CN101772838A - 线锯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供通过增加切割浆料中的研磨剂颗粒与切割线的缔合来提高在切割基材时线锯的切割性能的方法，所述提高可通过在切割浆料中使用增稠剂或者通过增加研磨剂颗粒与切割线的吸引力而实现。

Description

线锯方法
技术领域
本发明涉及切片(wafering)技术领域。更具体而言，本方法涉及提高线锯或其它装置上切割线的研磨剂覆盖率的方法。
背景技术
线锯锯切是产生薄的半导体材料基材的主要方法，由于所述基材通常具有非常有限的厚度，它们被称为“晶片”。晶片是集成电路和光伏工业所必需的。在这些工业中经受“切片”的常用基材材料包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、碲、二氧化硅、砷化镓、磷化铟、硫化镉、锗、硫化锌、灰锡、硒、硼、碘化银和锑化铟、以及其它材料。
典型的线锯锯切方法包括横跨一大块基材材料拉动线，处于未切片的状态的所述一大块基材材料通常被称为梨晶(boule)或晶锭(ingot)。所述线通常包括例如钢、铁、金属合金、复合材料、磁性材料、金刚石、不锈钢、铝、黄铜、镍钛和铜中的一种或多种。通过将研磨剂颗粒施加到线与基材材料的相对的表面(interfacing surfaces)上，切割效率增加。为此目的，在锯切期间将标准切割浆料例如聚乙二醇及50重量％的碳化硅研磨剂泵送到所述相对的表面上。用在标准切割浆料组合物中的其它研磨剂颗粒尤其可包括下列的一种或多种：碳化硅、金刚石、铁氧化物、氧化锡、二氧化铈、二氧化硅、氧化铝、碳化钨及碳化钛。当横跨梨晶表面拉动线时，切割浆料中的研磨剂的一部分跟随该线移动。在这样的行为中，研磨剂颗粒起到从梨晶移除基材材料的一部分，由此使切口加宽和加深的作用，如果该切口的位置靠近表面且与表面平行，则得到晶片。
在一种意义上，更有效的切割线包括固定到该线上或者包埋在该线内的研磨剂颗粒。例如，本领域中已知的一种切割线包含浸渍的金刚石颗粒。
下文中所阐述的本发明是对于切片技术领域的有益扩充。
发明内容
本发明的一个目的在于提供线锯切割方法，其中增稠剂技术、或者电力或磁力的操控起到在切割线接触基材的切割表面时增加切割浆料中的研磨颗粒与所述切割线的缔合(association)的作用。所述基材可为任何材料。所述材料优选具有适于用在用于集成电路和光伏器件的晶片状薄片诸如硅等中的特性。这样的基材通常是块体，并且特别是对于集成电路和光伏工业而言，其被称为基材块。所述基材块还通常被称为梨晶或晶锭，并且包括呈复合形式的或者呈可替代形式的各种材料，所述基材块包括如下面进一步描述的由单一的材料组成的那些。
本发明的进一步目的在于提供使用切割浆料组合物以线锯切割基材的方法，该切割浆料组合物包含研磨剂颗粒及赋予该浆料组合物剪切变稀的增稠剂。研磨剂颗粒悬浮在整个切割浆料中，从而提供了具有延长的储存寿命(shelf-life)的胶体稳定的组合物。该胶体稳定性是通过向载流体中添加增稠剂而实现的。增稠剂可包括例如黄原胶(XG)、羟乙基纤维素(HEC)、瓜尔胶、甲基纤维素及多糖。
本发明的另一目的在于提供用线锯切割基材的方法，其中在切割基材之前或期间，切割浆料组合物中的研磨剂颗粒被以静电方式或磁的方式吸引和富集到切割线上。如上所述，该基材可为任何材料。在一个实施方式中，通过将切割浆料的pH操控和调节为不等于研磨剂颗粒、线涂层、研磨剂涂层或线本身的等电点(IEP)的值而使研磨剂颗粒带电。所述带电的研磨剂颗粒被吸引至切割线的带有相反电荷的表面。这些静电表面吸引力导致形成原位固定研磨剂线。在本发明的该实施方式中，减少了或消除了在切片期间对粘性切割浆料的需求。此外，具有较低粘度的切割浆料增加了本发明中所采用的研磨剂颗粒和线之间的吸引力可产生原位固定研磨剂线的速率。术语“原位固定研磨剂线”用来指在本发明的上下文中所有利地采用的线，其中与本文中进一步讨论的力的施加相应，研磨剂颗粒附着到该线上。较低的粘度还容许能够更容易地泵送切割浆料组合物，且容许在切割浆料组合物中使用更便宜的流体例如水作为载流体。
本发明的再一目的在于提供减少切割线的磨损的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供线；以及(b)将切割浆料组合物施加到该线上，该切割浆料组合物包含研磨剂颗粒和赋予该切割浆料组合物剪切变稀的增稠剂。优选地，该研磨剂颗粒具有大于100的绝对硬度。更优选地，与不包含增稠剂的第二切割浆料组合物相比，磨损速率更低。
本发明的实施方式存在许多优点。首先，由于研磨剂颗粒被吸引至切割线的工作表面，因此在切割浆料组合物中可需要更少的研磨剂。另外，由于线磨损速率降低，因此在本发明的方法中可使用直径更小的切割线。使用直径更小的切割线降低了切割操作中的截口损失(kerf loss)，并因此导致由梨晶产生更多的晶片。
本发明的另外的目的及应用以及本发明的更完整理解展示于下面的附图及说明中。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方式的切割线62和研磨剂颗粒60的示意图。
图2为沉降高度(任意单位)随时间(以天数计)变化的图，其用于说明用于比较的本发明的包含乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)、或黄原胶(XG)的切割浆料组合物的胶体稳定性。
