由工件同時切割出許多特別是均勻厚度的切片的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種借助于線輔助切斷精磨(cut-off lapping)來由工件切割出許多切片、特別是由晶體切割出半導體切片的方法。
【背景技術】
[0002]許多應用需要特定材料的薄的扁平切片，例如作為用于生產磁盤的基板的玻璃切片、作為用于制造光電部件的基板的藍寶石或碳化硅切片、或者用于生產光電電池(“太陽能電池”)或作為用于構造微電子或微機電元件的基板的半導體切片。
[0003]例如，半導體切片是諸如元素半導體(硅、鍺)、化合物半導體(例如，鋁或鎵)或其混合物(例如，Si1 xGex、0 < X < I ;AlGaAs、AlGaInP等)的半導體材料的切片。
[0004]起始材料通常是單晶(電子技術應用)或者多晶(太陽能電池)半導體材料桿的形式，并且通過諸如切斷精磨的切肩移除工藝從該桿切出所需的該材料的切片。從工件上移除的顆粒被稱為切肩。
[0005]特別是，為了切下半導體切片，切斷精磨和切斷研磨是特別重要的。在切斷精磨的情況中，用于移除材料的工具處于作為粘性載液中的懸浮液的堅硬物質(例如，碳化硅)的銳緣顆粒的形式，并且工具載體處于載液和堅硬物質粘附其上的線的形式，促使這些顆粒與工件接觸。載液例如包括水、多元醇、礦物油、乙二醇或其混合物。堅硬物質的懸浮液被稱為料漿。由于線沿線的縱向方向移動的結果，沿線的橫向方向施加作用力并且供給料漿，堅硬物質進入線的表面與工件的表面之間，借助于滑動或滾動運動使堅硬物質在壓力下相對于工件移動，并且借助于材料過載或者疲勞、通過脆性磨耗從工件上除去切肩。
[0006]切斷精磨的特點是，料漿包含作用來移除材料的堅硬物質，并且工具載體不包含作用來移除材料的任何堅硬物質，并且材料的移除是以三個本體(第一，工件；第二，堅硬物質；第三，工具載體)的相互作用為基礎的。
[0007]在切斷研磨的情況，移除材料的工具處于被固定地粘結到工具載體的表面上的堅硬物質的銳緣顆粒的形式。工具載體例如是線。
[0008]切斷研磨的特點是，工具載體包含作用來移除材料的固定地粘結的堅硬物質，并且冷卻潤滑劑未包含任何作用來移除材料的堅硬物質，并且材料的移除是以兩個本體(第一，工件；第二，固定地粘結到工具載體上的堅硬物質)的相互作用為基礎的。
[0009]借助于線的切斷精磨和切斷研磨的工藝按組合術語稱為線鋸切。
[0010]在切斷精磨和切斷研磨的情況中，所使用的堅硬物質例如包括，碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化娃、氧化錯、二氧化娃、氧化鋁、氧化絡、氮化鈦、碳化媽、碳化鈦、碳化銀、金剛石、藍寶石及其混合物。碳化硅就切斷精磨來說是特別重要的，并且金剛石就切斷研磨來說是特別重要的。
[0011]作為工具載體的線可能是單線或者可能是由多個絞線或者纖維、還以及不同材料組成的絞合線，并且可能攜帶有金屬、合金或者塑料的附加涂層。
[0012]在切斷精磨和切斷研磨的情況中，該線例如是由硬化鋼(“鋼琴線(pianowire) ”)、塑料、碳纖維或者金屬合金組成的。
[0013]切斷精磨和切斷研磨兩者都可以利用一個或多個線來執行。后者的實例就是所謂的排鋸，其中許多單獨的線被固定在框架(套)上，該框架(套)則沿線的縱向方向前后移動，以便線穿過工件工作。
[0014]在從半導體材料桿上切下切片中，僅具有一個線的線鋸具有特別的重要性。
[0015]用于電子技術應用的半導體材料桿在切割操作之前通常被加工過，以使其處于具有桿軸線、圓柱形周向表面和兩個圓柱形端面(底面和頂面)的直的圓柱體形狀。通常，還在桿的周向表面上研磨出平行于圓柱軸線的識別凹槽(凹口)，其例如標記特定的晶體定向。由切割操作所獲得的半導體切片也被稱為“晶片”，并且它們自身進而處于直的圓柱體形狀，圓柱體的高度為十分之幾毫米直至例如一毫米，并且圓柱體的基底具有75到450mm的直徑。直徑達到150mm的桿或者晶片被歸為小型的，達到200mm的那些被歸為中型的，達到300mm的那些被歸為大型的，并且達到450mm的那些被歸為非常大型的。
