CN112201599A - 一种多刀晶圆劈裂装置及裂片加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多刀晶圆劈裂装置及裂片加工方法，装置包括支撑加工台、吸附机构、加工单元、视觉检测单元和控制单元，加工单元包括裂片头支架、多个裂片刀头、刀头紧固装置和升降阀。控制单元通过视觉检测单元检测的信息判断并控制旋转机构的旋转角度、晶圆装夹机构的夹持力、裂片刀头的选择、升降阀的高度、以及判断和控制裂片加工状态。方法包括初加工晶圆预处理、晶圆装夹定位、刀头选定、晶圆裂片、换向裂片等步骤，直至整个晶圆完成裂片。本裂片装置采用多个裂片刀头，裂片刀头施压过程中不会触碰到晶圆正面，且整条切割道受力均匀，不易产生崩边等缺陷，保证了成品率，此外，装置由软件自动选择裂片刀头，提高了加工效率。

Description

一种多刀晶圆劈裂装置及裂片加工方法
技术领域
本发明涉及晶圆裂片技术，具体涉及一种多刀晶圆劈裂装置及裂片加工方法。
背景技术
现有的晶圆加工技术，晶圆裂片工艺是把预先切割好的覆膜晶圆放在加工位，预先切割可以通过激光切割或是刀具切割方法。晶圆本身放在专用的薄膜上，这个是通过晶圆覆膜机实现的。覆膜晶圆放在砧板上，平台提升通过膜的张力对已经切割的晶圆道施加外力，使晶圆延切割道裂开，再将扩张开的晶圆进行固定，裂片和扩片在同一步骤完成。
由于激光切割工艺的不一致性，原有的扩片工艺只能适用于切割效果非常好的晶圆，否则扩片机只能施加横向膜拉力，扩片后有大量晶粒不能裂开，扩片效率低，造成产率降低成本增加。
由于扩片裂片方法效率低，通过专用裂片机进行裂片操作，裂片机包括用于夹持的底座和用于劈裂的劈刀，在裂片工艺中，利用裂片刀对准晶圆切割道施加冲击，使晶圆裂开，如专利文献CN 105280529 B公开的分段式劈裂刀装置。
然而，传统裂片机裂片时，由于在不同位置，晶圆切割道长度不同，越靠近边缘，晶圆的径向切割道长度越小，越靠近圆心，径向切割道长度越大。劈刀的长度需要略大于晶圆的直径才能生产，这样就导致劈裂远离圆心的切割道时，劈刀会与绷膜框发生碰撞无法与晶圆接触进行裂片。为了避免这一问题必须增大绷膜框的内径，如行业内一般采用12寸的绷膜框承载6寸的晶圆，裂片前需要将6寸的晶圆转移至12寸的绷膜框上，工艺繁琐，对用于粘附晶圆的薄膜也是极大的浪费。
综上，现有的晶圆裂片工艺控制还不够完善，如晶圆厚度不均等导致崩边、双胞等不良品，因此，亟需一种新的加工工艺。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多刀晶圆劈裂装置及裂片加工方法，其能解决上述问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种晶圆裂片装置，装置包括：支撑加工台，所述支撑加工台包括支撑底座、旋转机构、和晶圆装夹机构，其中所述支撑底座、旋转机构、晶圆装夹机构自下而上依次设置，所述旋转机构自身旋转从而带动所述晶圆装夹机构可控的旋转，所述晶圆装夹机构用于装载和定位晶圆以便于加工。加工单元，所述加工单元整体设置在所述旋转机构和晶圆装夹机构之间，且加工单元包括裂片头支架、裂片刀头、刀头紧固装置和升降阀，所述裂片刀头支架的底面在水平驱动机构的驱动下可控的横向位移以使得选用的裂片刀头正对晶圆凹槽定位，所述裂片头支架的下底面固定至所述旋转机构上，所述裂片刀头、刀头紧固装置和升降阀的个数相等且为多个，多个升降阀间隔的设置在所述裂片头支架底面上，所述刀头紧固装置固定在所述升降阀顶端，且在所述刀头紧固装置的顶端可更换的装夹所述裂片刀头。