TWI443004B - 用於在線割鋸過程中冷卻由半導體材料製成的工件的方法 - Google Patents

Description

用於在線割鋸過程中冷卻由半導體材料製成的工件的方法

本發明係關於一種用於在線割鋸過程中冷卻一由半導體材料製成的柱形工件(cylindrical workpiece)的方法，該半導體材料例如矽、鍺或砷化鎵，在該割鋸過程中，一液體冷卻劑係藉由噴嘴而施用至半導體材料工件上。

對於電子、微電子及微機電應用，對作為起始材料(基材)之半導體晶圓之全域及局部平面度、以一側為基準之局部平面度(奈米形貌)、粗糙度、及清潔度的要求極高。半導體晶圓是半導體材料的晶圓，尤其是諸如砷化鎵的化合物半導體，以及諸如矽及有時為鍺占主要的元素半導體。根據先前技術，半導體晶圓係在多個連續的加工步驟中生產：在第一步驟中，例如以柴可斯基(Czochralski)方法拉伸一半導體材料的單晶(棒)，或澆鑄一半導體材料的多晶塊，在另一步驟中，藉由線割鋸將所得的圓柱形或塊狀的半導體材料工件(錠)切割成單個的半導體晶圓。

使用線鋸以自由半導體材料製成的工件切割多個晶圓。US 5,771,876描述了線鋸的功能原理，該線鋸適用於半導體晶圓的生產。這等線鋸的主要部件包括機架(machine frame)、順向進料裝置、及割鋸工具，該割鋸工具係由平行線區的網(線網)所組成。

一般而言，線網係由多個平行線區所形成，該等線區在至少二個線導向輥之間拉緊，該線導向輥經安裝為可旋轉，且其中至少一個為驅動輥。

線區可以屬於有限長度的單線，該線經螺旋式引導圍繞輥系統，自一存線輥展開至一接收輥上。另一方面，專利說明書US 4,655,191揭露了一種線鋸，其中提供多個有限長的線，並將線網的每一線區分配給該等線的其中一者。EP 522 542 A1也揭露了一種線鋸，其中多個無接頭的線環(wire loop)係圍繞輥系統運行。

割鋸線可經一切割層覆蓋。當使用具有一不含牢固結合之研磨物之鋸線的線鋸時，在割鋸過程中供應懸浮體(切割懸浮體、割鋸漿料、漿料)形式的研磨物。在切割過程中，工件穿透線網，其中鋸線係相互平行鋪設、以線區的形式配置。藉由一順向進料裝置而使工件穿透線網，該順向進料裝置使工件相對線網移動、線網相對工件移動、或工件與線網相互相對移動。

當自一由半導體材料製成的工件切割半導體晶圓時，傳統上係將工件與一割鋸墊板(sawing strip)連接，鋸線在加工最後切割至該墊板中。該割鋸墊板例如可為一石墨墊板，其係黏合或膠合在工件的側面上。該具有割鋸墊板的工件接著膠合於一支承體上。切割後，所得的半導體晶圓像梳子的梳齒一樣保持固定在割鋸墊板上，因此可自線鋸中移出。隨後，留下的割鋸墊板與半導體晶圓分離。

自由半導體材料製成的工件(例如自圓柱形的單晶棒或長方體多晶塊)生產半導體晶圓對線割鋸產生了很大的需求。割鋸加工的目標通常是使每個經割鋸的半導體晶圓有盡可能平的側面，且彼此相互平行。所謂的晶圓翹曲度(warp)是一種已知的對晶圓實際形狀與所欲的理想形狀間之偏差的測量。翹曲度的量通常應至多為數微米(μm)。這是由鋸線區相對於工件的相對運動所導致的，其在割鋸過程中發生在相對於工件的軸向。引起該相對運動的原因例如可包括發生在割鋸過程中的切割力、線導向輥由於熱膨脹所產生的軸向位移、工件的軸承間隙(bearing play)或熱膨脹。

