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1、10申请公布号CN102105278A43申请公布日20110622CN102105278ACN102105278A21申请号200980123778922申请日2009052012/124,37220080521USB26D1/547200601B28D1/08200601B26D1/4620060171申请人应用材料股份有限公司地址美国加利福尼亚州72发明人RC巴克拉克KK辛格O那拉玛苏JC莫兰74专利代理机构上海专利商标事务所有限公司31100代理人陆嘉54发明名称用于晶片切片的碳纳米管纤维线57摘要本发明提供一种用于切割硬质材料的线锯，所述线锯包括由碳纳米管旋制而成的碳纳米管纤维线。所。
2、述碳纳米管纤维线可由多根纤维制成，每根纤维均由碳纳米管旋制而成，所述纤维扭绞到一起以形成所述线。此外，所述线还可包括金刚石粒子、碳化硅粒子和/或额外的碳纳米管以增强所述线的研磨特性。提供了一种用于对硅刚玉切片的方法，包括在旋转的圆筒之间线性地平移碳纳米管纤维线，同时将所述线维持在张力下；使用夹具，将所述硅刚玉移动到所述移动的张紧线上，从而所述线切割入所述硅；将润滑液输送到所述硅的表面上，在所述表面处使所述润滑液与所述线接触；和在所述润滑液离开所述硅的所述表面之后收集所述润滑液。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010122086PCT申请的申请数据PCT/US2009/0446812。
3、009052087PCT申请的公布数据WO2009/143247EN2009112651INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图6页CN102105281A1/2页21一种用于切割硬质材料的线锯，其包含由碳纳米管旋制而成的碳纳米管纤维线。2根据权利要求1所述的线锯，其进一步包含第一系统，其经配置以将润滑液输送到所述硬质材料的表面，在所述表面处使所述润滑液与所述线接触；和第二系统，其经配置以在所述润滑液离开所述材料的所述表面之后捕获所述润滑液。3一种用于切割硬质材料的线锯，其包含碳纳米管纤维线，其由碳纳米管旋制而成；机构，其经配置以沿路径线性地平移所。
4、述线并且沿所述路径将所述线维持在张力下；和夹具，其用于夹住所述硬质材料，所述夹具接近所述路径，所述夹具经配置以使所述硬质材料移入所述路径，从而所述移动的张紧线切割入所述硬质材料。4根据权利要求3所述的线锯，其进一步包含系统，所述系统经配置以将润滑液输送到所述硬质材料的表面，在所述表面处使所述润滑液与所述线接触。5根据权利要求2或4所述的线锯，其中所述硬质材料是硅。6根据权利要求4所述的线锯，其进一步包含托盘，其用于在所述润滑液离开所述材料的所述表面之后捕获所述润滑液；和储蓄器，其连接到所述托盘以用于存储由所述托盘捕获的所述润滑液。7根据权利要求3所述的线锯，其中所述机构包含第一卷轴；第二卷轴，。
5、其与所述第一卷轴间隔开并且轴向平行，其中所述线具有第一端和第二端，所述线的所述第一端环绕所述第一卷轴缠绕，所述线的所述第二端环绕所述第二卷轴缠绕；和多个圆筒，其经配置以平移所述线。8根据权利要求3所述的线锯，其中所述线是连续环线并且其中所述机构包含多个圆筒，所述圆筒经配置以平移和张紧所述连续环线。9根据权利要求3所述的线锯，其中所述夹具进一步经配置以在所述硬质材料与所述线之间产生相对往复运动。10一种对硅刚玉切片的方法，其包含以下步骤沿路径线性地平移碳纳米管纤维线，同时沿所述路径将所述线维持于张力下，其中所述路径接近用于夹住所述硅刚玉的夹具；将所述硅刚玉移动到所述移动的张紧线上，从而所述线切割。