视觉检测单元，所述视觉检测单元设置在所述晶圆装夹机构的上方和/或下方，用以检测晶圆状态参数。控制单元，所述控制单元与支撑及工台、加工单元和视觉检测单元电讯连接，所述控制单元通过视觉检测单元检测的信息判断并控制旋转机构的旋转角度、晶圆装夹机构的夹持力、裂片刀头的选择、升降阀的高度、以及判断和控制裂片加工状态。
优选的，装置还包括吸附机构，所述吸附机构设置在所述晶圆装夹机构的下方空间，用以使得晶圆贴合在所述晶圆装夹机构上。
优选的，所述旋转机构由电驱动转轴或齿轮传动，从而使得所述晶圆装夹机构可控的双向转过加工夹角α。
优选的，所述加工夹角α＝90°。
优选的，所述晶圆装夹机构包括晶圆的外框压紧固定组件、晶圆的环周侧定位紧固组件和承载晶圆且与晶圆不锈钢框架外径适配的台阶孔台，所述外框压紧固定组件压在所述台阶孔台的外周上表面，所述环周侧定位紧固组件设置在所述台阶孔台的外周侧面上。
优选的，所述吸附机构包括真空管、设置在裂片头支架的多个间隔设置的立柱顶端的吸附台、以及外界的真空源，在每个所述吸附台的上表面开设真空吸附腔，所述吸附台的上表面与所述晶圆装夹机构的台阶孔台的上表面水平设置，所述真空管的上管口与所述真空吸附腔下端的气道密封连接，以此向晶圆装夹机构上表面处提供真空度来吸附晶圆。
优选的，每组裂片刀头、刀头紧固装置和升降阀的相邻间隔距离不同，以此使得装置适于不同凹槽间距的晶圆裂片加工。
优选的，所述相邻间隔距离从一侧依次变宽或变窄，包括但不限于标准间距的1倍、1.2倍、1.5倍、1.8倍、2倍。
优选的，所述真空管为真空软管，加工单元包括四组裂片刀头、刀头紧固装置和升降阀。
优选的，在所述台阶孔台的外周侧开设侧面定位缺口和定位平面。
本发明还提供一种采用上述晶圆裂片装置进行裂片加工的方法，方法包括以下步骤。
a初加工晶圆预处理，准备已经初加工的晶圆，带加工凹槽的面朝上，另一面为底面，在晶圆的底面上贴膜，并连接晶圆外框。
b晶圆装夹定位，把带膜的晶圆放在晶圆装夹机构的台阶孔台上，通过环周侧定位紧固组件定位，再通过外框压紧固定组件向下夹紧。
c刀头选定，通过视觉检测单元检测晶圆的加工凹槽确定切割道，由控制单元控制自动选择对应的裂片刀头。
d晶圆裂片，确定切割道并选定刀头后，控制单元控制升降阀升起裂片刀头进行裂片，并通过视觉检测单元实时监测并反馈裂片是否成功。若成功则进入下一切割道，重复裂片，直至晶圆在一个方向完成裂片加工。若不成功，则停机，人工干预调整参数，直至完成裂片。
e换向裂片，当一个方向裂片完成，控制单元控制旋转机构旋转90度，进行另一个方向的裂片加工，直至整个晶圆完成裂片。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本裂片装置采用四个裂片刀头，可以在晶圆环上实现晶圆0～200mm切割道的裂片，裂片头施压过程中不会触碰到晶圆正面，尤其适于表面有微结构等MEMS或者表面有较脆镀层电路等结构，且整条切割道受力均匀，不易产生崩边等缺陷，保证了成品率；裂片后可无需进行扩片操作，满足特殊加工要求。此外，装置由软件自动根据切割道长度选择裂片头，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明晶圆裂片装置的部分结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为通过装置对晶圆进行裂片加工的示意图；