以研磨物切割工件時會釋放出大量的熱，這會在割鋸過程中導致工件加熱，進而導致熱膨脹。這不但導致翹曲增加，且導致割鋸出的晶圓有明顯的波紋。在切割進工件後的最初幾毫米的切割，會發生特別劇烈的溫度升高。隨著囓合長度增加，工件的溫度進一步增加。在最大嚙合長度區域，工件溫度也達到最高，隨後輕微降低，切割熱的下降也可歸因於所得晶圓的冷卻散熱片效應(cooling fin effect)。線割鋸過程中工件溫度變化在+/-5℃時對翹曲及波紋的影響微不足道，但沒有額外的費用支出(outlay)時通常無法實現。

為了生產半導體晶圓，工件在線割鋸過程中受熱，因此必須在割鋸過程中對其進行連續冷卻，以免產生熱誘發的工件膨脹，從而避免切割剖面的干擾彎曲。在線割鋸過程中用於冷卻工件的各種方法已為人們所知。在EP 2 070 653 A1中，對工件的冷卻速率進行監控，並在鋸線割鋸深度達到工件直徑的2/3或更高時添加額外的冷卻劑(冷卻漿料、漿料)。EP 1097782 B1及DE 10122628 A1描述了一將熱調節冷卻劑施用至工件上的方法。

上述方法的缺點是冷卻劑流進切割區域，在切割區域與切割懸浮體混合。因此，合適的冷卻劑的選擇受到極大限制，它必須與切割懸浮體有類似的組成。即使冷卻劑和切割懸浮體使用完全相同的介質，仍存在冷卻劑不利影響切割行為的問題。

不利影響是由於事實上為了使晶體得到最佳冷卻，冷卻劑的溫度必須處於與切割懸浮體的溫度不同的程度。然而，切割懸浮體的溫度對其黏度很關鍵，其決定了研磨物的傳輸特性，因此反過來影響切割品質。所以，切割懸浮體的溫度通常要準確調節，並且視需要在割鋸過程中以可控的方法進行變化。尤其是使用乙二醇作為切割懸浮體中的載體介質時，黏度對溫度有很大的依賴性。

此外，冷卻劑流至切割網上也會影響切割懸浮體的溫度。這會導致線網溫度不合要求的變化，導致切割品質降低。

US 2010/163010 A1描述了一種方法，以試圖避免該問題。在此情況中，冷卻劑交替開與關，以使冷卻劑只施用至割鋸線離開工件一側的工件側面上。其目的是為了防止冷卻劑與進入割鋸切口的割鋸懸浮體直接混合。然而，冷卻劑仍會到達線網上--雖然程度有所降低--仍會改變切割的熱與機械條件。在此方法中，冷卻劑及切割懸浮體必須使用完全相同的介質，否則切割懸浮體會不受控制地變化。

JP 2005 329506 A2揭露了一種方法，其中一冷卻氣體係作為冷卻劑而吹到鋸線上。以這樣的方式，切割懸浮體的黏度同樣會受損，所以切割品質也會下降。此外，氣體僅非常有限地適用於冷卻，因為其熱容相對較低，通常不能確保割鋸過程中產生的熱量能夠充分消散。

本發明的一個目的是開發一種方法，該方法能確保由半導體材料製成的工件在線割鋸過程中得到最佳冷卻，同時又不影響切割懸浮體(割鋸漿料、漿料)的性能。

該目的可藉由一種用於在線割鋸過程中冷卻一由半導體材料製成的柱形工件而實現，在割鋸過程中，由平行配置的線區組成的線網藉由線區與工件之相反導向的相對運動而穿透至該工件中，且該工件的溫度在線割鋸過程中係藉由一液體冷卻劑而控制，其中該工件上係承載有刮刷器(wiper)，該液體冷卻劑係施用至高於承載於該工件表面上的刮刷器的工件上，且該液體冷卻劑係以承載於該工件上的刮刷器自工件表面上去除。根據本發明的方法亦可以此方法冷卻晶體，而使得到的半導體晶圓的翹曲度及奈米形貌產品特性得到改善。此外，根據本發明的方法，可使用一不取決於所選切割懸浮體的冷卻劑。

