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TWI585841B - 基板及其加工方法與裝置 - Google Patents

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TWI585841B
TWI585841B TW104104167A TW104104167A TWI585841B TW I585841 B TWI585841 B TW I585841B TW 104104167 A TW104104167 A TW 104104167A TW 104104167 A TW104104167 A TW 104104167A TW I585841 B TWI585841 B TW I585841B
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黃炳照
蘇威年
鄭正元
朱元翰
邱則明
鄧信甫
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國立台灣科技大學
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Description

基板及其加工方法與裝置
本發明係關於一種基板加工方法，尤指一種利用化學反應之基板加工方法。
長久以來，由晶棒切割得到晶圓的方式，均採用以鑽石線切割的方式進行。實際上，由於此種線切割方式屬於機械加工，雖然實務上生產線均以接近全自動化的設備生產，但是仍無可避免地產生相當大的晶圓材料損耗，同時也需要花費相當大的水電與耗材(例如鑽石切割液及金屬切割線等)，因此晶圓的切割製程已成為晶圓加工製程中追求降低成本的關鍵流程之一。
此外，對於在基板表面製造白光氮化鎵發光二極體(LED)的製程，因為藍寶石基板的加工不易，因此以矽基板取代藍寶石基板的相關技術開發，便逐漸受到重視，同時也是台灣利用既有的矽產業技術與產業鏈，藉由技術槓桿來切入LED產業發展的機會。為了改善氮化鎵LED材料與矽基板間的晶格常數差異、以及熱膨脹係數差異等材料特性，在矽基板表面進行加工、甚至圖案化已成為可能的解決方法，其中圖案化的達成是使用黃光製程及光罩，將所需要的圖案形成於基板表面。然而，利用黃光製程來製作圖案的成本相當高，致使LED產品的成本無法有效下降。
爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「基板及其加工方法與裝置」，以改善上述缺失。
本發明之一面向係提供一種基板加工方法，包括下列步驟： 提供一基板本體，該基板本體具有一表面；放置一治具於該表面上，其中該治具係作為一催化劑；將該基板本體及該治具置於一反應性液體中；以及經由該反應性液體及該催化劑對該表面進行一化學反應，以加工該基板本體。
本發明之另一面向係提供一種晶棒切割裝置，包含：一裝置 本體，於其內容設一晶棒，其中該晶棒具至少二相鄰切割周圍(periphery)，且該至少二相鄰切割周圍界定一晶圓；以及一催化切削元件，形成於該裝置本體上，並催化該至少二相鄰切割周圍而對該晶棒進行切割以獲得該晶圓。
本發明之又一面向係提供一種於非導體基板上形成一圖案 之方法，包括下列步驟：提供一基板本體，該基板本體具有一表面；以及經由一催化反應，於該表面上形成該圖案。
10‧‧‧晶棒
11‧‧‧切割線
12‧‧‧反應性液體
13、20、30、40‧‧‧晶圓
14‧‧‧接觸面
15‧‧‧重力方向
16‧‧‧至少二相鄰切割周圍
18、28、38、48‧‧‧加工裝置
21‧‧‧切割線
26‧‧‧線形凹槽
31‧‧‧中空治具
33‧‧‧對應電極
34‧‧‧電源供應器
35‧‧‧線路
36、46‧‧‧物體
41‧‧‧金字塔形治具
D2、D3‧‧‧預定深度
第1A~1C圖：本發明第一實施例之晶棒加工裝置及加工方法示意圖。
第1D圖：本發明第一實施例之晶棒立體示意圖。
第2圖：本發明第二實施例之晶圓加工裝置及加工方法示意圖。