图4为通过两个方向对晶圆裂片加工的对比示意图；
图5为晶圆裂片加工的工艺流程图。
图中：
1、裂片头支架；
2、真空吸附腔；
3、真空管；
4、裂片刀头；
5、刀头紧固装置；
6、升降阀；
7、吸附台；
8、外框压紧固定组件；
9、环周侧定位紧固组件；
10、台阶孔台。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
一种晶圆裂片装置，参见他1-图5，装置包括支撑加工台、加工单元、吸附机构、视觉检测单元和控制单元(图未示)。
支撑加工台，所述支撑加工台包括支撑底座(图未示)、旋转机构(图未示)、和晶圆装夹机构(参见附图)，其中所述支撑底座、旋转机构、晶圆装夹机构自下而上依次设置，所述旋转机构自身旋转从而带动所述晶圆装夹机构可控的旋转，所述晶圆装夹机构用于装载和定位晶圆以便于加工。
其中支撑底座可以采用现有任意能实现相关功能的机构即可，此处不再详述。
其中，旋转机构由电驱动转轴或齿轮传动，从而使得所述晶圆装夹机构可控的双向转过加工夹角α。所述加工夹角优选为α＝90°。
其中，需要说明的是，旋转机构最终实现的是晶圆和裂片刀头4的相对旋转。
其中，晶圆装夹机构包括晶圆的外框压紧固定组件8、晶圆的环周侧定位紧固组件9和承载晶圆且与晶圆不锈钢框架外径适配的台阶孔台10，所述外框压紧固定组件8压在所述台阶孔台10的外周上表面，所述环周侧定位紧固组件9设置在所述台阶孔台10的外周侧面上。
进一步的，在所述台阶孔台10的外周侧开设侧面定位缺口和定位平面。其中两个侧面定位缺口设置在同一侧面上，且竖直设置，一个定位平面设置在与开设侧面定位缺口的侧面相对的另一侧面上。对应的，环周侧定位紧固组件9包括两个定位立柱和一个定位块，所述定位块通过定位螺栓、腰形孔等方式压紧在台阶孔台10的平面定位侧面上，两个定位立柱竖直的嵌合到两个所述定位缺口上，以此实现台阶孔台10的平面定位。
加工单元，所述加工单元整体设置在所述旋转机构和晶圆装夹机构之间，且加工单元包括裂片头支架1、裂片刀头4、刀头紧固装置5和升降阀6，所述裂片刀头支架1的底面在水平驱动机构的驱动下可控的横向位移以使得选用的裂片刀头4正对晶圆凹槽定位，所述裂片头支架1的下底面固定至所述旋转机构上，所述裂片刀头4、刀头紧固装置5和升降阀6的个数相等且为多个，多个升降阀6间隔的设置在所述裂片头支架1底面上，所述刀头紧固装置5固定在所述升降阀6顶端，且在所述刀头紧固装置5的顶端可更换的装夹所述裂片刀头4。
进一步的，每组裂片刀头4、刀头紧固装置5和升降阀6的相邻间隔距离不同，以此使得装置适于不同凹槽间距的晶圆裂片加工。
进一步的，所述相邻间隔距离从一侧依次变宽或变窄，包括但不限于标准间距的1倍、1.2倍、1.5倍、1.8倍、2倍、3倍、4倍、5倍等。
吸附机构，所述吸附机构设置在所述晶圆装夹机构的下方空间，用以使得晶圆贴合在所述晶圆装夹机构上。具体的，所述吸附机构包括真空管3、设置在裂片头支架1的多个间隔设置的立柱顶端的吸附台7、以及外界的真空源，在每个所述吸附台7的上表面开设真空吸附腔2，所述吸附台7的上表面与所述晶圆装夹机构的台阶孔台10的上表面水平设置，所述真空管3的上管口与所述真空吸附腔2下端的气道密封连接，以此向晶圆装夹机构上表面处提供真空度来吸附晶圆。