柱形工件是一表面係由二個平行的平面(端面)與一個由平行直線所形成之側面所組成的幾何體。在圓形柱狀體的情況下，端面為圓形，而側面為凸面。在立方柱狀體工件的情況，側面為平面。

第1圖所示為根據先前技術割鋸一由半導體材料製成的圓柱形工件的結構。第1圖中描繪之物件的元件符號與第2圖中所描繪之物件的元件符號相同，其將在第2圖的說明內容中討論。

第2圖所示為根據本發明方法之較佳基本結構，參考一由半導體材料製成之圓形柱狀體工件之實施例。

以下借助第2圖以說明一根據本發明方法的具體實施態樣：在根據本發明方法中係使用習知的線鋸。該等線鋸的主要部件包括機架、順向進料裝置、及割鋸工具，該割鋸工具係由一平行線區的網組成。工件通常係固定在一固定板上，並在線鋸中與其夾緊。

一般而言，線鋸的線網係由多個平行的線區6所形成，線區係在至少二個(以及視需要的三個、四個、或更多個)線導向輥7之間拉緊，線導向輥經安裝成可旋轉，並且至少一個線導向輥是受驅動的。線區通常屬於有限長度的單線，該線經螺旋式引導圍繞輥系統，並自一存線輥展開至一接收輥上。

切割懸浮體係藉由噴嘴5而施用至線區。待割鋸的工件3(具有側面10及二個端面3a)係藉由割鋸墊板1而固定在一固定裝置(未顯示)上，從而使端面3a與線區6平行排列。在割鋸過程中，該順向進料裝置引起線區與工件之相反導向的相對運動。該順向進料運動使得線(一割鋸懸浮體係施用至該線上)切割通過該工件而形成平行的割鋸切口。

有二種線鋸均適用於根據本發明的方法，其中一種線鋸其線網中的鋸線係含有牢固結合的研磨物，例如金剛石研磨物或碳化矽，另一種線鋸的鋸線不具有研磨物層，其切割能力係由含研磨物的切割懸浮體提供，所述切割懸浮體係在割鋸過程中或之前施用至鋸線上。

所有根據先前技術的懸浮體均適合作為切割懸浮體。較佳係使用包括乙二醇、油或水作為載體材料以及以碳化矽作為研磨物的切割懸浮體。

所有具有足以耗散割鋸過程中產生之熱之熱容的液體介質均適合作為冷卻劑。合適的冷卻劑例如可以為水、乙二醇，或根據先前技術的切割懸浮體。

較佳係使用割鋸過程中採用的切割懸浮體作為冷卻劑。

較佳亦係使用具有高熱容的介質(例如水)作為冷卻劑。

尤佳為使用於切割懸浮體的載體介質(例如乙二醇、油或水)作為冷卻劑。

線網的線區6較佳係在割鋸過程中穿透至低於刮刷器8的作用點的工件3中。在割鋸過程中，冷卻劑4係藉由噴嘴2施用至高於根據本發明方法中所用之刮刷器系統的工件3的側面10上，刮刷器8較佳係亦承載於工件3的二側上。在割鋸過程中，刮刷器系統係藉由固定裝置引導，直到在待切割工件3中到達所界定的線網水平切割位置，該刮刷器系統較佳係由二個刮刷器8以及較佳係承載於每個刮刷器8上之相應的收集槽9所組成，所述固定裝置係由固定器11組成，從而使二個刮刷器8承載在側面10上的左右二側(相對於工件的軸)。流過側面10的冷卻劑4係藉由承載在側面10上的刮刷器8而清除至各別的收集槽9中。這確保冷卻劑4在割鋸過程中排出，而不會與切割懸浮體12及位於刮刷器以下的線網的線區6接觸。

