待加工硅棒2相互接触之后，利用切割线112沿其延伸方向的运动实现对待加工硅棒2的切割。在如图1所示的示例中，可以将线切割单元11沿黑色箭头所示方向移动，也可以将承载单元12沿虚线白色箭头方向移动，以实现切割线112与待加工硅棒2之间沿竖直方向的相向运动。在如图2所示的示例中，可以将承载单元12沿黑色箭头所示方向移动，也可以将线切割单元11沿虚线白色箭头方向移动，以实现切割线112与待加工硅棒2之间沿竖直方向的相向运动。需要说明的是，本发明实施例通过加装升降装置(图中未示出)以实现线切割单元11或者承载单元12的移动，可以理解地，本领域技术人员还可以根据实际需要及实施场景通过其他方式实现线切割单元11或者承载单元12的移动，本发明实施例对此不做赘述。
[0027]在常规方案中，线轴111上设置有用于导引切割线112的多个导引槽，切割线112依次缠绕在每个线轴111的每个导引槽内，使得切割线112形成为由多个切割线段组成的阵列，在该阵列中，各切割线段彼此平行以期将硅棒一次性切割成多个硅片。
[0028]经由线切割获得的硅片的表面并非完全平坦的，而是存在有切割线痕导致的表面损伤，目前，通常采用“角度抛光法”来检测表面损伤深度，然后根据检测结果调整线切割工艺参数，以保证线切割质量，其中，“角度抛光法”是指：通过将垂直的机械损伤层磨抛出一个光滑的斜面实现机械损伤层的放大，以匹配显微镜的测量精度；使用显微镜测量之后经几何换算为实际损伤深度。
[0029]具体而言，参见图3，常规的线切割方法包括：
[0030]S101、将对硅棒进行线切割获得的硅片样品粘接在以已知角度倾斜的台面上；
[0031]S102、利用抛光设备将硅片样品的一部分表面抛光成以已知角度倾斜的斜面，以使硅片样品的表面损伤层能够在该斜面上暴露出来；
[0032]S103、通过显微镜观察经抛光的表面部分与未抛光的表面部分之间的界面或分界线，分界线处损伤的长度测量出该已知角度的斜面上的损伤的长度，并通过该长度与该已知角度的正弦值计算获得损伤层的深度；
[0033]S104、根据获得的损伤深度判断线切割工艺参数的优劣。
[0034]然而，损伤深度却无法反映实际切割面的动态变化。硅的晶体结构是金刚石结构，在这种结构中，(111)晶面的密度、硬度和耐磨性最高，磨削率最低，但在两相邻晶面间最易解理劈开；(110)晶面磨削率最高(即最易破损、易磨削)；(001)晶面的密度最低，其硬度低强度高，即，对于切割效率：(110)晶面>(001)晶面>(111)晶面，因此在硅片制造行业，选择具有较好磨削性能的(110)晶面作为硅片表面，即作为标准切割面，也被认为是高效切割面，相比较之下，(001)晶面则被认为是低效切割面。但在实际操作中，经对切割线痕进行显微检测发现实际切割面会相对于标准切割面发生偏移，即，线切割线痕会从高效切割面向低效切割面偏移。参见图4，其示出了经线切割的样本硅片S的表面的显微图像，从图4可以看出，切割线痕呈周期性变化的形状，这也就意味着线切割线痕发生了从高效切割面向低效切割面的周期性偏移，因此切割的难易程度也在发生周期性变化。在这种情况下，为了保证切割质量和切割效率，需要通过调整线切割工艺参数来将实际切割面保持在高效切割面，抑制其向低效切割面偏移。
[0035]基于此，本发明实施例提出了线切割方法、设备及硅片；能够根据线切割线痕从高效切割面向低效切割面偏移的趋势优化线切割工艺参数，以使切割线痕保持在高效切割面，从而在保证线切割质量的同时提高线切割效率。
[0036]参见图5，其示出了本发明实施提供的一种用于线切割硅棒的方法，所述方法包括：
