CN112192459B

CN112192459B - 一种适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺

Info

Publication number: CN112192459B
Application number: CN202011058121.3A
Authority: CN
Inventors: 詹宝华; 李坤堂
Original assignee: Suzhou Weidu New Material Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Weidu New Material Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN112192459A

Abstract

本发明公开了一种适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺，该金刚石线锯由金刚石磨粒、母线钢丝和镀层组成，其制备工艺包括准备材料、母线前处理、芯线预镀、复合上砂、磨粒固结、钢线螺旋化、干燥及收线等步骤；本发明制备的金刚石线锯，其母线钢丝直径为0.04mm‑0.14mm，金刚石磨粒粒径选用D50=5μm‑6.5μm，镀层厚度△=1.8μm‑3μm，螺旋结构的波高H=1d‑5d，波长L=1cm‑5cm，适用于8寸以上半导体晶圆切割；不仅减少断丝率，减少表面损伤层、线痕及碎片率，有效提高钢线的排屑能力，减少切割过程中的异常，而且切割效率提升，提高晶圆表面质量，具有良好的经济及实用价值。

Description

一种适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺

技术领域

本发明涉及一种适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺。

背景技术

通过电沉积的方法把金刚石磨料固结在钢丝上制备成一种锯齿状的线切割工具，简称“金刚石线锯”。金刚石线锯最显著的优点是切割效率高，比传统的直丝砂浆切割效率高3-5倍，广泛用于硅片、蓝宝石、半导体及磁材等非金属脆硬材料的切割。其中，半导体材料价值昂贵，且市场需求日益增加，金刚线切割能数倍提升其生产切割效率，获得更高效益。

目前，半导体行业已经逐步从砂浆切割改为金刚线切割，4寸-6寸晶圆已经能稳定使用金刚线切割，但是8寸及以上的半导体晶圆依然只能用砂浆切割。这是由于大尺寸半导体晶圆用金刚线切割存在有以下问题：1)金刚线的磨粒固定在钢线上，金刚石的硬度非常高，切割方式为切削，容易给晶圆表面造成较深的损伤层；而砂浆切割磨粒为游离态，切割方式为磨削，损伤层较浅；损伤层较深意味着后期的抛磨较多，原材料的损失和工时的损失较大。2)切割时切掉的硅粉或脱落的金刚石需要及时排出，大尺寸的晶圆排屑更难，如果硅粉或金刚石没有及时排出，影响切割能力，增加切割时长，并且晶圆表面造成线痕等异常。3)半导体晶圆的弹性系数较低，使用目前金刚线切割时容易造成隐裂或碎片，造成较大损失。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺，通过优化金刚线原材料组合，并对金刚石线锯进行螺旋处理，从而减少断丝率，减少表面损伤层、线痕及碎片率，有效提高钢线的排屑能力，减少切割过程中的异常。具体技术方案如下：

一种适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺，该金刚石线锯由金刚石磨粒、母线钢丝和镀层组成，其制备工艺包括如下步骤：

1)准备材料：选择直径合适的钢丝作为金刚石线锯的母线；选择粒径合适的金刚石微粉作为金刚石线锯的金刚石磨粒；并准备好用于镀镍处理的镀液体系；

2)母线前处理：将准备的金刚石线锯母线经氢氧化钠溶液、氨基磺酸溶液以及水洗水进行前处理，获得到表面清洁的金刚石线锯芯线；

3)芯线预镀：表面前处理干净的金刚石线锯芯线在准备的镀液体系中进行沉积预镀镍层，获得预镀母线；

4)复合上砂：将准备的金刚石微粉悬浊分散于准备的镀液体系中，通过电镀镍把金刚石微粉复合上砂到预镀母线上作为金刚石线锯的磨粒，获得金刚石砂线；

5)磨粒固结：在准备的镀液体系中，在复合上砂获得金刚石砂线上再镀一层镍来固结金刚石磨粒，使其不脱落，从而获得金刚石线锯钢线；

6)钢线螺旋化：将磨粒固结后的金刚石线锯钢线通过螺旋装置使其螺旋化，获得螺旋金刚石线；并通过调整螺旋装置导轮的直径大小和螺纹间距来调整螺旋金刚石线的波高和波长；

7)干燥：通过风刀吹干螺旋金刚石线表面的水分，再通过加热装置进一步烘干干燥，获得金刚石线锯；

8)收线：将干燥的金刚石线锯按规定的张力和绕线间距，绕在工字轮上，即得到适合大尺寸半导体切割金刚石线锯。

作为优选的技术方案的，步骤1)中，所述钢丝的直径为0.04mm～0.14mm；所述金刚石微粉的粒径为D50＝5μm～6.5μm；所述镀镍处理的镀液体系均为氨基磺酸镍电镀镍体系。

