TWI803019B - 一種晶柱快速切片方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種晶柱的切片方法，其包括下列步驟：將一晶柱浸入一溶液中；將該晶柱旋轉；以及將旋轉中的該晶柱用一對焦裝置對焦後，用一雷射裝置將該晶柱切片成晶圓。本發明晶柱之切片設備結構簡單，切片操作容易，晶柱的切口小，切片速度快。

Description

一種晶柱快速切片方法

本發明係關於一種晶柱的切片方法，尤指一種能減少碎片的產生，所切出的切片的品質較高，並提高加工速度，而晶柱浸泡於溶液中進行旋轉以及Z軸對焦技術之設計，具有快速加工及排屑之功效，能提升切片效率以及減少成本，其中，該溶液可為酸性、中性、鹼性、或揮發性液體，該溶液溫度可為高於室溫、室溫、或低於室溫。

一般傳統晶柱切片(semiconductor ingot slicing)過程採用鑽石刀或線鋸切割，但是隨著最終元件產品越來越小，功能越來越先進，目前的切割技術勢必越來越困難。舉碳化矽(SiC)作為化合物半導體基板材料為例，無論是晶錠成長，加工處理與元件製程的方法以及所需的設備等，都有別於現有的矽基半導體，且由於其硬脆特性，使用傳統的加工方式所造成的材料耗損與加工時間增加，加工挑戰更為艱鉅。

目前現有的晶柱之切片技術，例如鑽石線切割，會因為晶柱(如SiC)硬度高而導致加工速度緩慢、表面粗造度高，耗時長，且有晶柱材料損耗較大的問題。此外，使用線放電加工來切割晶柱之切片技術，其雖然屬於非接觸式切片加工，但耗時長，且有放電線斷線以及線振動的問題。

有別於傳統的鑽石刀、線鋸切割、或線放電加工晶柱方法， 有相當多專利提出以雷射切割晶柱，例如日本DISCO公司採用雷射隱形切割之方法，需要先偵測晶柱之晶格方向，並需要沿特定晶格方向進行雷射處理，加上剝離機構進行分離，達到切片效果，其製程複雜。若以直接雷射切割晶柱，欲達到高深寬比之切割會有不易排渣之缺點。為了解決上述習知技術問題，發明人努力研發，創作出本發明的切片方法。

本發明主要目的是提供一種晶柱的切片方法，其包括下列步驟：

將一晶柱浸入一溶液中；

將該晶柱旋轉；以及

將旋轉中的該晶柱用一對焦裝置對焦後，以用一雷射裝置將該晶柱切片成晶圓(sliced wafer)。本發明的晶柱的切片方法除使用雷射裝置能減少碎片的產生，所切出的晶圓品質較高，並提高加工速度，而晶柱浸泡於溶液中進行旋轉以及Z軸對焦技術之設計，具有快速加工及排渣之功效，能提升切片效率以及減少成本。

依據本發明的晶柱的切片方法，其中，該溶液可為酸性、中性、鹼性、或揮發性液體。該酸性溶液可為硫酸、磷酸、硝酸、氫氟酸等或其組合，該鹼性溶液可為氫氧化鈉、氫氧化鉀等或其組合，該中性溶液可為去離子水、或純水，該揮發性液體可為異丙醇、乙醇等或其組合，該溶液亦可為油性液體。當溶液為酸性或鹼性時，可控制該溶液溫度範圍為高溫狀態，以增加蝕刻效果，該溫度範圍可在80℃至800℃之間。當溶液為中性溶液時，可控制該溶液溫度為低溫狀態，藉由較大的溫度梯度增加雷 射切片效果，該溫度可低於10℃以下，較佳為冰點。

依據本發明的晶柱切片方法，該晶柱的材料可為矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鋁(AlN)、氧化鎵(Ga₂O₃)、藍寶石(Al₂O₃)、硫化鎘(CdS)、氮化鎵(GaN)或人工鑽石。