进一步的，外接真空源对真空吸附腔2处的真空吸力通过控制单元可调，以适应于不同晶圆的吸附，防止吸力过小无法精确定位，吸力过大破坏晶圆。
视觉检测单元，所述视觉检测单元设置在所述晶圆装夹机构的上方和/或下方，用以检测晶圆状态参数。进一步的，上述视觉检测单元包括CCD相机、平面光源、镜头等。
控制单元，所述控制单元与支撑及工台、加工单元和视觉检测单元电讯连接，所述控制单元通过视觉检测单元检测的信息判断并控制旋转机构的旋转角度、晶圆装夹机构的夹持力、裂片刀头4的选择、升降阀6的高度、以及判断和控制裂片加工状态。
进一步的，所述真空管3为真空软管，加工单元包括四组裂片刀头4、刀头紧固装置5和升降阀6。
进一步的，晶圆外框、外框压紧固定组件8、环周侧定位紧固组件9和台阶孔台10均采用不锈钢材质。
参见图5，晶圆裂片加工办法：采用上述晶圆裂片装置进行裂片加工的方法，包括以下步骤。
a初加工晶圆预处理，准备已经初加工的晶圆，带加工凹槽的面朝上，另一面为底面，在晶圆的底面上贴膜，并连接晶圆外框。
b晶圆装夹定位，把带膜的晶圆放在晶圆装夹机构的台阶孔台10上，通过环周侧定位紧固组件9定位，再通过外框压紧固定组件8向下夹紧。
c刀头选定，通过视觉检测单元检测晶圆的加工凹槽确定切割道，由控制单元控制自动选择对应的裂片刀头4。
d晶圆裂片，确定切割道并选定刀头后，控制单元控制升降阀6升起裂片刀头4进行裂片，并通过视觉检测单元实时监测并反馈裂片是否成功。若成功则进入下一切割道，重复裂片，直至晶圆在一个方向完成裂片加工。若不成功，则停机，人工干预调整参数，直至完成裂片。
e换向裂片，当一个方向裂片完成，控制单元控制旋转机构旋转90度，进行另一个方向的裂片加工，直至整个晶圆完成裂片。
通过上述装置和方法，可实现4寸晶圆4寸框、8寸晶圆8寸框，即对相应尺寸的晶圆贴在标准的晶圆框上的裂片。
其中，控制单元通过软件控并根据裂片位置自动选择相应长的的刀头进行裂片。
本装置和方法适用于多种方法形成的晶圆切割道，如激光表切、刀锯切割、隐形切割等，对切割道和隐形切割层数没有明确限制，根据不同晶圆尺寸有所不同。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种晶圆裂片装置，其特征在于，装置包括：
支撑加工台，所述支撑加工台包括支撑底座、旋转机构、和晶圆装夹机构，其中所述支撑底座、旋转机构、晶圆装夹机构自下而上依次设置，所述旋转机构自身旋转从而带动所述晶圆装夹机构可控的旋转，所述晶圆装夹机构用于装载和定位晶圆以便于加工；
加工单元，所述加工单元整体设置在所述旋转机构和晶圆装夹机构之间，且加工单元包括裂片头支架(1)、裂片刀头(4)、刀头紧固装置(5)和升降阀(6)，所述裂片刀头支架(1)的底面在水平驱动机构的驱动下可控的横向位移以使得选用的裂片刀头(4)正对晶圆凹槽定位，所述裂片头支架(1)的下底面固定至所述旋转机构上，所述裂片刀头(4)、刀头紧固装置(5)和升降阀(6)的个数相等且为多个，多个升降阀(6)间隔的设置在所述裂片头支架(1)底面上，所述刀头紧固装置(5)固定在所述升降阀(6)顶端，且在所述刀头紧固装置(5)的顶端可更换的装夹所述裂片刀头(4)；