图3为切割速率(mm2/min)随绝对硬度变化的图，其说明所使用的研磨剂颗粒的硬度与使用本发明的方法及材料的切割速率之间的线性关系。
具体实施方式
本发明涉及提高基材的线锯切割效率的方法。该方法利用经优化以增加研磨剂颗粒与切割线的缔合的切割线-切割浆料组合，这导致研磨剂颗粒堆积(lodge)在切割线与正被锯切的基材之间并与它们二者保持接触的可能性增大。
经受本发明的切割方法的基材可为任何材料。优选地，该基材为以下的一种或多种：硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、碲、二氧化硅、砷化镓、磷化铟、硫化镉、锗、硫化锌、灰锡、硒、硼、碘化银和锑化铟、以及其它材料。更优选地，该基材为硅或蓝宝石。最优选地，该基材为硅。
在一个实施方式中，本发明包括增稠剂技术和/或对施加到切割浆料和切割线上的电力或磁力的操控。本发明的有效利用导致在线与该线施加到其上的切割表面接触之前或之时，切割线变成涂覆有原来是松散的研磨剂颗粒或者与原来是松散的研磨剂颗粒缔合。这种涂覆有研磨剂颗粒的线在本文中被称为原位固定研磨剂线。
适于用在本发明中的研磨剂颗粒包括具有足以切割基材的硬度的材料。通常，充足的硬度是相对于期望切割的基材的硬度确定的，其中合适的研磨剂颗粒具有大于基材硬度值的硬度值。硬度可通过在矿物学领域中公知的莫氏硬度标度上材料划伤公认材料的能力来度量。莫氏硬度标度是基于硬度依次增加的10种矿物。所测试的材料的硬度定义为所测试的材料所能够划伤的莫氏硬度标度的最硬材料的序数和/或能够划伤所测试的材料的最软材料的序数。在针对该讨论的莫氏硬度标度的相关部分中，用来定义莫氏硬度7-10的材料分别为石英(SiO2)、黄玉(Al2SiO4(OH-，F-)2)、刚玉(Al2O3)及金刚石(C)。因此，能够划伤石英但不能划伤黄玉的材料可描述为具有在莫氏硬度标度上为7.5的硬度。
莫氏硬度的这种相对测量可通过用硬度计测量绝对硬度来改进，该硬度计是通常可用于矿物学研究的仪器。该硬度计用来通过将压力施加在所测试的材料上以使该测试材料压靠着移动着的金刚石点直至出现划痕而测量硬度。将压力的量记录为所测试材料的硬度的直接指标。使用硬度计，定义莫氏硬度标度7-10的矿物的绝对硬度值分别为100、200、400及1600。
关于本发明上下文中所有利地采用的研磨剂颗粒的限定，所述研磨剂颗粒具有大于7的莫氏硬度或大于100的绝对硬度。对于本发明中所使用的研磨剂颗粒具有在莫氏硬度标度上大于7的硬度的要求起因于：在使用基于当前方法的浆料介质或者如下面在实施例8中所述的本发明的浆料介质时，观察到二氧化硅颗粒不具备有效地切割硅梨晶的能力。更优选地，研磨剂颗粒的莫氏硬度至少为8，这些颗粒的绝对硬度为200或更高。甚至更优选地，莫氏硬度为7.5-10。在另一优选实施方式中，研磨剂颗粒的莫氏硬度为8或更大。最优选地，本发明上下文中所使用的研磨剂颗粒的莫氏硬度为8-10或8.5-9.5。
关于绝对硬度测量结果，本发明上下文中所使用的优选研磨剂颗粒具有大于100的硬度计读数。更优选地，研磨剂颗粒的绝对硬度为1600或更低，且仍更优选地为1250或更低；在这些情况中的任一情况下，所指出的绝对硬度值限定了一个范围的最大值，该范围的最小值至少大于二氧化硅的绝对硬度。优选地，研磨剂颗粒的最小绝对硬度为150、200、250、300、350或400。仍更优选地，研磨剂颗粒的绝对硬度为150-1600、150-1250、200-1250、300-1250、400-1250、500-1250、750-1250或1000-1250。甚至更优选地，研磨剂颗粒具有这样的范围的绝对硬度，该范围的合适的最小值为400-750，该范围的最大值为1600、1500、1400、1300、1200、1100、1000或900。最优选地，最小硬度为600-750。在优选实施方式中，研磨剂颗粒的硬度等级超过石英、黄玉或刚玉的硬度等级。在另一优选实施方式中，研磨剂颗粒的硬度等级约为石英的硬度等级的120％；更优选地，研磨剂颗粒的硬度等级为黄玉或刚玉的硬度等级的80％-120％。在又一实施方式中，研磨剂颗粒的硬度等级约为金刚石的硬度等级的至少60％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％或至少95％。
本发明中所使用的研磨剂颗粒的硬度必须至少等于经受切割方法的基材的硬度。考虑到研磨剂颗粒的尺寸及形状类似，切割速率直接取决于所使用的研磨剂颗粒的硬度。即，研磨剂颗粒越硬，切割速率越大。因此，对于切割硅梨晶而言，例如，可使用包括α-氧化铝的研磨剂颗粒并实现35至50mm2/min的切割速率。使用较硬的研磨剂颗粒比如碳化硅或碳化硼研磨剂颗粒，可实现75-125mm2/min的切割速率。如图3中所示且如实施例8中所讨论的，绝对硬度与切割速率之间存在线性关系，使得可选择所期望的切割速率并由此测定本发明上下文中优选使用的研磨剂颗粒的适当硬度。
优选地，合适的材料具有可操控的磁性能或电性能。有利地用于形成研磨剂颗粒的材料包括，但不限于，碳化硅、金刚石、铁氧化物、氧化锡、碳化钨、碳化硼、氮化硼及碳化钛。优选的材料为碳化硅。研磨剂颗粒的粒度范围优选为1纳米至500μm、更优选500纳米至250μm、仍更优选1μm至100μm且最优选5μm至50μm。