在較佳的實施態樣中，工件的冷卻係在切割之前或切割開始時開始，意即在線網的鋸線6接觸工件3的表面時開始。

在割鋸過程中，冷卻劑4較佳係施用至高於承載在工件3的側面10上的刮刷器系統之柱形工件3的側面10上。

在一類似的本發明的較佳構造中，在割鋸過程中，冷卻劑4係施用至高於承載在端面上的刮刷器之工件的端面3a上。

在本發明的另一個可能構造中，在工件3的下方使用割鋸墊板1，線網在割鋸過程中由上穿透進入工件。在該具體實施態樣中，刮刷器系統係自工件表面(側面或端面)去除切割懸浮體，從而避免切割懸浮體與自下方引導到表面上的冷卻劑4混合，該刮刷器系統在該具體實施態樣中係位於該線網的下方。

用於刮刷器系統的固定裝置較佳可由移動的固定器11組成，例如，固定器11可相對於線網傾斜及/或水平移動。

在本發明的一個較佳具體實施態樣中，用於刮刷器系統的固定裝置係由二個可移動的(較佳係可傾斜)固定器11組成，該固定器較佳係藉由彈簧13連接。在導向工件的二個固定器的每一個端點上，具有刮刷器8及承載於刮刷器8上的收集槽9。固定裝置係穩固地連接到線鋸裝置，從而使側面10或端面3a上的刮刷器8的作用點與線網之間的垂直距離保持不變，直到在待割鋸工件中達到界定的、可自由選擇的水平切割位置或線網的穿透深度。例如，當線網的線區6切入割鋸墊板1時，可以達到經界定的點。

當線網切入割鋸墊板1中時，因為切割長度短，切割產生的熱已經相對較少，所以不再需要冷卻。此外，直到此時才藉由割鋸方法而產生的晶圓的面發揮了冷卻散熱片的作用。

直到達到經界定的點，刮刷器8在割鋸過程中係承載於側面10或端面3a上。當達到此經界定的點時，結束向側面10或端面3a上施用冷卻劑4，並以固定器11自側面10或端面3a移除該刮刷器系統。

較佳係以機械方式，使用一與線網之順向進料移動聯動的合適的止動裝置自工件3的側面10或端面3a移除二側的刮刷器8。該止動裝置較佳係觸發刮刷器自工件3的側面10或者端面3a折疊開。同樣較佳地，可在相對於線網之平面水平延伸的軌道上執行自工件3的側面10或端面3a移除二側的刮刷器。

尤佳為借助一伺服電動機，使用感測器控制執行自工件3的側面10或端面3a移除二側的刮刷器8。

刮刷器系統的固定器11較佳係經設計為(為清晰的原因未在第2圖中繪出)能確保，即使在具有凸側面10的圓柱形工件3的情況下，在根據先前技術的割鋸過程中，刮刷器8亦連續地承載在側面10的雙側，直到達到經界定的點，這可確保冷卻劑4流進收集槽9，直到移除刮刷器。

在割鋸過程開始時，在具有凸側面10的圓柱形工件3的情況下，刮刷器8的二個作用點的間隔係較工件3的直徑小，在割鋸過程中該間隔增加直至工件3的直徑，然後再次(相對於工件3的直徑)減少。達到經界定的點時，刮刷器8與收集槽9一起自側面10移除。自割鋸過程開始直到達到經界定的點，較佳係藉由彈簧13的張力及固定器11的設計來確保刮刷器8係連續承載於凸側面10上。

在塊狀工件的情況下，其側面係由垂直於端面的平行直線形成，類似地固定器11及彈簧13一起確保在割鋸過程中、在達到經界定的點前，刮刷器8及收集槽9係一起承載於冷卻劑4所施用的側面10上。

在同樣為較佳的本發明的具體實施態樣中，移動的(較佳為可傾斜的)固定器11連接到線鋸裝置，以使固定器可以線網之線區6的切割方向平行移動，例如在軌道上，從而例如在割鋸過程中可補償在側面10上之刮刷器之作用點的不同間距。

較佳地，藉由彈簧13的力確保刮刷器8係承載在工件3的側面10或端面3a上。

在另一個較佳具體實施態樣中，藉由感測器控制刮刷器系統的承載。以機械方式藉由電動機執行割鋸過程中固定裝置的固定器11的移動，該移動係取決於待割鋸工件的外形，從而使刮刷器8在割鋸過程中以恆定的壓力承載於側面10或端面3a上，直到達到經界定的點。