视觉检测单元，所述视觉检测单元设置在所述晶圆装夹机构的上方和/或下方，用以检测晶圆状态参数；
控制单元，所述控制单元与支撑及工台、加工单元和视觉检测单元电讯连接，所述控制单元通过视觉检测单元检测的信息判断并控制旋转机构的旋转角度、晶圆装夹机构的夹持力、裂片刀头(4)的选择、升降阀(6)的高度、以及判断和控制裂片加工状态。
2.根据权利要求1所述的晶圆裂片装置，其特征在于：装置还包括吸附机构，所述吸附机构设置在所述晶圆装夹机构的下方空间，用以使得晶圆贴合在所述晶圆装夹机构上。
3.根据权利要求1所述的晶圆裂片装置，其特征在于：所述旋转机构由电驱动转轴或齿轮传动，从而使得所述晶圆装夹机构可控的双向转过加工夹角α。
4.根据权利要求3所述的晶圆裂片装置，其特征在于：所述加工夹角α＝90°。
5.根据权利要求2所述的晶圆裂片装置，其特征在于：所述晶圆装夹机构包括晶圆的外框压紧固定组件(8)、晶圆的环周侧定位紧固组件(9)和承载晶圆且与晶圆不锈钢框架外径适配的台阶孔台(10)，所述外框压紧固定组件(8)压在所述台阶孔台(10)的外周上表面，所述环周侧定位紧固组件(9)设置在所述台阶孔台(10)的外周侧面上。
6.根据权利要求5所述的晶圆裂片装置，其特征在于：所述吸附机构包括真空管(3)、设置在裂片头支架(1)的多个间隔设置的立柱顶端的吸附台(7)、以及外界的真空源，在每个所述吸附台(7)的上表面开设真空吸附腔(2)，所述吸附台(7)的上表面与所述晶圆装夹机构的台阶孔台(10)的上表面水平设置，所述真空管(3)的上管口与所述真空吸附腔(2)下端的气道密封连接，以此向晶圆装夹机构上表面处提供真空度来吸附晶圆。
7.根据权利要求1或6所述的晶圆裂片装置，其特征在于：每组裂片刀头(4)、刀头紧固装置(5)和升降阀(6)的相邻间隔距离不同，以此使得装置适于不同凹槽间距的晶圆裂片加工。
8.根据权利要求7所述的晶圆裂片装置，其特征在于：所述相邻间隔距离从一侧依次变宽或变窄，包括但不限于标准间距的1倍、1.2倍、1.5倍、1.8倍、2倍。
9.根据权利要求6所述的晶圆裂片装置，其特征在于：所述真空管(3)为真空软管，加工单元包括四组裂片刀头(4)、刀头紧固装置(5)和升降阀(6)。
10.一种采用权利要求1～9任一项所述晶圆裂片装置进行裂片加工的方法，其特征在于，方法包括：
a初加工晶圆预处理，准备已经初加工的晶圆，带加工凹槽的面朝上，另一面为底面，在晶圆的底面上贴膜，并连接晶圆外框；
b晶圆装夹定位，把带膜的晶圆放在晶圆装夹机构的台阶孔台(10)上，通过环周侧定位紧固组件(9)定位，再通过外框压紧固定组件(8)向下夹紧；
c刀头选定，通过视觉检测单元检测晶圆的加工凹槽确定切割道，由控制单元控制自动选择对应的裂片刀头(4)；
d晶圆裂片，确定切割道并选定刀头后，控制单元控制升降阀(6)升起裂片刀头(4)进行裂片，并通过视觉检测单元实时监测并反馈裂片是否成功；若成功则进入下一切割道，重复裂片，直至晶圆在一个方向完成裂片加工；若不成功，则停机，人工干预调整参数，直至完成裂片；
e换向裂片，当一个方向裂片完成，控制单元控制旋转机构旋转90度，进行另一个方向的裂片加工，直至整个晶圆完成裂片。
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