第3A~3B圖：本發明第三實施例之晶圓加工裝置及加工方法示意圖。
第4圖：本發明第四實施例之晶圓加工裝置及加工方法示意圖。
第5A圖：本發明第五實施例治具照片。
第5B圖：本發明第五實施例之加工後晶圓表面所形成圖案照片。
第6A~6C圖：本發明第六實施例之反應性液體之循環伏安示意圖。
本發明之實施例的詳細描述係如下所述，然而，除了該等詳細描述之外，本發明還可以廣泛地以其他的實施例來施行。亦即，本發明的範圍並不受已提出之實施例所限制，而應以本發明提出之申請專利範圍為準。
本發明旨在利用一種化學反應，更可利用一種催化反應，來 切割晶棒(ingot)而得到晶圓(或稱為基板)、或是於基板表面上形成圖案等，其中該基板之材質可為矽或氮化鎵。本發明更可以同時藉由電化學反應來加速加工速率、改善基板表面的粗糙度、以及減少材料損耗。
首先，請參閱第1A~1C圖，其係本發明第一實施例之晶棒10之加工裝置18及加工方法的示意圖。該加工裝置18為一晶棒切割裝置，其中使用至少一條切割線11作為一治具。第1A圖所示之加工方法係使用兩條切割線11，將該切割線11置於該晶棒10之待切割處，其中該切割線11同時作為一催化劑。接著，將一反應性液體12加入該加工裝置18，其中該反應性液體12包括一蝕刻液，而該晶棒10及該反應性液體12在該切割線11的催化下，會於該晶棒10及該切割線11之間的一接觸面14發生化學反應，以蝕刻該晶棒10。隨著時間的流逝，該接觸面14會沿著重力方向15移動，最後將該晶棒10切開。假如該切割線11的數量為兩條以上，便可得到一片以上的晶圓13。為了確保該晶棒10被順利切割，對於該切割線11更可增加一重量負荷(圖中未顯示)，使該切割線11與該晶棒10能維持良好接觸。
當然，本發明之另一實施例可參考前述實施例，惟與前述實施例不同處在於係將該晶棒10置於該切割線上方，與該蝕刻液一同置於該加工裝置18內，必要時亦可對該晶棒10增加一重量負荷，使該晶棒10與該切割線11能維持良好接觸。
請參閱第1D圖，其係本發明第一實施例之晶棒10之示意圖。對於將該晶棒10切割成該晶圓13，亦可作如下描述。該晶棒10之待切割處視為至少二相鄰之切割周圍(periphery)16，該至少二相鄰切割周圍16界定切割後所形成之該晶圓13，並使用該切割線11作為一催化切削元件，用於催化該至少二相鄰切割周圍16而對該晶棒10進行切割，以獲得該晶圓13。
請再參閱第1A~1C圖，本發明之晶棒10之切割方法包含下列步驟：(1)清洗該晶棒10之表面；(2)將氫氟酸(作為蝕刻液)與過氧化氫(作為氧化劑)以適當比例進行混合，以形成該反應性液體12，必要時可以再加入添加劑、蝕刻促進劑(例如甘胺酸(Glycine)、賴胺酸(Lysine)、硫酸銅、 硝酸銅、氯化銅等)或其他氧化劑(例如臭氧)；(3)調整與維持該反應性液體12於弱酸環境；(4)以直徑為約0.5mm的該金屬線11(本發明採用銀金屬線，亦可選用鉑線、銅線、銥線、鈀線、金線、不銹鋼線或其組合；或該金屬線11之表面的材質為銀、鉑、銅、銥、鈀、金或其組合)作為催化劑；(5)在該反應性液體12中將該金屬線11與該晶棒10之表面接觸以進行蝕刻，同時量測該晶棒10上的蝕刻深度以計算蝕刻速率，並量測切割面之粗糙度，以取得較佳之切割條件及切割品質。
在前述例子中，如果該切割線11的材料係選自銀或是其他可以作為催化劑之金屬材料，該反應性液體12為過氧化氫及氫氟酸的混合物，而該晶棒12為矽晶棒，所發生的化學反應表示如下：
(一)銀的催化反應機構：
(二)氫氟酸的蝕刻反應機構：
(三)總反應式：
請參閱第2圖，其係本發明第二實施例之晶圓20之加工裝置28及加工方法示意圖。該加工裝置28為於該晶圓20表面上形成圖案之裝置，若是想要於晶圓20上加工以形成一線形凹槽26，可利用一切割線21以及該反應性液體12，並採用上述同樣的方式，待該晶圓20被蝕刻達到一預定深度D2時，將該晶圓20取出，即可於該晶圓20上形成該線形凹槽26。若是想要於該晶圓20上形成一格狀圖案，則使用對應於該格狀圖案之一網狀治具來取代該切割線21，即可於該晶圓20上形成該格狀圖案。