在本发明的另一实施方式中，采用至少包含研磨剂颗粒、载流体及增稠剂的切割浆料组合物。该载流体可为水性的(aqueous)或非水的；优选地，该载流体为水性的。合适的水性载流体包括水和亚烷基二醇。本发明上下文中所使用的优选亚烷基二醇包括乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)及聚丙二醇(PPG)。更优选的载流体为水、EG及PPG；仍更优选的载流体为水。
增稠剂优选具有以下特性：在没有剪切时或在低剪切时具有高的粘度并且在中等至高的剪切条件下具有降低的但稳定的粘度，例如在线锯操作的环境中所经历的。在本发明的上下文中，该特性定义为“剪切变稀”，其为浆料粘度随剪切力增加而下降的现象。相反的流体性能被称为“剪切增稠”，在该情况下粘度随剪切力的增加而增加。因此，本发明的优选增稠剂使其中添加该增稠剂的流体的粘度增大，由此提高例如载流体的颗粒悬浮性能及线涂覆性能。此外，这些特性赋予切割浆料产品以胶体稳定性。另外，优选的增稠剂赋予切割浆料剪切变稀性能。因此，本发明优选的增稠剂在切割过程期间赋予切割浆料剪切变稀并提高输送至切割线和基材界面的研磨剂颗粒的量。具有这些性能的任何合适的增稠剂优选用于本发明。优选的增稠剂还基本上不受切割浆料的离子强度或温度的变化影响。因此，优选的增稠剂具有促成在储存和切割这两种条件下的长的储存寿命和稳定性的特性。本发明中所使用的优选增稠剂包括，但不限于，例如黄原胶(XG)、羟乙基纤维素(HEC)、瓜尔胶、淀粉、纤维素、甲氧基乙基纤维素及甲基纤维素。也有利地使用其它多糖作为增稠剂。更优选的增稠剂包括XG和HEC；最优选的增稠剂为XG。
增稠剂以0.1％至1％的优选重量百分数范围添加到载流体中；该重量百分数范围更优选为0.2％至0.75％，仍更优选为0.25％至0.6％。当选择XG作为增稠剂时，优选的重量百分数为至少0.1％；更优选地，该重量百分数为0.1％至0.7％；仍更优选地，该重量百分数为0.2％至0.4％。当选择HEC作为增稠剂时，优选的重量百分数为0.1％至1％；更优选地，该重量百分数为0.1％至0.7％；仍更优选地，该重量百分数为至少0.25％。
如本发明中所采用的，切割浆料组合物中存在的研磨剂颗粒优选占该组合物的10重量％至80重量％；更优选地，占20％至70％；仍更优选地，占30％至60％；且最优选地，占45％至55％。在一个实施方式中，切割浆料组合物包含45重量％至55重量％的碳化硅(SiC)，在0.3重量％至0.4重量％的XG的存在下，所述碳化硅可稳定存在于优选包含载流体的浆料介质中。用在浆料介质中的优选载流体包括水和聚亚烷基二醇(例如EG、PEG、PPG等)、以及其组合。
在切割基材的过程中切割线发生磨损，这可能是由切割线与正被切割的基材之间的摩擦力所引起的。选择用于切割浆料的增稠剂影响线上的磨损速率。优选地，在切割浆料组合物中采用能使研磨剂颗粒保持稳定，从而增加研磨剂颗粒在切割表面上适当的位置上的量的增稠剂。本发明的增稠剂赋予切割浆料剪切变稀特性。优选的增稠剂的作用在于导致切割线的磨损速率下降或者与切割线的磨损速率下降有关。优选通过比较在除了选择切割浆料组合物中所包含的增稠剂之外使用与本发明上下文中所使用的相同的材料和方法时的失效速率来评价磨损速率。或者，可通过测量在切割浆料组合物中包含或者不包含优选增稠剂的情况下切割线随使用时间而变化的直径来评价磨损速率。因此，在降低切割线的磨损速率的方法中，优选包括随切割时间而赋予切割浆料组合物剪切变稀特性的增稠剂。
在一个实施方式中，与吸引力和排斥力例如静电力的施加相应，实现了研磨剂颗粒到切割线的靶向移动(targeting)。切割浆料中存在的静电力可设想为研磨剂颗粒上的表面电荷。可通过调节浆料介质的pH来控制由切割浆料中的研磨剂颗粒所呈现的净电荷。控制研磨剂颗粒上的净电荷的另一方法是通过使带电分子与研磨剂颗粒缔合；优选地，所述带电分子为聚合物。例如，阳离子或阴离子聚合物可涂覆或吸附到研磨剂颗粒上。这样的聚合物的实例包括，但不限于，聚丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯聚合物、聚氯化二烯丙基二甲基铵(聚DADMAC)及聚氯化[(甲基丙烯酰氧)乙基]三甲基铵(聚MADQUAT)。
对于意图通过静电力将其研磨剂颗粒吸引到切割线上的切割浆料而言，优选确定研磨剂颗粒的等电点(IEP)在pH尺度上的位置。在IEP处，单独的研磨剂颗粒之间的排斥力被最小化，这可容许研磨剂颗粒由于典型颗粒的潜在范德华吸引力而聚集。所述范德华力是特定的研磨剂材料所独有的，并且不能***控。通常，切割浆料的pH离IEP越远，研磨剂颗粒的表面电荷越大，其全部都相同并且因而这些研磨剂颗粒之间相互排斥。该排斥力使研磨剂颗粒的结块降到最低限度。结果，该排斥力还有助于切割浆料组合物的稳定。理解该组合物的稳定性的另一技术方法是通过测量如本领域中所理解的ζ电势而获得的。在两个方向中的任一方向上距离IEP 2至3个pH单位处，存在与各研磨剂颗粒有关的充足的净电荷，使得每个颗粒的净电荷的库仑斥力克服了相同颗粒之间的范德华力。结果，可用与切割浆料组合物的稳定相一致的胶体计算ζ电势值。例如，研磨剂颗粒中±20mV的ζ电势通常足以实现稳定。优选得到稳定的切割浆料组合物，这不仅是由于其延长的储存寿命特性，而且也是由于增强了锯切期间研磨剂颗粒与切割线之间的受控的相互作用。