依據本發明的晶柱切片方法，該Z軸對焦裝置較佳地是一機台上下垂直移動對焦裝置或一光學移動對焦裝置。該上下垂直移動裝置可為一線性馬達滑軌平台或線性導螺桿平台。該光學對焦裝置包含上下移動之光學鏡頭或變焦鏡片，可達到同步加工與對焦之功效。

依據本發明的晶柱切片方法，該雷射裝置可為單一或多個雷射源，該雷射源可為點光源或線光源，藉由多道點光源可同時對晶柱進行掃描切割，或藉由多道線光源可同時對晶柱進行多片切割。該雷射源可為連續性或脈衝式雷射。該連續性雷射可為CO₂雷射、CO雷射、氦鎘雷射、半導體雷射、光纖雷射、或氦氖雷射。該脈衝式雷射可為準分子雷射、光纖雷射、或固態(YAG)雷射。雷射光波長可為深紫外線(EUV、DUV)、紫外線(UV)、綠光、近紅外光、中紅外光等或其組合。

依據本發明的晶柱切片方法，該晶柱的旋轉速度是在0.1-20RPM，較佳為1-7RPM。

依據本發明的晶柱切片方法，其主要特色如下：1.採用雷射削除(laser ablation)技術來切片，並搭配溶液，較佳為蝕刻性溶液，可加速切片速度；2. Z軸對焦技術；3.晶柱旋轉；4.雷射切片過程中可同時對表面進行改質利於後續研磨與拋光製程。藉由上述特徵可以快速切片及排渣，達到較佳切片品質。

1:晶柱切片設備

11:溶液槽

12:溶液

2:晶柱

31:馬達

32:軸

33:夾頭

41:雷射裝置

42:雷射光

43:承接裝置

45:承接槽

46:雷射線光源

圖1是本發明的晶柱切片設備的示意圖。

圖2是本發明的晶柱切片設備具有晶圓承接裝置的示意圖。

圖3是本發明的晶柱切片設備的具體實施例之示意圖。

請參閱圖1，其為本發明的第一具體實例的晶柱切片設備1的示意圖。該晶柱切片設備1包括：承裝溶液12的溶液槽11；馬達31；透過該馬達31之軸32帶動夾頭33旋轉，該夾頭33將晶柱2夾持住同步旋轉，該馬達31以X軸為中心軸做旋轉；雷射裝置41在Z軸方向射出雷射光42於旋轉中的晶柱2，以將該晶柱2切片成晶圓。另有一組三維移動機構(習知機構，未繪出)，可驅使雷射裝置或雷射光源與該溶液槽產生相對運動。例如將該溶液槽11置於一可移動之XYZ平台上，可做XYZ方向的移動。亦可將雷射裝置設置於XYZ龍門機構上。該三維移動機構可以是用滾珠螺桿驅動或線性馬達驅動。

請參閱圖2，其為本發明的第一具體實例的晶柱切片設備1具有晶圓承接裝置43的示意圖。該晶圓承接裝置43為可移動，放置於切割晶柱下方，該晶圓承接裝置具有多個承接槽45，每一承接槽可經由移動對應每一切片位置。當晶圓從晶柱脫離時，可由下方承接槽做承接。

請參閱第1圖，其揭露出本發明一種晶柱的切片方法，其包括下列步驟：

將晶柱2浸入溶液12中，該溶液12係裝載於溶液槽11中；

透過馬達31之軸32帶動夾頭33旋轉，該夾頭33將該晶柱2夾持住同步旋 轉，該旋轉裝置可在切片過程調變轉速，該晶柱2旋轉軸的軸心方向是X軸方向；以及

將旋轉中的該晶柱2，用單一或多個雷射裝置41所射出的單一或多道雷射光42，或將雷射點光源轉成雷射線光源46(請見圖3)，用一對焦裝置(未繪出)持續對焦，將該晶柱2切片成晶圓。該光源為點光源時，可利用振鏡對旋轉中的晶柱進行掃描切割。