請參閱第3A圖，其係本發明第三實施例之晶圓30之加工裝置38及加工方法示意圖。該加工裝置38為於該晶圓30表面上形成圖案之裝置，若是想要於晶圓30上加工以形成一立體形狀圖案，例如一圓柱狀圖案(圖中未顯示)，可利用具有對應於該立體形狀圖案之一中空治具31以及該反應性液體12，採用上述同樣的方式，待該晶圓30被蝕刻達到一預定 深度D3時，將該晶圓30取出，即可於該晶圓30上形成該立體形狀圖案。 同樣地，使用於表面具有對應於一粗糙面圖案之另一治具來取代該中空治具31，即可於該晶圓30上形成該粗糙面圖案。
此外，如第3B圖所示，更可於該中空治具31旁設置一對應電極33，以該中空治具31作為陰極，而該對應電極33作為陽極，並設置一電源供應器34，其中該電源供應器34經由一線路35與該中空治具31及該對應電極33電連接，並施加一固定電壓或一固定電流，利用陰極防蝕(cathode protection)的原理，可達到減少該中空治具31之損耗以及保護該金屬線11之目的。再者，亦可以該中空治具31作為陽極，而該對應電極33作為陰極，並施加另一固定電壓或另一固定電流，以達到加速蝕刻之功效。 本發明之實施更可藉由一物體36經由該中空治具31對該晶圓30之表面施加一壓力，以確保蝕刻過程中該中空治具31與該晶圓30保持良好接觸，以確保蝕刻品質。
當然，本發明之另一實施例可參考前述實施例，惟與前述實施例不同處在於係將該晶圓30置於該中空治具31上方，與該反應性液體12一同置於該加工裝置38內，必要時亦可對該晶圓30增加一重量負荷，使該晶圓30與該中空治具31能維持良好接觸。
該反應性液體12之配製比例及結果說明如表1所示。由表1可知，本發明於選用適當的氧化劑與蝕刻條件下，矽晶棒可以被順利切割，而且當過氧化氫之濃度愈高，銀線的溶解速率(dissolution rate)愈低，故銀之損耗量也愈低。
本發明之方法係將晶棒切割成晶圓，由於並非採用機械加工的方法，晶棒的損耗量僅約10%，甚至遠低於此數值。若採用習知技術將 晶棒切割成晶圓，則依據所使用切割線之線寬與其上之鑽石或研磨顆粒的大小，有所不同，但晶棒的損耗量都超過50%以上，特別是當晶圓厚度越來越薄時，由於機械切割時產生切割應力，容易使晶圓破裂，因此造成更多切割不良的損失。因此，使用本發明所提出的方法可大幅提昇晶圓的產出率。
請參閱第4圖，其係本發明第四實施例之晶圓40之加工裝置48及加工方法示意圖。本實施例採用一金字塔形治具41，該金字塔形治具41於一反應性液體12中，藉由該治具41上方之一物體46對該晶圓40之表面施加一壓力，以進行蝕刻，使該晶圓40表面形成一倒金字塔形狀圖案。
請參閱第5A圖，其係本發明第五實施例之治具的照片，該照片係以掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)所拍攝。 該治具係由複數個如第四實施例所示之金字塔形治具排列成金字塔陣列，使用該治具，可以於矽晶圓的表面形成對應之倒金字塔陣列圖案，如第5B圖所示使用SEM所拍攝之照片。
根據本發明之第六實施例，亦可選用硫酸來作為蝕刻液，以取代前述之氫氟酸。在此實施例中，分別採用濃度為0.5M、1M及2M之硫酸，以該銀線為工作電極，而石墨棒為對應電極，經由電化學循環伏安法(Cyclic Voltammetry，CV)測試，得到循環發生還原及氧化反應時電流對電位(相對於對應電極)之曲線，如第6A~6C圖所示。根據氧化與還原曲線的峰高對稱性來判斷該化學反應的可逆性，有助於了解所採用之該反應性液體之電化學特性，從而可據以設計或改善該反應性液體之配方、以及加速或抑制加工之進行。
此外，由於本發明不需要使用黃光製程及光罩，故可大幅降低生產設備的投資成本。且根據本發明之方法，可以簡單地於基板上或晶圓上形成一維、二維或三維的圖案。
本發明以較佳之實施例說明如上，僅用於藉以幫助了解本發明之實施，非用以限定本發明之精神，而熟悉此領域技藝者於領悟本發明之精神後，在不脫離本發明之精神範圍內，當可作些許更動潤飾及等同之 變化替換，其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。