根据本发明的一个方面，采用包含研磨剂颗粒的含水(aqueous)切割浆料以利用线锯将多晶硅梨晶切片。研磨剂颗粒优选富集到切片工艺中所使用的钢切割线上。据信，研磨剂颗粒的富集是由于静电吸引力而产生的，如图1中所示。如图1中所示，带负电的研磨剂颗粒60被以静电方式吸引到钢切割线62的带正电的表面上。静电表面吸引力优选导致原位固定研磨剂线64的形成。
研磨剂颗粒60可为上文中所阐述的那些中的任何研磨剂颗粒。选择切割浆料介质的pH，使其远离线与研磨剂颗粒60各自的IEP。优选地，选择切割浆料介质的pH，使得线上的净电荷与研磨剂颗粒上的净电荷相反。
用作切割线的材料可为任何金属或复合材料。优选地，该材料为钢、不锈钢、经涂覆的钢、或者具有金属覆层的不锈钢；更优选地，该材料为不锈钢或者经涂覆的钢。在一个实施方式中，用增加表面净电荷的第二材料喷涂切割线材料。例如，可将聚乙烯亚胺(PEI)喷涂到切割线上，这增加了线上的正的表面净电荷。通常采用的其它线涂覆材料尤其包括，但不限于，蜡、聚合物、以空间方式附着的(sterically-adhered)研磨剂颗粒、磁性材料、以磁的方式附着的(magnetically-adhered)研磨剂颗粒、以及以静电方式附着的(electrostatically-adhered)研磨剂颗粒。特别地，在本发明中适合用作线涂层的聚合物材料包括，但不限于，聚(二烯丙基二甲基丙烯酰胺)、聚丙烯酸、以及聚甲基丙烯酸。更优选地，该线涂覆材料为聚丙烯酸或聚(二烯丙基二甲基丙烯酰胺)。
在本发明的另一实施方式中，通过利用注入颗粒的线涂层使研磨剂颗粒与切割线接触。在该实施方式中，研磨剂颗粒优选悬浮于粘性蜡状流体中，从而形成注入颗粒的流体。以容许注入颗粒的流体涂覆钢切割线的速率拉着该线穿过该注入颗粒的流体，产生原位固定研磨剂线。在该实施方式中，除了注入颗粒的流体之外，还可在锯切期间采用冷却流体以使对线进行涂覆的注入颗粒的流体的寿命及效率最大化。
在本发明的再一方面中，优选将施加了电偏压的钢切割线拉着穿过带静电的SiC研磨剂颗粒的容器以用研磨剂有效地涂覆线，如图1中所示。这产生原位固定研磨剂线。在该实施方式中，在锯切期间优选采用单独的冷却流体以控制切割***的温度。
在本发明的另一实施方式中，在含水切割浆料中包含经磁化的或磁性的研磨剂颗粒。当使用该切割浆料时，这些经磁化的或磁性的研磨剂颗粒可被以磁的方式吸引和富集在钢切割线上。用于经磁化的研磨剂颗粒的合适材料包括，但不限于，铁素体、钢及羰基铁。优选地，采用铁素体。在基材的锯切期间，经磁化的或磁性的研磨剂颗粒被以磁的方式吸引到钢切割线上。两个表面之间的磁性吸引力导致形成原位固定研磨剂线。
在本发明的又一实施方式中，在锯切期间，含水浆料中的大部分研磨剂颗粒可被以电的方式吸引到钢切割线上。在该实施方式中，用DC电压对钢切割线施加电偏压。优选设定所述电压使得钢线带上与研磨剂颗粒相反的电荷，所述研磨剂颗粒分别具有如上所述的净电荷。结果，研磨剂颗粒被吸引至线并在线周围或者在线上富集，从而形成原位固定研磨剂线。通过操控切割浆料的pH来控制研磨剂颗粒上的电荷。在另一方面中，涂覆研磨剂颗粒以增加它们的表面净电荷，从而增强它们对带相反电荷的线的吸引力。颗粒状涂覆材料可选自，但不限于，上述涂覆材料的任一种。
在另一实施方式中，本发明涉及用于提高线的研磨剂覆盖率的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供线；以及(b)将包含载流体、研磨剂颗粒的切割浆料组合物施加到所述线上；其中(i)电力或磁力作用于所述线或所述研磨剂颗粒；以及(ii)所述研磨剂颗粒具有大于100的绝对硬度。可实现根据该实施方式的方法，其中对所述线施加电偏压或其中所述线包括涂层。在该实施方式的一个优选替代方案中，切割浆料组合物包含赋予切割浆料剪切变稀的增稠剂。更具体而言，可实现该方法，其中载流体包括选自水和聚乙二醇(PEG)的材料。在本发明的另一变型实施方式中，实现该方法，其中切割浆料组合物具有不等于研磨剂颗粒或涂层的等电点(IEP)的pH。
在另一实施方式中，本发明涉及切割基材的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供包括切割线的线锯；(b)将切割浆料组合物施加到所述切割线上；(c)使所述基材的表面与所述切割线接触；以及(d)与切割动作(cutting action)一致地操控所述切割线与所述表面的相对定位；其中(i)所述切割浆料组合物包含研磨剂颗粒；以及(ii)所述研磨剂颗粒被以电的方式或磁的方式吸引到切割线上。可实现根据该实施方式的方法，其中对所述切割线施加电偏压、或者所述切割线是磁性的或具有涂层。更具体而言，可实现该方法，其中所述涂层包括蜡、聚合物、以空间方式附着的研磨剂颗粒、磁性材料、以磁的方式附着的研磨剂颗粒或以静电方式附着的研磨剂颗粒。在该实施方式的另一方面中，实现该方法，其中所述切割浆料组合物具有不等于所述研磨剂颗粒、涂层或所述线的等电点(IEP)的pH。