作为优选的技术方案的，步骤2)中，所述母线前处理为将金刚石线锯母线依次经过氢氧化钠溶液→水洗水→氨基磺酸溶液→水洗水进行清洗处理，获得到表面清洁的金刚石线锯芯线；所述氢氧化钠溶液浓度为60g/L，处理温度为60±5℃；所述氨基磺酸溶液浓度为40g/L，处理温度为40±5℃。

作为优选的技术方案的，步骤3)中，所述沉积预镀镍层，芯线走速为30m/min，镀液的镍离子浓度120±5g/L，硼酸浓度40±2g/L，温度55±2℃，pH＝3.6～4.0，电流控制为1.6A；所述预镀镍层的厚度为△＝0.3μm。

作为优选的技术方案的，步骤4)中，所述复合上砂，预镀母线的走速为30m/min，镀液的镍离子浓度100±5g/L，硼酸浓度35±2g/L，温度55±2℃，pH＝4.2～4.6，电流4.5A；上砂的镀层厚度为△＝0.8μm。

作为优选的技术方案的，步骤5)中，所述磨粒固结，金刚石砂线的走速为30m/min，镀液的镍离子浓度100±5g/L，硼酸浓度35±2g/L，温度55±2℃，pH＝3.6～4.0，电流7.5A；固结的镀层厚度为△＝1.3μm。

作为优选的技术方案的，步骤6)中，所述钢线螺旋化所使用的螺旋装置包括一螺旋导轮和设设置在该螺旋导轮两端的两个过线轮；所述螺旋导轮包括螺纹棍，所述螺纹棍两端均通过轴承和挡圈固定在轴承座上；金刚石线锯钢线经螺旋导轮一端的过线轮输入螺旋导轮的螺纹棍缠绕螺旋化后再经另一端的过线轮输出，获得螺旋金刚石线。

优选地，所述螺旋金刚石线螺旋结构的波高H＝1d～5d，波长L＝1cm～5cm。

作为优选的技术方案的，步骤7)中，所述加热装置烘干的干燥温度为180℃。

作为优选的技术方案的，步骤8)中，所述收线绕在工字轮上的张力为10N～15N，绕线间距为0.6mm～1.8mm；所述得到的适合大尺寸半导体切割金刚石线锯的外径为132±2μm

本发明的有益效果是：

(1)采用本发明工艺制备的金刚线切割大尺寸半导体晶圆，适用于8寸以上半导体晶圆切割；切割时长为3h/刀，砂浆切割为12h/刀，切割效率提升4倍。

(2)本发明金刚线使用的母线直径为0.04mm-0.14mm，破断40N-55N，破断大断丝率低，可以满足目前普遍在用的切片机，且不需重新改造或购买新的设备，降低客户成本。

(3)本发明金刚线所使用的金刚石平均直径为5μm～6.5μm，而砂浆线所使用的碳化硅平均直径为10μm～20μm，金刚石强度和锋利度比碳化硅高的多，因此在达到相同切割力时金刚石尺寸可以很小，切割时线缝更细，损失的硅料较少，降低客户原料成本。

(4)本发明金刚线使用的母线直径为0.04mm～0.14mm，金刚石平均直径为5μm～6.5μm，与目前切8寸以下半导体金刚线(母线0.07mm-0.10mm，金刚石平均直径8μm-12μm)相比，本发明金刚线破断更大，切割过程中断丝率更低。

(5)本发明金刚石粒径更小，切割时冲击力小，表面损伤层更浅，线痕更少，碎片率更低。

(6)8寸以上晶圆价值较高，切应用于高端电子产品，断丝和较深损伤层是不允许的，因此常规配比金刚线无法满足要求，而本发明配比金刚线可以有效解决目前问题。

(7)本发明金刚线螺旋化处理，有效解决传统金刚线排屑能力弱的缺点，从而可以胜任大尺寸半导体的切割，提高切割效率，提升晶圆表面质量，具有良好的经济及实用价值。

附图说明

图1为适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺钢线结构示意图；

图2为适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺钢线螺旋化所使用的螺旋装置示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。具体实施例如下：