10‧‧‧晶棒
11‧‧‧切割線
12‧‧‧反應性液體
13‧‧‧晶圓
14‧‧‧接觸面
15‧‧‧重力方向
18‧‧‧加工裝置

Claims (10)

  1. 一種基板加工方法，包括下列步驟：提供一基板本體，該基板本體具有一表面；放置一治具於該表面上，其中該治具之表面材質為一第一金屬，該第一金屬係作為一催化劑，該治具之內部材質為與該第一金屬不同的一第二金屬；將該基板本體及該治具置於一反應性液體中；以及經由該反應性液體及該催化劑對該表面進行一化學反應，以加工該基板本體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括下列步驟：於該反應性液體中設置一對應電極(counter electrode)對置於該治具；以及提供一電源至該治具及該對應電極，以對該治具及該對應電極施加一固定電壓或一固定電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包含下列步驟其中之一：當該治具為一陽極時，對該治具施加該固定電壓或該固定電流以加速該化學反應；以及當該治具為一陰極時，對該治具施加該固定電壓或該固定電流以對於該治具進行防蝕。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：該反應性液體包括一蝕刻液，該蝕刻液為氫氟酸、硫酸、塩酸、硝酸或其任意組合；以及該反應性液體更包括一氧化劑及一蝕刻促進劑，其中該氧化劑為過氧化 氫或臭氧，該蝕刻促進劑係選自甘胺酸(Glycine)、賴胺酸(Lysine)、硫酸銅、硝酸銅、氯化銅或其組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：該治具為線狀、面狀或立體狀；該第一金屬為銀、鉑、銅、銥、鈀、金、不銹鋼或其組合；該基板本體之材質為矽、或氮化鎵；以及該方法更包含對該治具、該晶棒或其組合施加一壓力，以使該治具保持接觸該基板本體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中加工該基板本體係包含下列步驟其中之一：於該基板本體之表面形成一圖案；以及對該基板本體進行切割。
  7. 一種晶棒切割裝置，包含：一裝置本體，於其內容設一晶棒，其中該晶棒具至少二相鄰切割周圍(periphery)，且該至少二相鄰切割周圍界定一晶圓；以及一催化切削元件，具有一表面以及一內部，該表面之材質為一第一金屬，該第一金屬形成於該裝置本體上，並催化該至少二相鄰切割周圍而對該晶棒進行切割以獲得該晶圓，該內部的材質為與該第一金屬不同的一第二金屬。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中：該催化切削元件包括一金屬線，該金屬線為一催化劑，該催化劑係選自銀、鉑、銅、銥、鈀、金、不銹鋼或其組合；以及 該裝置更包括：一壓力源，對該治具、該晶棒或其組合施加一壓力；以及一蝕刻液，藉由該金屬線之催化來切割該晶棒。
  9. 一種於非導體基板上形成一圖案之方法，包括下列步驟：提供一基板本體及一治具，該基板本體具有一第一表面，該治具具有一第二表面與一內部，其中該第二表面的材質為一第一金屬，該內部的材質為一第二金屬，且該第一金屬不同於該第二金屬；以及經由一催化反應，於該表面上形成該圖案。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中：該催化反應係利用該治具接觸該第一表面，以形成一接觸面，該治具為一金屬治具；以及經由該基板本體為一反應物、該液體為一蝕刻液以及該金屬治具為一催化劑，使得該接觸面承受該重力而持續向下移動時進行該催化反應，使該第一表面形成具有與該接觸面之投影面相同形狀之該圖案。
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