在另一实施方式中，本发明涉及用线锯切割基材的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供线；以及(b)将切割浆料组合物施加到所述线上，所述切割浆料组合物包含研磨剂颗粒、载流体及赋予所述切割浆料组合物剪切变稀的增稠剂；其中所述研磨剂颗粒具有大于100的绝对硬度。与不包含增稠剂的第二切割浆料组合物相比，使用本发明的该实施方式的切割浆料的基材的切割速率更大。可实现根据该实施方式的方法，其中增稠剂包括选自黄原胶(XG)、羟乙基纤维素(HEC)、淀粉、纤维素及甲氧基乙基纤维素的材料。还可实现该方法，其中切割浆料呈现提高的胶体稳定性，其中研磨剂颗粒以10重量％至80重量％的量存在。在该实施方式的优选变型中，实现该方法，其中切割浆料组合物是含水的；更优选地，切割浆料组合物包含0.2％至0.4重量％的黄原胶(XG)；以及在该实施方式的可替代的优选变型中，实现该方法，其中切割浆料组合物是含水的且包含0.4重量％至0.6重量％的羟乙基纤维素(HEC)。
在另一实施方式中，本发明涉及减少切割线上的磨损的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供线；以及(b)将切割浆料组合物施加到所述线上，所述切割浆料组合物包含研磨剂颗粒及赋予所述切割浆料组合物剪切变稀的增稠剂；其中(i)所述研磨剂颗粒具有大于100的绝对硬度；以及(ii)与不包含增稠剂的第二切割浆料组合物相比，磨损速率更低。在该实施方式的情况下所使用的增稠剂包括选自黄原胶(XG)、羟乙基纤维素(HEC)、淀粉、纤维素及甲氧基乙基纤维素的材料。本文所使用的增稠剂优选为XG或HEC；最优选地，所使用的增稠剂为XG。
本发明得到线锯锯切方法，相对于现有技术的线锯切割方法，其在多个方面更为有效。使用本文所公开的方法和材料，更多的研磨剂颗粒跟随着线来到基材梨晶上的切割表面，因为本文所公开的方法显著增加了切割浆料中的研磨剂颗粒与线的缔合。该缔合可为附着现象或另一种相互作用，通过所述另一种相互作用，两种材料可以能松开的形式互相结合而不使用机械手段。与如上所述的对研磨剂颗粒和线的静电特性的操控相应，发生增加的缔合。此外或者可选择地，与同样如上文中所阐述的将本发明的增稠剂添加到浆料介质中相应，发生增加的缔合。
对于切片的基材的每单位平面表面积，研磨剂颗粒与线的增加的缔合提供下面的益处：切割时间更快；减少了切割浆料的量；减少了所使用的研磨剂颗粒的量；可选择使用质量稍次的研磨剂颗粒；可选择使用直径更细的线(从而减少截口损耗)；增加了胶体稳定性，从而增加了切割浆料的储存寿命；由于所需要的切割浆料的量更少，因此降低了环境及处理/回收成本。
通过使得能够使用直径更细的线，本发明的切割浆料可降低截口损失且因此可从梨晶切割更多的晶片。下文实施例8中说明了该能力。由于由所使用的直径更小的线所得到的更大效率，该能力的经济效果大幅降低了工业规模下每个晶片的成本。作为例子，通过在工业规模的切割操作中使用120μm与160μm直径的切割线来产生200mm及150mm厚度的晶片，可计算出从12英寸长的硅晶锭切下的晶片的数量分别增加11％和13％。对于该计算，假定截口损失为线直径与取决于研磨剂粒度和/或其它工艺变量的某值之和。在该说明性实例中，选择45μm的截口损失作为该值，因此，对于160μm和120μm的线，总的截口损失分别为205mm和165mm。
在本发明的线切割工艺中产生晶片之后，使该晶片任选地经受抛光工艺。当晶片用于集成电路制造时，通常采用抛光工艺，且提供该抛光工艺以除去可能已经损害晶片的平坦表面的任何划痕或擦伤。本领域中已知的标准抛光材料和方法即足够。
本发明的切割浆料组合物可包含杀生物剂。该杀生物剂可包含任何合适的杀生物剂，基本上由任何合适的杀生物剂组成，或者由任何合适的杀生物剂组成。例如，合适的杀生物剂包括亚氯酸钠、次氯酸钠、氯化四甲基铵、氯化四乙基铵、氯化四丙基铵、氯化烷基苄基二甲基铵、氢氧化烷基苄基二甲基铵、以及异噻唑啉酮。该上下文中所使用的优选杀生物剂为异噻唑啉酮。熟练技术人员应认识到抛光组合物中杀生物剂的量取决于所采用的具体杀生物化合物。为了说明目的，异噻唑啉酮可以1ppm至500ppm，例如10ppm至100ppm，例如20ppm至50ppm的浓度使用。
以下实施例以及上文所提供的描述仅是为了说明性目的，而非意在以任何方式限制本发明的范围。本领域技术人员应理解，在不背离本发明的范围及精神的情况下，可对本文所包括的实施例及所描述的实施方式进行修改。除非另有说明，否则本文中所列的所有化学品均得自St.Louis，MO的Sigma-Aldrich。
实施例
实施例1.该实施例说明不同的切割浆料组合物对线锯在硅梨晶上的切割性能的影响。
如下制备各种切割浆料介质：
1.乙二醇(EG)-对照介质
2.0.2％(重量/重量)聚丙烯酸，Mv为约1250K(PAA1250K)
3.0.35％(重量/重量)黄原胶(XG)
4.0.5％(重量/重量)羟乙基纤维素，Mv为约1300K(HEC)
5.5％(重量/重量)聚乙烯吡咯烷90K(PVP 90K)
用去离子水(比电导率≤0.4×10-7S/m)制备含水浆料介质(即刚刚描述的介质2-5)。在7.0的pH、400秒-1的剪切速率及25℃下，对于各增稠剂，浆料介质分别具有以下粘度测量结果：(A)EG，14.0cP；(B)PAA125K，24.0cP；(C)XG，17.2cP；(D)HEC，14.3cP；及(E)PVP 90K，14.3cP。这些测量结果是使用Ares流体流变仪(Rheometric Scientific Inc.，Piscataway，NJ)及Orion3 STAR pH计(Thermo Electron Corporation)获得的。