本發明的晶柱切片方法中，該溶液可以為酸性、中性、鹼性、或揮發性液體。該酸性溶液可為硫酸、磷酸、硝酸、氫氟酸等或其組合，該鹼性溶液可為氫氧化鈉、氫氧化鉀等或其組合，該中性溶液可為去離子水、或純水，該揮發性液體可為異丙醇、乙醇等或其組合，該溶液亦可為油性液體。當溶液為酸性或鹼性時，可控制該溶液溫度範圍為高溫狀態，以增加蝕刻效果，該溫度範圍可在80℃至800℃之間。當溶液為中性溶液時，可控制該溶液溫度為低溫狀態，藉由較大的溫度梯度增加雷射切片效果，該溫度可低於10℃以下，較佳為冰點。可以在雷射光42照射在晶柱2之處的附近設立一噴頭，藉從噴頭所噴出的溶液來沖洗因切片所產生的熔渣。本發明的溶液12可以用幫浦從溶液槽11抽取溶液，再流經過濾器濾出熔渣後，再送回溶液槽11。

本發明的Z軸對焦裝置是一機台上下垂直移動對焦裝置或一光學移動對焦裝置。該機台上下垂直移動裝置可為線性馬達滑軌平台或線性導螺桿平台所構成之上下垂直移動機構。該光學移動對焦裝置包含上下移動之光學鏡頭或變焦鏡片。該機台上下垂直移動對焦裝置可為雷射頭之上下垂直移動機構或溶液槽11之上下垂直移動機構。該上下垂直移動機 構可藉由控制器及精密感測器進行Z軸方向之移動與精密定位，以達到精密對焦之功效。

本發明的雷射裝置41可為單一或多個雷射源，該雷射源可為點光源或線光源，該點光源可形成一雷射光束，該線光源可形成一雷射光面，藉由多道點光源可同時對晶柱進行多片掃描切割，或藉由多道線光源可同時對晶柱進行多片切割。該雷射源可為連續性或脈衝式雷射。該連續性雷射可為CO₂雷射、CO雷射、氦鎘雷射、半導體雷射、光纖雷射、或氦氖雷射。該脈衝式雷射可為準分子雷射、光纖雷射、或固態(YAG)雷射。雷射光波長可為深紫外線(EUV、DUV)、紫外線(UV)、綠光、近紅外光、中紅外光等或其組合。

上述實施例中晶柱係可旋轉，但對於低深寬比之晶柱，例如4吋晶柱，則沒有排渣問題，本發明的第2具體實例可以是不用將晶柱旋轉，其他切片步驟同上述實施例。

實例1

本實例1採用248或355奈米波長(紫外線)雷射，晶柱是4吋SiC晶錠(SiC column ingot)；溶液是氫氧化鉀，晶柱的旋轉速度是0.1-20RPM，較佳旋轉速度為1-7RPM。本實例成功切出SiC晶圓，且晶圓品質極高。

本發明的晶柱切片技術相較於既有技術，優點如下：1.晶柱切片設備結構簡單，操作容易；2.晶柱的切口小，切片速度快；3.晶柱旋轉；4.雷射切片過程中可同時對表面進行改質利於後續研磨與拋光製程。

以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解，在不脫離權利要求所限定的精神和範圍的情況下， 可作出許多修改、變化或等效，但都將落入本發明的保護範圍之內。

1:晶柱切片設備

11:溶液槽

12:溶液

2:晶柱

31:馬達

32:軸

33:夾頭

41:雷射裝置

42:雷射光

Claims (14)