相應的收集槽9較佳係承載於每個刮刷器8上，如第2圖中所描繪。同樣較佳地，收集槽9位係於刮刷器下方但未承載於刮刷器8上。在此具體實施態樣中，藉由刮刷器流開的介質較佳係經由一通道或斜坡引導進入收集槽9。

收集槽9較佳係經設計為能使收集在收集槽9中的液體介質不會不受控制地湧出。此較佳係藉由集成在收集槽9中的出口裝置(第2圖中未繪出)實現。

較佳係將藉由刮刷器8流開的冷卻劑4收集在收集槽9中。如有必要可以分離冷卻劑4，並透過調節冷卻迴路(未顯示)輸送。在此情況下，冷卻劑4可恢復到所要求的溫度，並可再次藉由噴嘴2將冷卻劑4施用至工件3的側面10上。可供選擇地，冷卻劑4亦可自收集槽9排出至一貯藏容器中。

對於割鋸過程(切割)，切割懸浮體12係藉由噴嘴5而施用至線網的線區6上。根據先前技術，線網係經由相對於工件3的軸成垂直(直立)的輥7引導。

特別較佳係使用含乙二醇作為載體材料以及以碳化矽作為研磨物的切割懸浮體。

刮刷器8的長度較佳係等於或大於待割鋸工件的側面10的長度。刮刷器系統較佳係經放置成使刮刷器8係承載在待割鋸工件的整個軸向長度上。

當刮刷器8承載在工件的端面3a上時，其長度較佳係等於或大於待割鋸工件之端面的水平寬度。刮刷器系統較佳係經放置成能使刮刷器8係承載在待割鋸工件之端面的整個水平寬度上。

刮刷器8較佳係由軟質材料製成，例如軟的塑膠或橡膠，該等材料不會對側面10或端面3a造成任何破壞，且能確保良好的密封。

較佳係使用邵氏A硬度為60至80的塑膠或橡膠。

在同樣為較佳的具體實施態樣中，刮刷器8係以恆定的壓力承載在工件3上，較佳係使用邵氏A硬度低於60的塑膠或橡膠。

割鋸後，就奈米形貌而言，根據本發明方法割鋸的半導體晶圓具有明顯較根據先前技術割鋸的半導體晶圓更平的表面。

第3圖所示為直徑為300毫米的半導體晶圓的奈米形貌參數「波紋度」(W)及「局部翹曲度」(L)的實施例，該半導體晶圓係自一由半導體材料製成的晶體根據先前技術進行線割鋸而生產。

第4圖所示為直徑為300毫米的半導體晶圓的奈米形貌參數「波紋度」(W)及「局部翹曲度」(L)的實施例，該半導體晶圓係自一由半導體材料製成的晶體根據本發明方法進行線割鋸而生產。

為了有利於說明，第3圖及第4圖中的「波紋度」(W)及「局部翹曲度」(L)的變化係以正規化(normalized)方式表示(沒有單位)，二圖形使用相同的正規化方法。

第3圖及第4圖顯示了「局部翹曲度」(L)及「波紋度」(W)，「局部翹曲度」是指對在鋸的順向進料方向的晶圓之彎曲度(curvature)的測量，而「波紋度」是得自「局部翹曲度」(L)，其係藉由將一窗長10毫米的滑動視窗放置在局部翹曲度曲線上，並繪出該視窗內相應的最大偏差而得到。

第3圖中顯示的「局部翹曲度」(L)是割鋸過程中晶體3的溫度受到控制時的晶圓特徵：藉由供應冷卻劑4至晶體的側面10上，向其施用具有適於它的溫度曲線的冷卻劑4，以使晶體3在割鋸過程中基本上處於恆溫。在此情況下，冷卻劑4不受阻礙地流過晶體3而到達線網的線區6上，其在此與切割懸浮體12混合，並影響線網的線區6的機械及熱學性能。