[0037]S201、采用第一线切割工艺参数组线切割第一硅棒以获得多个样本硅片；
[0038]S202、获得所述样本硅片上的线切割线痕的起伏角度；
[0039]S203、基于所述起伏角度判断是否存在所述线切割线痕从高效切割面向低效切割面的偏移趋势；
[0040]S204、基于判断结果，根据所述起伏角度的大小，调整所述第一线切割工艺参数组中的一个或更多个线切割工艺参数以形成第二线切割工艺参数组；
[0041]S205、采用所述第二线切割工艺参数组线切割第二硅棒。
[0042]本发明实施例提供了一种线切割方法，该方法基于切割线痕的偏移情况来优化线切割工艺参数，该方法包括测量样本硅片上的线切割线痕的起伏角度，并基于获得的起伏角度调整线切割工艺参数，以应用于后续的线切割操作，由于形成在硅片上的线切割线痕的起伏角度实际上为实际切割面相对于标准切割面的偏移角度，也就是线切割线痕从高效切割面向低效线切割面偏移的角度，因此，该起伏角度可以表征线切割线痕从高效切割面向低效线切割面偏移的趋势，基于起伏角度来干涉线切割工艺参数可以使切割线痕保持在高效切割面上或其附近，而抑制其向低效切割面偏移，由此可以在保证线切割质量的同时，提高线切割操作的效率，进而提高产能。
[0043]在图4中示出了切割线痕的起伏角度的一个示例，在该示例中，切割线痕的起伏角度为160°，这表示切割线痕从高效切割面向低效线切割面偏移了20°。为了更好地确定线切割线痕的起伏角度，根据本发明的优选实施例，参见图6，所述线切割线痕的所述起伏角度为相邻的阴线痕NL和阳线痕PL所在的平面与标准切割面SC之间的夹角γ。
[0044]如图6所示，其示出了经线切割的样本硅片S的表面的示意性立体图，其中，切割线痕呈周期性起伏的形状，切割线痕的最凸部分沿垂直于线切割方向X形成的连线可以被称为阳线PL，切割线痕的最凹部分沿垂直于线切割方向X形成的连线可以被称为阴线NL，阳线PL与阴线NL交替排列，相邻的阳线PL和阴线NL所在的面即为实际切割面AC。根据图6可以看出，实际切割面AC相对于标准切割面SC形成了一角度γ，而该角度γ也就是切割线痕的起伏角度。
[0045]在实际生产过程中，切割线痕难以始终处于高效切割面，而是会或多或少从高效切割面偏移。出于成本效益的考虑，允许切割线痕的起伏角度在一定范围内波动，只有当切割线痕的起伏角度超出该范围时才被判定为存在线切割线痕从高效切割面向低效切割面的偏移趋势，对此，优选地，当获得的所述起伏角度小于160°，则判定为存在所述切割线痕从所述高效切割面向所述低效切割面的偏移趋势。参见图7，其示出了硅片的(001)晶面、(111)晶面和(110)晶面。如图7所示，设定A、B、C、D四个点的坐标分别为：A(1,0,0)；B(0,1,0)；C(0,1,1)；D(0,0,1)，那么，向量AB＝(-1,1,0)、BC＝(0,0,1)在(110)晶面内，向量AB＝(-1,1,0)、BC＝(0,-1,1)在(111)晶面内。设n1＝(x1,y1,z1)为(110)晶面的法向量，则由n1垂直于AB，垂直于BC，可以计算得出n1＝(1,1，0)；设n2＝(x2，y2,z2)为(111)晶面的法向量，则由n2垂直于AB，垂直于BD，可以计算得出n2＝(1,1,1)，则(110)晶面与(111)晶面的夹角为arccos＝54.7°≈55°。另外，由于(110)晶面与(001)晶面的夹角为90°，因此(111)晶面与(001)晶面的夹角为90°-55°＝35°。
[0046]基于上述内容，可以理解的是当沿(110)晶面切割时，线痕起伏角度<180°-55°＝125°时，实际切割面将转变成磨削效率最低的(111)晶面。总体而言，线痕起伏角度从180°到125°再到90°对应了切割效率从高到底再到一般的过程。