[0016]借助于切斷精磨或者切斷研磨，沿著許多鋸口作用來分割出切片，該鋸口是盡可能平坦的并且相互盡可能平行，并且其基本上垂直于桿軸線，即，相對于垂直于桿軸線具有最多2°的偏斜。
[0017]切斷精磨和切斷研磨同樣適用于分割小型的和中型的半導體桿。對于分割大型的和非常大型的半導體桿，切斷精磨是特別重要的，因為甚至在線的較長長度與桿接觸的情況中，生產出其前、后面具有高度平坦度和相對于彼此的平行度的晶片。另外，然后形成切下切片的前后面的切割面僅具有由切割操作引起的較小深度的晶體損傷。
[0018]由于損傷淺，所以通過切斷精磨所獲得的晶片較不易受破損影響，并且在后續加工期間，則僅必須移除少量材料以便最終獲得具有所需的前后面的高度平面平行度和沒有缺陷的晶片。因此，切斷精磨能夠按特別成本有效的方式生產出特別高質量的晶片。
[0019]在切割操作中的任一時刻沿著其延伸通過工件的線部分的長度和從而作用來移除材料的線部分的長度被稱為線部分的接合長度。
[0020]在下文中利用參照圖1更詳細地描述了“多線切斷精磨”([料漿]多線切分，麗S，S-MffS)ο
[0021]在切斷精磨中，線I被繞至少兩個圓柱形線導輥3和4成螺旋形地纏繞，以便在該布置的至少一側上，許多線部分11達到相互平行地位于相對于圓柱軸線垂直的一個平面
(25)中，并且當線導輥7和8被沿相同方向圍繞其相應的軸線轉動時，線部分11以均勻速度并且相互平行地沿線的縱向方向移動，所述線導輥3和4具有相互平行的圓柱軸5和6。術語“線柵(wire grid)”或者“鋸切柵”被用來指線部分中相互平行延伸的該至少一側。在該情況中，線柵的位置被選擇成其朝向待切割的桿。
[0022]在該情況中，線導輥通常各設有許多閉合式凹槽2，該凹槽2相互平行并且相對于圓柱軸線垂直，并且其就相鄰導輥而言處于齊平地對準，并且在其中引導單獨的線繞圈。
[0023]通過沿線的縱向方向移動線部分、供給包含堅硬物質的懸浮液至線柵并且將工件推進到線柵上并穿過線柵來實現移除材料。
[0024]在進入和離開線柵中，借助于附接到杠桿上的偏轉輥來控制沿線的行進方向的縱向線張力，杠桿相對于線的縱向方向的角度改變引起線的行進長度的變化，并且因此能夠將線張緊至更大或者更小程度。
[0025]由線施加在杠桿上的力矩提供了實際的線張力的測量，以便借助于力矩測量和角度調整，存在用于反饋控制縱向的線張力的閉合環路。具有偏轉輥的杠桿由于當控制偏差出現時其快速的往復運動而被稱為“浮輥(dancers) ”。
[0026]在切割期間，線經受由磨耗引起的磨損。線的橫截面大致與線與工件15接觸的累積長度和每個鋸口機器加工的工件體積的乘積成比例地減小。因此，鋸口 13的寬度從桿的第一端面12 (在該處線首先進入第一鋸口 )至桿的相反的第二端面24 (在該處線最終從最后的鋸口顯露出來)減小。
[0027]第一端面也被稱為桿的線供入側12，并且第二端面被稱為線離開側24。
[0028]線的粗度方面的減小通常通過相鄰的線導輥3和4之間的距離從桿的線供入側12至線離開側24的減小來補償，以便在桿的全長上求平均值時，從桿切下的晶片具有恒定的厚度。
[0029]在切割操作期間，線可以被沿一個方向從放線圈(輸送線圈)經由線導輥和線柵至收線圈(接收線圈)連續地纏繞，以便線部分通過整個切割操作沿一個方向移動。這被稱為單向鋸切。
[0030]線可能還以改變方向地被引導穿過工件。可以在從放線圈經由線柵和工件供給至收線圈，并且然后完全地從原始的收線圈(其從而變為放線圈)返回到原始的放線圈(其現在變為收線圈)的線的整個行程上來實現這樣的雙向切割。然而，由于線上的磨損，工件將在“返回通過”時比在“出發通過”時變厚，其是不合乎需要的。
[0031]對于用于獨特需求應用的大型和非常大型晶片的生產，根據所謂的朝圣者步伐方法(“朝圣者步伐運動”、“線往復”)，特別的重要性與具有許多和連續的方向反轉的線行進的切斷精磨聯在一起。
[0032]在該情況中，朝圣者步伐是指一對相繼反轉的線方向。朝圣者步伐包括線沿線的第一縱向方向第一運動過第一長度，并且然后線沿與第一方向正相反的第二方向第二運動過第二長度，第二長度被選擇成小于第一長度。