6、入所述硅；将润滑液输送到所述硅的表面，在所述硅的所述表面处使所述润滑液与所述线接触；和在所述润滑液离开所述硅的所述表面之后收集所述润滑液。11根据权利要求1、3或10所述的方法，其中所述线包含多根纤维，每根纤维均由碳纳米管旋制而成，所述纤维扭绞到一起以形成所述线。12根据权利要求11所述的线锯，其中所述线进一步包含掺入所述纤维的所述表面上的金刚石粒子，从而使得所述线更具研磨性。13根据权利要求11所述的线锯，其中所述线进一步包含掺入所述纤维的所述表面上权利要求书CN102105278ACN102105281A2/2页3的碳化硅粒子，从而使得所述线更具研磨性。14根据权利要求11所述的线锯，其中。
7、所述线进一步包含掺入所述纤维的所述表面上的碳纳米管，从而使得所述线更具研磨性。15根据权利要求2、4或10所述的方法，其中所述润滑液是水基的。权利要求书CN102105278ACN102105281A1/5页4用于晶片切片的碳纳米管纤维线技术领域0001本发明通常涉及用于切割硬质材料的线锯，并且更具体来说涉及具有用于切割硅刚玉的碳纳米管纤维线的线锯。背景技术0002线锯是用于切割硬质和脆性材料。线锯用来从用于半导体工业和光伏工业的硅刚玉/晶锭上切割硅晶片。图1、图2和图3中示出了用于切割硅晶片的线锯的示意图。图1示出具有馈送于两个卷轴110之间的单线105的先前技术线锯。线105在四个圆筒11。
8、5上多次通过，从而形成用于切割由夹具130夹住的硬质材料125的线120的网。为了简单说明，仅示出三根切割线的网120。然而，实际上，用于切割硅刚玉的网将含有大量的线。线的数量是由要从刚玉上同时切割的晶片的数量来确定。圆筒115既用于线性地移动线105，如所指示，也用于帮助在线105中维持适当张力。可以通过定位于第一卷轴与圆筒之间和第二卷轴与圆筒之间的两个张紧装置来张紧该线。图中未示出此类张紧装置。圆筒115绕其中央轴线旋转。硬质材料125被固定至夹具130。夹具130经配置以沿垂直于线120的网的方向移动，以使得可以将硬质材料125移动到线120的网上并且通过这些移动的线来切割。美国专利NO。
9、5,829,424中提供了此类线锯的例子和更多细节。0003图2示出具有多个闭环线205的先前技术线锯。三根线205形成用于切割由夹具130夹住的硬质材料125的线220的网。为了简单说明，仅示出三根切割线的网220。然而，实际上，用于切割硅刚玉的网将含有大量的线。线的数量是由要从刚玉上同时切割的晶片的数量来确定。圆筒215既用于线性地移动线205，如所指示，也用于张紧这些线205。圆筒215绕其中央轴线旋转。为了张紧线205，可以调整圆筒215的间隔。硬质材料125被固定至夹具130。夹具130经配置以沿垂直于线220的网的方向移动，以使得可以将硬质材料125移动到线220的网上并且通过这些。
10、移动的线来切割。美国专利NO6,550,364中提供了此类线锯的例子和更多细节。0004图3示出关于图2的线锯的先前技术变型。在图3中，硬质材料125被固定至夹具355，夹具355允许硬质材料125相对于线205的往复运动。夹具355还允许硬质材料125竖直地移动，如图所示，垂直于线205移动。竖直运动和摆动运动的这种组合允许在固定的线205上切割硬质材料125。不过，实际上，线205还可如所指示那样间歇地或者连续地移动。该夹具包含能相对于第二部分335横向地移动的第一部分330。第二部分335能绕轴336所定义的轴线旋转，如图所示。第二部分335通过轴336连接到第三部分340。第三部分34。
