由工件同时切割出许多特别是均匀厚度的切片的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种借助于线辅助切断精磨(cut-off lapping)来由工件切割出许多切片、特别是由晶体切割出半导体切片的方法。
【背景技术】
[0002]许多应用需要特定材料的薄的扁平切片，例如作为用于生产磁盘的基板的玻璃切片、作为用于制造光电部件的基板的蓝宝石或碳化硅切片、或者用于生产光电电池(“太阳能电池”)或作为用于构造微电子或微机电元件的基板的半导体切片。
[0003]例如，半导体切片是诸如元素半导体(硅、锗)、化合物半导体(例如，铝或镓)或其混合物(例如，Si1 xGex、0 < X < I ;AlGaAs、AlGaInP等)的半导体材料的切片。
[0004]起始材料通常是单晶(电子技术应用)或者多晶(太阳能电池)半导体材料杆的形式，并且通过诸如切断精磨的切肩移除工艺从该杆切出所需的该材料的切片。从工件上移除的颗粒被称为切肩。
[0005]特别是，为了切下半导体切片，切断精磨和切断研磨是特别重要的。在切断精磨的情况中，用于移除材料的工具处于作为粘性载液中的悬浮液的坚硬物质(例如，碳化硅)的锐缘颗粒的形式，并且工具载体处于载液和坚硬物质粘附其上的线的形式，促使这些颗粒与工件接触。载液例如包括水、多元醇、矿物油、乙二醇或其混合物。坚硬物质的悬浮液被称为料浆。由于线沿线的纵向方向移动的结果，沿线的横向方向施加作用力并且供给料浆，坚硬物质进入线的表面与工件的表面之间，借助于滑动或滚动运动使坚硬物质在压力下相对于工件移动，并且借助于材料过载或者疲劳、通过脆性磨耗从工件上除去切肩。
[0006]切断精磨的特点是，料浆包含作用来移除材料的坚硬物质，并且工具载体不包含作用来移除材料的任何坚硬物质，并且材料的移除是以三个本体(第一，工件；第二，坚硬物质；第三，工具载体)的相互作用为基础的。
[0007]在切断研磨的情况，移除材料的工具处于被固定地粘结到工具载体的表面上的坚硬物质的锐缘颗粒的形式。工具载体例如是线。
[0008]切断研磨的特点是，工具载体包含作用来移除材料的固定地粘结的坚硬物质，并且冷却润滑剂未包含任何作用来移除材料的坚硬物质，并且材料的移除是以两个本体(第一，工件；第二，固定地粘结到工具载体上的坚硬物质)的相互作用为基础的。
[0009]借助于线的切断精磨和切断研磨的工艺按组合术语称为线锯切。
[0010]在切断精磨和切断研磨的情况中，所使用的坚硬物质例如包括，碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化娃、氧化错、二氧化娃、氧化铝、氧化络、氮化钛、碳化妈、碳化钛、碳化银、金刚石、蓝宝石及其混合物。碳化硅就切断精磨来说是特别重要的，并且金刚石就切断研磨来说是特别重要的。
[0011]作为工具载体的线可能是单线或者可能是由多个绞线或者纤维、还以及不同材料组成的绞合线，并且可能携带有金属、合金或者塑料的附加涂层。
[0012]在切断精磨和切断研磨的情况中，该线例如是由硬化钢(“钢琴线(pianowire) ”)、塑料、碳纤维或者金属合金组成的。
[0013]切断精磨和切断研磨两者都可以利用一个或多个线来执行。后者的实例就是所谓的排锯，其中许多单独的线被固定在框架(套)上，该框架(套)则沿线的纵向方向前后移动，以便线穿过工件工作。
[0014]在从半导体材料杆上切下切片中，仅具有一个线的线锯具有特别的重要性。
[0015]用于电子技术应用的半导体材料杆在切割操作之前通常被加工过，以使其处于具有杆轴线、圆柱形周向表面和两个圆柱形端面(底面和顶面)的直的圆柱体形状。通常，还在杆的周向表面上研磨出平行于圆柱轴线的识别凹槽(凹口)，其例如标记特定的晶体定向。由切割操作所获得的半导体切片也被称为“晶片”，并且它们自身进而处于直的圆柱体形状，圆柱体的高度为十分之几毫米直至例如一毫米，并且圆柱体的基底具有75到450mm的直径。直径达到150mm的杆或者晶片被归为小型的，达到200mm的那些被归为中型的，达到300mm的那些被归为大型的，并且达到450mm的那些被归为非常大型的。