通过向各浆料介质的每一种中添加1∶1重量比的α-碳化硅(SiC)而形成混合物，即每种混合物具有50重量％的SiC。切割浆料中所使用的α-碳化硅购自Tianjin Peng Zhan Chemcial Import-Export Co.，Ltd.(中国天津)。如通过Horiba LA-910粒度分布分析仪(Horiba，Ltd.)所测量的，切割浆料中所使用的α-碳化硅颗粒的平均粒度(Dv(50％))为10.6μm。
将各切割浆料与单线锯和安装在其上的0.2mm不锈钢切割线(MTICorporation Richmond，CA的SXJ-2型)一起使用。随后采用切割装置从具有约490mm2的切割面积尺寸的结晶硅梨晶上切割晶片。切割速率(mm2/min)记录如下：
  切割浆料   切割速率(mm2/min)   平均速率   与对照物之差(％)
  SiC/EG-对照物一式两份   5555 55 不适用
  SiC/PAA 125K   41   41   -25
  SiC/XG一式两份   6167 64 16
  SiC/HEC一式两份   6361 62 13
  SiC/PVP 90K   43   43   -22
结果表明，相对于对照物即不含增稠剂的SiC/乙二醇切割浆料组合物，当SiC/含水切割浆料组合物中包含0.35％XG或0.5％HEC时，切割速率增加13％至16％。另外，当切割浆料介质含有剪切增稠的添加剂(例如，PVP 90K)时，相对于对照物，切割速率降低。PAA 1250K多价分散剂也未能提供提高的切割速率。分散剂通常被加入以吸附到研磨剂颗粒上且通过添加电荷而使浆料稳定并因而成为阻碍团聚的空间阻隔物。然而，在本申请中，较重的SiC颗粒或其团聚体仍沉降出来并且切割速率低于EG对照物。这些结果表明，赋予剪切变稀的增稠剂提供改善的切割性能。
实施例2.该实施例说明用于比较的本发明的切割浆料组合物的一个实施方式的胶体稳定性。
制备如下三种不同的切割浆料组合物，每种均含有50％(重量/重量)SiC：
1.乙二醇(EG)，如实施例1中所述。
2.聚乙二醇(PEG)(MW为约300)
3.0.35％黄原胶(XG)，如实施例1中所述。
将三种切割浆料组合物分别置于三个100毫升量筒中并在10天的时间内观察所含研磨剂颗粒即SiC研磨剂颗粒的沉降程度。观察到的沉降速率越慢表明胶体的稳定性程度越高。记录相对于量筒内含有SiC的浆料介质的液面的沉积程度。尽管量筒上的标记表示以毫升计的体积，但沉降高度以任意单位(a.u.)表示。
记录在第0、1、3.5、7和10天时SiC颗粒的沉积，且数据示于图2的图中。如图2所示，看到在第1天内不具有增稠剂的对照EG切割浆料的胶体稳定性大幅下降，沉降高度水平刚好超过-15a.u.。在第3.5天时观察到，对照EG切割浆料到达底部且其沉降高度在-40与-45a.u.之间，在其余观测点处该深度保持不变。PEG-300切割浆料相对于对照物显示出放慢的沉降速率，其中SiC在第1天中仅沉降-3a.u.，到第3.5天时沉降-13a.u.，到第7天时沉降-25a.u.且到第10天时沉降-40a.u.。含有0.35重量％XG的SiC/含水切割浆料在所观察的整个10天内维持其全部高度，即在10天实验期间内未检测到SiC的沉降高度的下降。
观察到包含0.35％XG的含水浆料介质中SiC研磨剂颗粒没有沉降，这与高度的稳定性是一致的，从而使试剂的储存寿命延长到至少30天而没有研磨剂的明显沉降。
实施例3.该实施例说明切割线与研磨剂颗粒之间的静电吸引。
本实验采用具有50重量％的SiC且用缓冲剂处理至pH为7.0的切割浆料组合物。选择落在SiC研磨剂颗粒的等电点(IEP)与钢切割线的IEP之间的pH，从而在研磨剂和线上产生相反的电荷。因此，在比SiC的IEP高约4-5个pH单位的pH7下，SiC研磨剂颗粒带上负电。另外，在pH7下，钢切割线的表面带上正电。因而，带负电的SiC颗粒被吸引到钢切割线的带正电的表面。
上述静电表面特性导致SiC研磨剂颗粒与钢线之间的吸引力，且导致形成原位固定研磨剂线。
实施例4.该实施例说明通过施加涂层改变表面处的净电荷的方法。
用聚乙烯亚胺(PEI)喷涂钢切割线。PEI具有容易干燥并固定到表面上从而在pH7下提供正的表面净电荷的特性。在相同的pH下，SiC研磨剂颗粒的表面带上负电。因此，使该钢线与如实施例1所述的SiC/XG切割浆料接触导致大部分SiC颗粒被吸引到切割线上，从而形成原位固定研磨剂线。
实施例5.该实施例说明一种在使用线锯对硅梨晶进行切片期间将研磨剂颗粒从切割浆料中以静电方式吸引到切割线上的方法。
在硅梨晶切割工艺中采用标准线锯，例如得自MTI Corporation(Richmond，CA)的SXJ-2型。SXJ-2线锯具有0-5毫米/秒的线行进速度能力和0-1295rpm的旋转速度能力。将作为切割线的标准线例如购自MTICorporation的不锈钢线与SXJ-2线锯一起使用。该不锈钢线的直径为200μm且长度为840mm。另外，用聚乙烯亚胺(PEI)喷涂该不锈钢线以在线锯的操作期间获得带正电的切割线表面。