[0047]另一方面，当线痕角度略微偏移时，晶面会转变为高指数晶面，此时可以认为磨削效率变化不大。因此，可以认为当线痕起伏角度在180°～153°之间时，为(110)晶面的磨削速率，而当线痕起伏角度在153°～125°之间时，为(111)晶面的磨削速率。因此，153°可以作为理论阈值。再结合实际生产经验，最终可以设定该阈值为160°。
[0048]通过图4和图6可以看出，当起伏角度越大，则表示所述切割线痕从所述高效切割面向所述低效切割面偏移的越少，因此当所述起伏角度大于阈值时，可以认定为是被允许的切割线的正常波动，而当该起伏角度小于阈值时，则需要优化线切割参数，以保证线切割质量和效率。
[0049]根据本发明实施例提供的方法，一旦判定存在线切割线痕从高效切割面向低效切割面偏移的趋势，可以调整线切割工艺参数来抑制该趋势，优选地，所述线切割工艺参数组至少包括：切割线的张力、所述硅棒相对于所述切割线的进给速度、切割液的浓度。
[0050]在实际切割过程中，切割线的张力、所述硅棒相对于所述切割线的进给速度、切割液的浓度这三个参数之间具有强耦合作用，导致线切割速率与工艺条件之间呈现复杂的规律。根据本发明实施例提供的方法，通过调整上述三个参数中的一个或更多个就可以相应地调整线切割线痕的起伏角度，以抑制线切割线痕从高效切割面向低效切割面的偏移趋势。例如，当线切割线痕的起伏角度在150°～160°的范围内时，可以将切割线的张力调整在2.6N～3.8N的范围内，将硅棒相对于切割线的进给速度调整在15mm/h～16mm/h的范围内，并将砂浆浓度调整在2.55kg/L～2.7kg/L的范围内。
[0051]为了能够准确地测量切割线痕的起伏角度，优选地，所述获得所述样本硅片上的线切割线痕的起伏角度包括：
[0052]将所述样本硅片的一部分表面抛光至设定角度的倾斜镜面；
[0053]利用显微镜在所述样本硅片的表面的未抛光部分与已抛光部分之间的分界处测量所述线切割线痕的所述起伏角度。
[0054]参见图8，样本硅片S的一部分表面被抛光至倾斜镜面PC，其中，该镜面PC相对于标准切割面SC成角度θ，由此可以使切割线痕在倾斜镜面PC与未抛光部分的分界BL处暴露出来，然后可以利用显微镜在分界BL处测量切割线痕的起伏角度。
[0055]为了提高测试效率，对样本硅片的表面的抛光可以分两个阶段完成，优选地，所述将所述样本硅片的一部分表面抛光至设定角度的倾斜镜面包括：使用第一抛光垫和第二抛光垫分别执行第一阶段的抛光和第二阶段的抛光，其中，所述第一抛光垫对所述硅片的抛光量大于所述第二抛光垫对所述硅片的抛光量，由此，可以通过第一阶段的粗抛将样本硅片表面的线痕去除，然后通过第二阶段的精抛使表面达到镜面。
[0056]优选地，所述第一阶段的抛光的持续时间小于第二阶段的抛光的持续时间。
[0057]进一步优选地，使用所述第一抛光垫抛光时，所述第一抛光垫的转速在20r/min至40r/min之间；使用所述第二抛光垫抛光时，所述第二抛光垫的转速在50r/min至70r/min之间。
[0058]本发明实施例还提供了一种线切割设备，所述线切割设备用于执行上文描述的方法。
[0059]本发明实施例还提供了一种硅片，所述硅片通过使用上文描述的方法制成。
[0060]需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
[0061]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