1. 一種晶柱的切片方法，其包括下列步驟：將一晶柱浸入一蝕刻性溶液中，其中該蝕刻性溶液承裝於一溶液槽中；將該晶柱旋轉；以及將旋轉中的該晶柱，以一雷射裝置將該晶柱進行切片，並用一對焦裝置於雷射切割過程中持續對焦，其中該對焦裝置為一機台上下垂直移動對焦裝置或一光學移動對焦裝置，其中，將該晶柱旋轉，及將該晶柱進行切片與在雷射切割過程中持續聚焦之步驟係在該同一溶液槽中於一次工序中完成，且該蝕刻性溶液藉由該晶柱之旋轉用以對加工區的殘渣沉積層進行腐蝕及排屑。
2. 如申請專利範圍第1項的晶柱的切片方法，其中，該蝕刻性溶液為酸性或液體；該酸性溶液可為硫酸、磷酸、硝酸、氫氟酸或其等之組合，該鹼性溶液可為氫氧化鈉、氫氧化鉀或其等之組合。
3. 如申請專利範圍第1或2項的晶柱的切片方法，其中，可控制該蝕刻性溶液溫度範圍在80℃至800℃之間或低於10℃以下。
4. 如申請專利範圍第1項的晶柱的切片方法，其中，該晶柱的材料為矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鋁(AlN)、氧化鎵(Ga₂O₃)、藍寶石(Al₂O₃)、硫化鎘(CdS)、氮化鎵(GaN)或人工鑽石。
5. 如申請專利範圍第1項的晶柱切片方法，其中，該雷射裝置可為單一或多個點雷射源，藉由該單一或多個點雷射源可對晶柱進行切割或利用振鏡掃描切割，該切割為單片或多片同時切割。
6. 如申請專利範圍第1項的晶柱切片方法，其中，該雷射裝置可 為單一或多個線雷射源，藉由該單一或多個線雷射源可對晶柱進行單片或多片同時切割。
7. 如申請專利範圍第1項的晶柱切片方法，其中，該雷射裝置之雷射源為連續性或脈衝式雷射；該連續性雷射可為CO₂雷射、CO雷射、氦鎘雷射、半導體雷射、光纖雷射、或氦氖雷射；該脈衝式雷射可為準分子雷射、光纖雷射、或固態(YAG)雷射；雷射光波長為深紫外線(EUV、DUV)、紫外線(UV)、綠光、近紅外光、或中紅外光。
8. 如申請專利範圍第1項的晶柱切片方法，其中，該晶柱的旋轉速度是在0.1-20RPM之間。
9. 如申請專利範圍第1項的晶柱切片方法，其中，該晶柱的旋轉速度是為1-7RPM之間。
10. 一種晶柱的切片方法，其包括下列步驟：將一晶柱浸入一蝕刻性溶液中，其中該蝕刻性溶液承裝於一溶液槽中以及將該晶柱夾持固定後，以一雷射裝置將該晶柱進行切片，並用一對焦裝置於雷射切割過程中持續對焦，該雷射裝置係一種單線或多線之光源，其中，該對焦裝置是一機台上下垂直移動對焦裝置或依光學移動對焦裝置，其中，將該晶柱旋轉，及將該晶柱夾持固定與在雷射切割過程中持續聚焦之步驟係在該同一溶液槽中於一次工序中完成，且該蝕刻性溶液藉由該晶柱之旋轉用以對加工區的殘渣沉積層進行腐蝕及排屑。
11. 如申請專利範圍第10項的晶柱切片方法，其中，該蝕刻性溶液為酸性或鹼性、液體；該酸性溶液為硫酸、磷酸、硝酸、氫氟酸或其等 之組合，該鹼性溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀或其等之組合。
12. 如申請專利範圍第10或11項的晶柱的切片方法，其中，可控制該蝕刻性溶液溫度範圍在80℃至800℃之間或低於10℃以下。
13. 如申請專利範圍第10項的晶柱切片方法，其中，該晶柱的材料為矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鋁(AlN)、氧化鎵(Ga₂O₃)、藍寶石(Al₂O₃)、硫化鎘(CdS)、氮化鎵(GaN)或人工鑽石。
14. 如申請專利範圍第10項的晶柱切片方法，其中，該雷射裝置之雷射源為連續性或脈衝式雷射；該連續性雷射可為CO₂雷射、CO雷射、氦鎘雷射、半導體雷射、光纖雷射、或氦氖雷射；該脈衝式雷射為準分子雷射、光纖雷射、或固態(YAG)雷射；雷射光波長為深紫外線(EUV、DUV)、紫外線(UV)、綠光、近紅外光、或中紅外光。

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