[0016]借助于切断精磨或者切断研磨，沿着许多锯口作用来分割出切片，该锯口是尽可能平坦的并且相互尽可能平行，并且其基本上垂直于杆轴线，即，相对于垂直于杆轴线具有最多2°的偏斜。
[0017]切断精磨和切断研磨同样适用于分割小型的和中型的半导体杆。对于分割大型的和非常大型的半导体杆，切断精磨是特别重要的，因为甚至在线的较长长度与杆接触的情况中，生产出其前、后面具有高度平坦度和相对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仅具有由切割操作引起的较小深度的晶体损伤。
[0018]由于损伤浅，所以通过切断精磨所获得的晶片较不易受破损影响，并且在后续加工期间，则仅必须移除少量材料以便最终获得具有所需的前后面的高度平面平行度和没有缺陷的晶片。因此，切断精磨能够按特别成本有效的方式生产出特别高质量的晶片。
[0019]在切割操作中的任一时刻沿着其延伸通过工件的线部分的长度和从而作用来移除材料的线部分的长度被称为线部分的接合长度。
[0020]在下文中利用参照图1更详细地描述了“多线切断精磨”([料浆]多线切分，丽S，S-MffS)ο
[0021]在切断精磨中，线I被绕至少两个圆柱形线导辊3和4成螺旋形地缠绕，以便在该布置的至少一侧上，许多线部分11达到相互平行地位于相对于圆柱轴线垂直的一个平面
(25)中，并且当线导辊7和8被沿相同方向围绕其相应的轴线转动时，线部分11以均匀速度并且相互平行地沿线的纵向方向移动，所述线导辊3和4具有相互平行的圆柱轴5和6。术语“线栅(wire grid)”或者“锯切栅”被用来指线部分中相互平行延伸的该至少一侧。在该情况中，线栅的位置被选择成其朝向待切割的杆。
[0022]在该情况中，线导辊通常各设有许多闭合式凹槽2，该凹槽2相互平行并且相对于圆柱轴线垂直，并且其就相邻导辊而言处于齐平地对准，并且在其中引导单独的线绕圈。
[0023]通过沿线的纵向方向移动线部分、供给包含坚硬物质的悬浮液至线栅并且将工件推进到线栅上并穿过线栅来实现移除材料。
[0024]在进入和离开线栅中，借助于附接到杠杆上的偏转辊来控制沿线的行进方向的纵向线张力，杠杆相对于线的纵向方向的角度改变引起线的行进长度的变化，并且因此能够将线张紧至更大或者更小程度。
[0025]由线施加在杠杆上的力矩提供了实际的线张力的测量，以便借助于力矩测量和角度调整，存在用于反馈控制纵向的线张力的闭合环路。具有偏转辊的杠杆由于当控制偏差出现时其快速的往复运动而被称为“浮辊(dancers) ”。
[0026]在切割期间，线经受由磨耗引起的磨损。线的横截面大致与线与工件15接触的累积长度和每个锯口机器加工的工件体积的乘积成比例地减小。因此，锯口 13的宽度从杆的第一端面12 (在该处线首先进入第一锯口 )至杆的相反的第二端面24 (在该处线最终从最后的锯口显露出来)减小。
[0027]第一端面也被称为杆的线供入侧12，并且第二端面被称为线离开侧24。
[0028]线的粗度方面的减小通常通过相邻的线导辊3和4之间的距离从杆的线供入侧12至线离开侧24的减小来补偿，以便在杆的全长上求平均值时，从杆切下的晶片具有恒定的厚度。
[0029]在切割操作期间，线可以被沿一个方向从放线圈(输送线圈)经由线导辊和线栅至收线圈(接收线圈)连续地缠绕，以便线部分通过整个切割操作沿一个方向移动。这被称为单向锯切。
[0030]线可能还以改变方向地被引导穿过工件。可以在从放线圈经由线栅和工件供给至收线圈，并且然后完全地从原始的收线圈(其从而变为放线圈)返回到原始的放线圈(其现在变为收线圈)的线的整个行程上来实现这样的双向切割。然而，由于线上的磨损，工件将在“返回通过”时比在“出发通过”时变厚，其是不合乎需要的。
[0031]对于用于独特需求应用的大型和非常大型晶片的生产，根据所谓的朝圣者步伐方法(“朝圣者步伐运动”、“线往复”)，特别的重要性与具有许多和连续的方向反转的线行进的切断精磨联在一起。