通过将去离子水与10重量％α-碳化硅组合而制备切割浆料并将pH调节至7.0。切割浆料中所使用的α-碳化硅购自Tianjin Peng Zhan ChemcialImport-Export Co.，Ltd。如通过Horiba LA-910粒度分布分析仪(Horiba，Ltd.)所测量的，该切割浆料中所使用的α-碳化硅颗粒的平均粒度(Dv(50％))为10.6μm。用去离子水制备含水浆料。用对照标准缓冲水溶液校准的标准pH计进行所有的pH测量。
在SXJ-2线锯的操作期间，将切割线速度设定为4米/秒。另外，监测切割线张力并在整个切割工艺中对其进行调节。使用标准蠕动泵以30毫升/分钟的速率将切割浆料加到硅梨晶及切割线上。在其加料期间对切割浆料pH的控制支配着α-碳化硅颗粒的表面电荷。在pH7下，α-碳化硅颗粒带负电，不锈钢线上的PEI涂层具有正的净电荷。所述带相反电荷的表面使得α-碳化硅颗粒被吸引到切割线上。这些静电表面吸引力导致形成原位固定研磨剂线。
与目前的标准线切割方法相比，操控切割线与切割浆料组合物中所包含的研磨剂颗粒之间的静电吸引力导致在切片期间所需的研磨剂颗粒的量减少，切割时间更短且晶片表面更光滑，为了获得最终产品，所述更光滑的晶片表面所需要的研磨和抛光更少。
实施例6.该实施例说明一种在使用线锯对硅梨晶进行切片期间将研磨剂颗粒从切割浆料中以磁的方式吸引到切割线上的方法。
采用如本文实施例5中所述的与标准不锈钢线组合的标准线锯。
通过将去离子水与10重量％磁性铁素体粉末组合而制备切割浆料。用去离子水(比电导率≤0.4×10-7S/m)制备含水浆料。在SXJ-2线锯的操作期间，将切割线速度设定为4米/秒。另外，监测切割线张力并在整个切割工艺中对其进行调节。
如实施例5中所述，使用标准蠕动泵以30毫升/分钟的速率将切割浆料加到硅梨晶和切割线上。在硅梨晶的切割期间，磁性铁素体颗粒被吸引到钢切割线上。该磁性吸引力导致形成原位固定研磨剂线。
与目前的标准线切割方法相比，切割线与研磨剂颗粒之间的磁力导致在切片期间所需的研磨剂颗粒的量减少，切割时间更短，且晶片表面更光滑，为了获得最终产品，所述更光滑的晶片表面所需要的研磨和抛光更少。
实施例7.该实施例说明一种在使用线锯对硅梨晶进行切片期间将研磨剂颗粒从切割浆料中以电的方式吸引到施加了偏压的切割线上的方法。
采用如本文实施例5中所述的与标准不锈钢线组合的标准线锯。
通过将去离子水与10重量％α-碳化硅组合而制备切割浆料。用去离子水(比电导率≤0.4×10-7S/m)制备含水浆料。切割浆料中所使用的α-碳化硅购自Tianjin Peng Zhan Chemcial Import-Export Co.，Ltd。如通过Horiba LA-910粒度分布分析仪所测量的，该切割浆料中所使用的α-碳化硅颗粒的平均粒度(Dv(50％))为10.6μm。
在SXJ-2线锯的操作期间，将切割线速度设定为4米/秒。另外，监测切割线张力并在整个切割工艺中对其进行调节。如实施例5中所述，使用蠕动泵以30毫升/分钟的速率将切割浆料加到硅梨晶和切割线上。在硅梨晶的切割期间，使用DC电路将与α-碳化硅颗粒相反的电势施加到不锈钢切割线上。通常施加低的电压，例如1伏特至20伏特。然而，可对该电压进行调节以使所需切割性能最优化。
α-碳化硅颗粒被吸引到施加了偏压的不锈钢切割线上，这导致形成原位固定研磨剂线。
与目前的标准线切割方法相比，施加了偏压的切割线与切割颗粒之间的吸引力导致在切片期间所需的研磨剂颗粒的量减少，切割时间更短，且晶片表面更光滑，为了获得最终产品，所述更光滑的晶片表面所需要的研磨和抛光更少。
实施例8.该实施例说明其中使用黄原胶(XG)作为增稠剂的切割浆料中不同研磨剂的影响。
制备0.3％XG的水溶液并调节至pH8.0。向该溶液中添加三种不同研磨剂的每一种至最终浓度为50％(以重量计)。所述研磨剂为α-碳化硅(SiC，Tianjin Peng Zhan Chemcial Import-Export Co.，Ltd)、碳化硼(B4C，UKAbrasives，Northbrook，IL)及α-氧化铝(AA，Saint-Gobain)。如通过HoribaLA-910粒度分布分析仪(Horiba，Ltd.)所测量的，上述研磨剂颗粒的平均粒度(Dv(50％))为10-11μm。
将各切割浆料介质与单线锯和在其上安装的0.2mm不锈钢切割线(MTICorporation Richmond，CA的SXJ-2型)一起使用。随后使用切割装置从具有约490mm2的切割面积尺寸的结晶硅梨晶切割晶片。切割速率(mm2/min)记录如下：
切割浆料   研磨剂的绝对硬度   切割速率(mm2/min)   平均速率   与对照物之差(％)
  SiC/XG-对照物一式两份 1000   8589 87 不适用
  B4C/XG一式两份 1120   113114 113.5 +30
  AA/XG   400   37   37   -57
还使用这些数据产生使用不同切割浆料的切割速率随着各切割浆料中所包含的研磨剂颗粒的绝对硬度的变化的图。在图3中可以看出，该图和所用研磨剂颗粒的硬度与使用本发明的方法及材料的切割速率之间的线性关是一致的。
结果表明，通过使用B4C，切割速率增加30％，但使用AA时，切割速率下降57％。B4C的莫氏硬度值高于SiC，而SiC的莫氏硬度值高于AA的莫氏硬度值。