第3圖中的幾何形狀測量顯示，這對所割鋸的由半導體材料製成的晶圓造成了明顯不利的影響。該干擾效應在晶圓的中間尤其最大(大約自位置+35毫米開始，「局部翹曲度」(L)大幅降低)，因為晶體側面10與線網之間的角度在此低於90度，因此發生切割懸浮體12滯流的干擾效應，且因冷卻劑4而進一步加劇。

作為對比，第4圖所示為在相同條件下但使用根據本發明的方法割鋸的由半導體材料製成的晶圓。由於自側面去除冷卻劑4，未對線網的切割行為發生不利影響，且能確保實質上為直的切割輪廓。借助於本發明的方法，可實現「局部翹曲度」(L)減少65%以上。

根據本發明的方法適用於所有待線割鋸的工件，無論其直徑大小。

根據本發明的方法較佳係用於直徑大於200毫米的晶體。

根據本發明的方法尤佳係用於直徑大於或等於300毫米的晶體。

1．．．割鋸墊板

2,5．．．噴嘴

3．．．工件

3a．．．端面

4．．．冷卻劑

6．．．線區

7．．．輥

8．．．刮刷器

9．．．收集槽

10．．．側面

11．．．固定器

12．．．切割懸浮體

13．．．彈簧

L．．．局部翹曲度

W．．．波紋度

第1圖所示為根據先前技術割鋸一由半導體材料製成的圓柱形工件的結構；

第2圖所示為根據本發明方法的較佳基本結構，參考一由半導體材料製成之圓柱形工件之實施例；

第3圖所示為根據先前技術而生產之直徑為300毫米的半導體晶圓的奈米形貌參數「波紋度」(W)及「局部翹曲度」(L)的實施例；以及

第4圖所示為根據本發明方法而生產之直徑為300毫米的半導體晶圓的奈米形貌參數「波紋度」(W)及「局部翹曲度」(L)的實施例。

1．．．割鋸墊板

2,5．．．噴嘴

3．．．工件

3a．．．端面

4．．．冷卻劑

6．．．線區

7．．．輥

8．．．刮刷器

9．．．收集槽

10．．．側面

11．．．固定器

12．．．切割懸浮體

13．．．彈簧

Claims (8)

1. 一種用於冷卻由半導體材料製成的柱形工件(cylindrical workpiece)的方法，該工件具有由二個端面與一個側面組成的表面，在線割鋸過程中，由平行配置的線區組成的線網藉由該線區與工件之相反導向的相對運動而穿透至該工件中，且在線割鋸過程中藉由一液體冷卻劑控制該工件的溫度，其中該工件表面上係承載有刮刷器(wipers)，該液體冷卻劑係施用至高於該承載於工件表面上的刮刷器的工件上，且該液體冷卻劑係以承載於該工件上的刮刷器自工件表面去除，且其中該線網的線區係穿透至低於承載於該工件上的刮刷器的工件中。
2. 如請求項1的方法，其中該液體冷卻劑係施用至高於承載在該工件側面上的刮刷器的側面上。
3. 如請求項1的方法，其中該液體冷卻劑係施用至高於承載在該工件端面上的刮刷器的端面上。
4. 如請求項1至3中任一項的方法，其中在該線網之線區穿透至該工件中的過程中，該刮刷器係承載於該側面或端面上，直到該線網進入該工件達到一可自由選擇的穿透深度，當達到該穿透深度時，結束施用該冷卻劑，並自該工件表面移除該刮刷器。
5. 如請求項1至3中任一項的方法，其中係將一切割懸浮體施用至該線網的線區上，該切割懸浮體含有鬆散的研磨物(loose abrasives)。
6. 如請求項5的方法，其中該切割懸浮體係含有乙二醇作為一載體材料。
7. 如請求項6的方法，其中該液體冷卻劑係由用於該切割懸浮體的 載體材料所組成。
8. 如請求項1至3中任一項的方法，其中該線區係含有牢固結合的研磨物。