[0032]在该情况中，朝圣者步伐是指一对相继反转的线方向。朝圣者步伐包括线沿线的第一纵向方向第一运动过第一长度，并且然后线沿与第一方向正相反的第二方向第二运动过第二长度，第二长度被选择成小于第一长度。
[0033]因此，对于每个朝圣者步伐，相当于两个长度的和的线长度通过工件，虽然在该情况中，进入与工件切割接合的线部分仅从放线圈向收线圈前进相当于两个长度的差值的量。因此，在朝圣者步伐方法的情况中，通过由两个长度的和与差的比值引起的因素，线被使用许多次。为简单起见，两个长度的差被称为线在完全朝圣者步伐上的“净运动”，具有净线供入9和净线离开10(图1)。
[0034]从用于通过单向的线运动切割杆的术语类推，在以朝圣者步伐方法切割杆的情况中，杆的第一端面(在该处，线首先沿其净运动方向进入第一锯口)被称为杆的线供入侧，并且相反的第二端面(在该处，线沿其净运动方向最终从最后的锯口显露出来)被称为杆的线离开侧。
[0035]因为向前运动和返回运动的长度是可随意地选择的，并且因此线的有效长度和线的磨损是可随意地选择的，朝圣者步伐方法非常适用于将工件切割成少量的相对更短工件的切片，其不能仅借助于单线通过(单向切割)来以线的经济用途地切割。朝圣者步伐方法特别适于切割线接合长度在切割过程变化的工件，即，例如圆柱形半导体杆。
[0036]为了从半导体杆切割出晶片的目的，依据其总长度，首先以其一部分周向表面位于保持、安装或者锯切条带(例如，由硬碳、玻璃、塑料或者复合材料制成条带)上地安装杆。该锯切条带在其背离杆朝向的侧上被成形或者连接至进一步的转接器，从而锯切条带或者适配器可以被夹在相应的接收设备中，该接收设备被固定到供料台上，在切割操作期间，供料台垂直于线栅并且穿过线栅地进给杆。通过粘合来产生杆与锯切条带之间的结合，并且通过粘合、作用力的有效配合或者形状有效配合(例如，夹持或者螺纹连接部)来产生锯切条带与适配器之间的结合。杆轴线基本上相对于供料方向垂直地并且相对于线在线栅中的方向垂直地对准，并且因此基本上在由线栅的线部分跨过的平面中。
[0037]供料台通常设置在线栅上方，并且将夹紧的杆垂直地进给到由线栅的线部分跨过的平面上。
[0038]以下继续参照图1。杆的圆柱面中线栅的线部分沿着其纵向方向进入锯口的那侧(暂时地)被称为线进入侧17，并且线部分沿着其纵向方向从锯口再显露出来的那侧(暂时地)被称为线离开侧18。平行于杆轴线14地设置在线进入侧处的线栅25上方的是具有料浆喷嘴21的喷嘴条带19，其在线栅的整个长度上延伸并且在线部分11进入杆之前将料浆22均匀地施加至线部分11。
[0039]在仅具有一个线进入侧的单向切割的情况中，为该目的设置一个喷嘴条带，并且在具有将来交替的线进入侧和离开侧的双向切割的情况中，设置两个喷嘴条带22和23，杆的各侧上一个。两个喷嘴条带19和20可以被交替地操作，以便瞬间的线进入侧上的条带在各种情况中是工作的，或者为简单起见，两者也可以被连续地操作。
[0040]由于杆被进给至线栅的结果，杆的整个长度沿着杆的圆柱面上平行于杆轴线的线接触到线栅。线部分与杆的首次接触的该瞬间被称为切入操作，或者简单地说，切入。当进一步进给时，线栅的线部分沿线的纵向方向运动，并且供给料浆，线部分慢慢地通过杆工作，移除材料。
[0041]一旦线栅的所有线部分已经扫过杆的整个横载面并且已经全部到达锯切条带处，则切割终止。线部分与杆的最后接触的瞬间被称为切下操作，或者简单地说，切下。在图1所示的实例中，正在从杆的相反侧对具有识别凹槽26的侧面执行切割。保持杆的安装条带在具有识别凹槽26的那侧被粘结到杆上(未显示)。
[0042]结束杆的进给，并且再次使杆慢慢地退出线栅。当杆正退出时，线继续沿其纵向方向(至少慢慢地)移动，以便防止线部分被先前生产的切割面的任何不平整度卡住。
[0043]在杆已经退出线栅之后，从供料台上的夹紧设备处移除由锯断的杆、锯切和安装条带构成的合成物。因此，在完成切割之后，许多晶片类似梳子上的齿地悬挂在部分切入的锯切条带上，它们周向表面的一部分仍联接到锯切条带上。通过溶解粘合剂结合部来分开晶片。可以溶解掉结合部，例如，如果已经使用了可以通过水或者加热溶解的粘合剂，使由晶片、锯切和安装条带构成的合成物沉浸在热水槽中以为