为了进一步确定硬度小于AA的研磨剂颗粒的性能，采用二氧化硅(SiO2)颗粒。在该实施例中所描述的条件下对包含SiO2研磨剂颗粒并含有增稠剂的切割浆料以及包含SiO2研磨剂颗粒并且不含增稠剂的切割浆料进行试验(数据未示出)。不存在对硅梨晶的明显切割。然而，由于图3中所图示的切割速率与所用研磨剂颗粒的硬度之间的线性关系，本文所公开的方法可使用比SiO2硬但比AA软的研磨剂颗粒切割硅梨晶。
该实验说明具有SiO2的硬度或更低硬度的研磨剂颗粒未有效地切割硅梨晶。由于图3中所示的硬度与切割速率之间的经证实的线性关系，可以看到，硬度大于SiO2的研磨剂颗粒被表明提供对硅梨晶的切割，并且切割速率随着所用研磨剂颗粒的硬度的增大而增加。显然，硬度约为AA的硬度和更高的研磨剂颗粒会容易地切割硅梨晶。使用具有从AA的硬度开始逐渐降低的硬度的研磨剂颗粒时，切割速率降低，直至使用具有二氧化硅的硬度及更低的硬度的研磨剂颗粒不能再观察到这样的切割。
实施例9.该实施例说明不同的切割浆料在切割操作期间对线磨损的影响。
制备两种不同的切割浆料。第一种切割浆料含有在去离子水中的0.3％的黄原胶(XG)且将其pH调节至8.0。第二种切割浆料含有分子量为300的聚乙二醇(PEG)。以1∶1(重量)的比率将碳化硅研磨剂颗粒添加至各浆料中。然后将这些浆料与上述SXJ-2单线锯一起用于切割具有约490mm2的切割面积尺寸的结晶硅梨晶。
对于每个试验都安装初始直径为197μm的新线(长度为85cm)。使切割工艺连续运行，在硅梨晶中连续制作切片直至线无效或断裂。在各切片步骤完成后测量线直径。结果示于下表中：
  切割浆料   初始线直径(μm)   第1次切割后的直径(μm) 第2次切割后的直径(μm)   第3次切割后的直径(μm)  第4次切割后的直径(μm)
  SiC/XG   197   186   153   135  断裂
SiC/PEG 197 159   72(在三次试验中有两次测试线发生断裂) NA NA
结果表明，使用基于XG的切割浆料与在线失效前进行至少3次完整的切割相关联。相比之下，使用基于PEG的浆料，切割线通常在第二次切割梨晶的中途失效。
工业应用
本发明的有利应用在于改善线锯切割效率，通过减少锯切期间所需的研磨剂颗粒的量而降低切割浆料的成本，实现更短的切割时间，并获得更光滑晶片表面，为了获得最终产品，所述更光滑的晶片表面所需要的研磨和抛光更少。

Claims (20)

1.用线锯切割基材的方法，包括以下步骤：
(a)提供切割线；和
(b)将切割浆料组合物施加到所述切割线上，所述切割浆料组合物包含载流体和具有大于100的绝对硬度的研磨剂颗粒；和
(c)通过下列方式增加所述研磨剂颗粒与所述切割线的缔合：
(i)添加赋予所述切割浆料组合物剪切变稀的增稠剂，或
(ii)在所述线与所述研磨剂颗粒之间形成电吸引力或磁吸引力，或
(i)与(ii)的组合。
2.权利要求1的方法，其中对所述线施加电偏压。
3.权利要求1的方法，其中所述线包括涂层。
4.权利要求1的方法，其中所述载流体是水性的。
5.权利要求1的方法，其中所述增稠剂包括选自如下的材料：黄原胶(XG)、羟乙基纤维素(HEC)、瓜尔胶、淀粉、纤维素、以及甲氧基乙基纤维素。
6.权利要求3的方法，其中所述切割浆料组合物具有不等于所述研磨剂颗粒或所述涂层的等电点(IEP)的pH。
7.切割基材的方法，包括以下步骤：
(a)提供包括切割线的线锯；
(b)将切割浆料组合物施加到所述切割线上；
(c)使所述基材的表面与所述切割线接触；和
(d)与切割动作一致地操控所述切割线与所述表面的相对定位；
其中(i)所述切割浆料组合物包含研磨剂颗粒；和(ii)所述研磨剂颗粒被以电的方式或磁的方式吸引到所述切割线上。
8.权利要求7的方法，其中对所述切割线施加电偏压。
9.权利要求7的方法，其中所述切割线是磁性的。
10.权利要求7的方法，其中所述切割线具有涂层。
11.权利要求10的方法，其中所述涂层包括蜡、聚合物、以空间方式附着的研磨剂颗粒、磁性材料、以磁的方式附着的研磨剂颗粒、或者以静电方式附着的研磨剂颗粒。
12.权利要求11的方法，其中所述切割浆料组合物具有不等于所述研磨剂颗粒、涂层或所述线的等电点(IEP)的pH。
13.用线锯切割基材的方法，包括以下步骤：
(a)提供切割线；和
(b)将切割浆料组合物施加到所述切割线上，所述切割浆料组合物包含载流体、研磨剂颗粒以及赋予所述切割浆料组合物剪切变稀的增稠剂；
其中所述研磨剂颗粒具有大于100的绝对硬度。
14.权利要求13的方法，其中所述增稠剂包括选自如下的材料：黄原胶(XG)、羟乙基纤维素(HEC)、瓜尔胶、淀粉、纤维素、以及甲氧基乙基纤维素。
15.权利要求13的方法，其中所述研磨剂颗粒以10重量％至80重量％的量存在。
16.权利要求13的方法，其中所述基材为硅。
17.权利要求13的方法，其中所述切割浆料组合物包含0.1重量％至0.7重量％的黄原胶(XG)。
18.权利要求13的方法，其中所述切割浆料组合物包含0.2重量％至0.4重量％的黄原胶(XG)。
19.权利要求13的方法，其中所述切割浆料组合物包含0.1重量％至0.7重量％的羟乙基纤维素(HEC)。
20.权利要求13的方法，其中所述研磨剂颗粒为碳化硅。
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