实施例1

本实施例是制备适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯；如图1所示，该金刚石线锯由金刚石磨粒、母线钢丝和镀层组成，本实施例是使用120um基体钢丝配合D50＝6um的金刚石微粉生产电镀金刚线，其制备工艺包括如下步骤：

1)准备材料：选用D50＝6μm的镀镍金刚石微粉，镍增重为40％；母线钢丝直径为120μm；并准备好用于镀镍处理的镀液。

2)母线前处理：母线钢丝分别经过60±5℃的60g/L氢氧化钠溶液、水洗水、40±5℃的40g/L氨基磺酸溶液以及水洗水处理，得到表面清洁的芯线；

3)母线预镀：前处理干净的钢丝在氨基磺酸镍电镀镍体系中沉积预镀镍层，镀层厚度0.3μm，走速30m/min，镍离子浓度120±5g/L，硼酸浓度40±2g/L，温度55±2℃，pH＝3.6～4.0，电流1.6A。

4)复合上砂：在氨基磺酸镍镀镍体系中，D50＝6um的金刚石悬浊分散于镀液中，通过电镀镍把金刚石复合上砂到母线上，镀层厚度0.8μm，走速30m/min，镍离子浓度100±5g/L，硼酸浓度35±2g/L，温度55±2℃，pH＝4.2～4.6，电流4.5A。

5)磨粒固结：在氨基磺酸镍镀镍体系中，上砂后再镀一层镍来固结金刚石，使其不脱落，镀层厚度1.3um，走速30m/min，镍离子浓度100±5g/L，硼酸浓度35±2g/L，温度55±2℃，pH＝3.6～4.0，电流7.5A。

6)钢线螺旋化：钢丝通过一组特殊设计的螺旋导轮使其螺旋化，如图2所示，通过调整螺旋导轮的直径大小来调整波高，通过调整导轮的螺纹间距来调整波长。所述钢线螺旋化所使用的螺旋装置，如图2所示，包括一螺旋导轮和设设置在该螺旋导轮两端的两个过线轮；所述螺旋导轮包括螺纹棍，所述螺纹棍两端均通过轴承和挡圈固定在轴承座上；金刚石线锯钢线经螺旋导轮一端的过线轮输入螺旋导轮的螺纹棍缠绕螺旋化后再经另一端的过线轮输出，获得螺旋金刚石线。

7)干燥：通过风刀吹干表面的水，通过加热装置(温度180℃)烘干钢丝。

8)收线：将干燥的金刚石线锯按规定的张力(10N～15N)、绕线间距(0.6mm～1.8mm)绕在客户指定的工字轮上，即得到外径为132±2μm的适合大尺寸半导体切割金刚石线锯。

实施例2

本实施例也是制备适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯，与实施例1不同之处在于，该金刚石线锯的母线为直径140μm钢丝，所用金刚石粉粒径为D50＝5.0μm。其它步骤均同实施例1，所得成品电镀金刚线规格为150±2μm。

实施例3

本实施例还是制备适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯，与实施例1不同之处在于，芯线为直径130μm钢丝，所用金刚石粉粒径为D50＝6.5μm。其它步骤均同实施例1，所得成品电镀金刚线规格为143±2μm。

实施例4对比例

本实施例是取实施例1～3制备的金刚石线锯测定其切割性能，包括破断力，断丝率和损伤层厚度，同时采用砂浆线和常规的金刚石线作对比，结果如表1所示：

表1.各线锯切割性能测试结果

测试项目	砂浆线	实施例1	实施例2	实施例3	常规的金刚石线
						母线直径(μm)	115	120	140	130	70
磨料粒径D50(μm)	25	6	5	6.5	8.5
						磨粒形态	游离态	固结态	固结态	固结态	固结态
等效外径(μm)	165	132	150	143	85
						破断力(N)	36	38	54	40	18
断丝率(％)	1	0.8	0.5	0.6	50
						损伤层厚度(μm)	10	8	6	7	25