[0033]因此，對于每個朝圣者步伐，相當于兩個長度的和的線長度通過工件，雖然在該情況中，進入與工件切割接合的線部分僅從放線圈向收線圈前進相當于兩個長度的差值的量。因此，在朝圣者步伐方法的情況中，通過由兩個長度的和與差的比值引起的因素，線被使用許多次。為簡單起見，兩個長度的差被稱為線在完全朝圣者步伐上的“凈運動”，具有凈線供入9和凈線離開10(圖1)。
[0034]從用于通過單向的線運動切割桿的術語類推，在以朝圣者步伐方法切割桿的情況中，桿的第一端面(在該處，線首先沿其凈運動方向進入第一鋸口)被稱為桿的線供入側，并且相反的第二端面(在該處，線沿其凈運動方向最終從最后的鋸口顯露出來)被稱為桿的線離開側。
[0035]因為向前運動和返回運動的長度是可隨意地選擇的，并且因此線的有效長度和線的磨損是可隨意地選擇的，朝圣者步伐方法非常適用于將工件切割成少量的相對更短工件的切片，其不能僅借助于單線通過(單向切割)來以線的經濟用途地切割。朝圣者步伐方法特別適于切割線接合長度在切割過程變化的工件，即，例如圓柱形半導體桿。
[0036]為了從半導體桿切割出晶片的目的，依據其總長度，首先以其一部分周向表面位于保持、安裝或者鋸切條帶(例如，由硬碳、玻璃、塑料或者復合材料制成條帶)上地安裝桿。該鋸切條帶在其背離桿朝向的側上被成形或者連接至進一步的轉接器，從而鋸切條帶或者適配器可以被夾在相應的接收設備中，該接收設備被固定到供料臺上，在切割操作期間，供料臺垂直于線柵并且穿過線柵地進給桿。通過粘合來產生桿與鋸切條帶之間的結合，并且通過粘合、作用力的有效配合或者形狀有效配合(例如，夾持或者螺紋連接部)來產生鋸切條帶與適配器之間的結合。桿軸線基本上相對于供料方向垂直地并且相對于線在線柵中的方向垂直地對準，并且因此基本上在由線柵的線部分跨過的平面中。
[0037]供料臺通常設置在線柵上方，并且將夾緊的桿垂直地進給到由線柵的線部分跨過的平面上。
[0038]以下繼續參照圖1。桿的圓柱面中線柵的線部分沿著其縱向方向進入鋸口的那側(暫時地)被稱為線進入側17，并且線部分沿著其縱向方向從鋸口再顯露出來的那側(暫時地)被稱為線離開側18。平行于桿軸線14地設置在線進入側處的線柵25上方的是具有料漿噴嘴21的噴嘴條帶19，其在線柵的整個長度上延伸并且在線部分11進入桿之前將料漿22均勻地施加至線部分11。
[0039]在僅具有一個線進入側的單向切割的情況中，為該目的設置一個噴嘴條帶，并且在具有將來交替的線進入側和離開側的雙向切割的情況中，設置兩個噴嘴條帶22和23，桿的各側上一個。兩個噴嘴條帶19和20可以被交替地操作，以便瞬間的線進入側上的條帶在各種情況中是工作的，或者為簡單起見，兩者也可以被連續地操作。
[0040]由于桿被進給至線柵的結果，桿的整個長度沿著桿的圓柱面上平行于桿軸線的線接觸到線柵。線部分與桿的首次接觸的該瞬間被稱為切入操作，或者簡單地說，切入。當進一步進給時，線柵的線部分沿線的縱向方向運動，并且供給料漿，線部分慢慢地通過桿工作，移除材料。
[0041]一旦線柵的所有線部分已經掃過桿的整個橫載面并且已經全部到達鋸切條帶處，則切割終止。線部分與桿的最后接觸的瞬間被稱為切下操作，或者簡單地說，切下。在圖1所示的實例中，正在從桿的相反側對具有識別凹槽26的側面執行切割。保持桿的安裝條帶在具有識別凹槽26的那側被粘結到桿上(未顯示)。
[0042]結束桿的進給，并且再次使桿慢慢地退出線柵。當桿正退出時，線繼續沿其縱向方向(至少慢慢地)移動，以便防止線部分被先前生產的切割面的任何不平整度卡住。
[0043]在桿已經退出線柵之后，從供料臺上的夾緊設備處移除由鋸斷的桿、鋸切和安裝條帶構成的合成物。因此，在完成切割之后，許多晶片類似梳子上的齒地懸掛在部分切入的鋸切條帶上，它們周向表面的一部分仍聯接到鋸切條帶上。通過溶解粘合劑結合部來分開晶片。可以溶解掉結合部，例如，如果已經使用了可以通過水或者加熱溶解的粘合劑，使由晶片、鋸切和安裝條帶構成的合成物沉浸在熱水槽中以為