由上表可知，常规金刚石线破断较低，切割大尺寸晶圆时断丝率高于50％，损伤层高达25μm，无法使用；砂浆线磨粒为游离态，切割时为磨削，切割时间12h/刀；而本发明金刚线磨粒为固结态，切割时为切削，切割力强，切割时间3h/刀，切割效率提升4倍。而且本发明金刚线破断力为40～55N，高于砂浆线的36N，且有镀层保护母线，断丝率低于砂浆线。此外，本发明金刚石线的等效外径为130～155μm，砂浆线等效外径165μm，切割时线缝更细，单刀多出片10片以上。同时，本非买那个金刚石线采用D50＝5～5.5μm的金刚石，粒径很小，切割损伤层低于砂浆线。通过综合对比，此金刚石线比传统砂浆线切割成本降低80％左右。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种适合大尺寸半导体切割的金刚石线锯制备工艺，其特征在于：该金刚石线锯由金刚石磨粒、母线钢丝和镀层组成，其制备工艺包括如下步骤：

1）准备材料：选择直径为0.12mm～0.14mm的钢丝作为金刚石线锯的母线；选择粒径为D50=5μm～6μm的金刚石微粉作为金刚石线锯的金刚石磨粒；并准备好氨基磺酸镍电镀镍体系用于镀镍处理；

2）母线前处理：将准备的金刚石线锯母线经氢氧化钠溶液、氨基磺酸溶液以及水洗水进行前处理，获得到表面清洁的金刚石线锯芯线；所述母线前处理为将金刚石线锯母线依次经过氢氧化钠溶液→水洗水→氨基磺酸溶液→水洗水进行清洗处理，获得到表面清洁的金刚石线锯芯线；所述氢氧化钠溶液浓度为60g/L，处理温度为60±5℃；所述氨基磺酸溶液浓度为40g/L，处理温度为40±5℃；

3）芯线预镀：表面前处理干净的金刚石线锯芯线在准备的镀液体系中进行沉积预镀镍层，获得预镀母线；所述沉积预镀镍层，芯线走速为30m/min，镀液的镍离子浓度120±5g/L，硼酸浓度40±2g/L，温度55±2℃，pH=3.6～4.0，电流控制为1.6A；所述预镀镍层的厚度为0.3μm；

4）复合上砂：将准备的金刚石微粉悬浊分散于准备的镀液体系中，通过电镀镍把金刚石微粉复合上砂到预镀母线上作为金刚石线锯的磨粒，获得金刚石砂线；所述复合上砂，预镀母线的走速为30m/min，镀液的镍离子浓度100±5g/L，硼酸浓度35±2g/L，温度55±2℃，pH=4.2～4.6，电流4.5A；上砂的镀层厚度为0.8μm；

5）磨粒固结：在准备的镀液体系中，在复合上砂获得金刚石砂线上再镀一层镍来固结金刚石磨粒，使其不脱落，从而获得金刚石线锯钢线；所述磨粒固结，金刚石砂线的走速为30m/min，镀液的镍离子浓度100±5g/L，硼酸浓度35±2g/L，温度55±2℃，pH=3.6～4.0，电流7.5A；固结的镀层厚度为1.3μm；

6）钢线螺旋化：将磨粒固结后的金刚石线锯钢线通过螺旋装置使其螺旋化，获得螺旋金刚石线；并通过调整螺旋装置导轮的直径大小和螺纹间距来调整螺旋金刚石线的波高和波长；

所述钢线螺旋化所使用的螺旋装置包括一螺旋导轮和设置在该螺旋导轮两端的两个过线轮；所述螺旋导轮包括螺纹辊，所述螺纹辊两端均通过轴承和挡圈固定在轴承座上；金刚石线锯钢线经螺旋导轮一端的过线轮输入螺旋导轮的螺纹辊缠绕螺旋化后再经另一端的过线轮输出，获得螺旋金刚石线；所述螺旋金刚石线螺旋结构的波高H=1d～5d，波长L=1cm～5cm；

7）干燥：通过风刀吹干螺旋金刚石线表面的水分，再通过加热装置进一步烘干干燥，获得金刚石线锯；所述加热装置烘干的干燥温度为180℃

8）收线：将干燥的金刚石线锯按规定的张力和绕线间距，绕在工字轮上，即得到适合大尺寸半导体切割金刚石线锯，收线绕在工字轮上的张力为10N～15N，绕线间距为0.6mm～1.8mm，得到的适合大尺寸半导体切割金刚石线锯的外径为132±2μm。