11、0能相对于固定的第四部分345竖直地移动，如图所示。通过轴承350来促进竖直移动和横向移动。美国专利NO6,886,550中提供了此类线锯的例子和更多细节。0005图4示出在由诸如图1、图2和图3所示的线锯切割的方法期间穿过硅刚玉425的横截面的示意图。该截面的平面垂直于线405的长度。从而，在具有相对于硅刚玉425移动的线的线锯中，图4中的线405将沿垂直于该截面的平面的方向线性地移动，并且硅刚玉425将向下移动到切割线405上，如图所示。线405切割入硅425，从而形成槽426。当切割说明书CN102105278ACN102105281A2/5页5继续时，槽426被向硅刚玉425中切割更深。
12、。此类槽称为锯口。该锯口通常比切割线405的直径更宽。当切割完成时，在槽426之间剩余的硅将是硅晶片。切割方法有赖于1槽426中含有研磨粒子的切割液；或者2覆盖有研磨粒子诸如，碳化硅的线405。此外，需要润滑液来带走在切割期间产生的热量并且从槽426移除硅碎屑。0006光伏工业对薄晶片具有很高的需求，当前为小于200微米厚度并且期望不久达到100微米厚度。为了有效地生产厚度日益减少的硅晶片，必须解决以下问题1需要减少在切割晶片时锯口处的硅损失；2需要降低切割液的黏度，以便在晶片厚度降低时维持晶片切割的吞吐量；和3需要能有效地再捕获从锯口处损失的硅以再循环到硅刚玉中。0007可以通过使用较小直径。
13、的切割线来减少锯口处的硅损失。当前，切割线直径不小于120150微米，主要受到可用钢线强度的限制。显然，在不减小线直径的情况下，随着工业上需要越来越薄的晶片，这将很快导致比被切割晶片更宽的锯口。由钢和类似材料制成的较细线的问题在于，其不具有当前锯切方法所需要的机械强度。因而，需要具有更好机械特性的较细锯切线。0008必须降低润滑/切割液的黏度，以便在晶片厚度减小时，维持切割刚玉的当前吞吐量和效率。当锯口宽度减小时，这也需要降低润滑/切割液的黏度以允许相同的吞吐量和效率。研磨线涂布有金刚石粒子的金属线的引入已允许了切割液的黏度降低，因为在切割液中不再需要研磨微粒。不过，当前用于对线涂布金刚石的方。
14、法不能生产切割用于光伏应用的硅晶片所需要的长度上足够统一的线。在此情况下，该液体主要成为润滑液。然而，当锯口宽度减小到接近100微米时，基于乙二醇和类似化学制品的当前润滑液将太粘稠。当接近这些小锯口宽度时，当前润滑液的黏度将需要降低该线的速率。此外，为了增加吞吐量，需要较高的线速度，而这将需要较低黏度的润滑液。因而，需要较低黏度的润滑液。0009为了捕获从锯口处损失的硅，并且为了能将该硅再循环到半导体级硅刚玉中，必须解决以下问题。首先，必须存在用于收集从锯口处损失的硅的有效构件。硅中的大部分以必须滤出的微粒形式终止于润滑液中。这仅可以在使用不含有诸如碳化硅的研磨粒子的润滑液时容易地实现。第二，。
15、润滑液必须没有可能使得硅不可用于制作半导体级硅刚玉的金属污染物。金属切割线的使用导致金属污染物进入润滑液并且到达从锯口处损失的硅微粒上。因而，需要可以将硅微粒有效地分离的切割/润滑液并且需要不会污染从锯口处损失的硅的切割线。0010因此，还需要可以符合半导体工业和光伏工业的晶片切割需求并同时允许成本降低和效率增加的工具和方法。发明内容0011本发明的概念和方法使得可以通过提供具有机械特性比金属线更好的线的线锯来降低切割硬质材料的成本和复杂性。此外，本发明提供在切割润滑剂/浆液中不产生金属污染的切割工具和方法。这降低在对硅锭切片之后再循环切割润滑剂中的硅锯口损失的成本和复杂性。这可以降低针对广阔。
16、市场适用性的成本以及提供产量提高。根据本发明的各方面，使用碳纳米纤维和碳纳米管纤维线而非先前技术所用的金属线来实现这些和其他优点。同样地，本发明涵盖用于切割硬质材料的线锯，该线锯包括由碳纳米管细丝旋制而成说明书CN102105278ACN102105281A3/5页6的碳纳米管纤维线。该碳纳米管纤维线可由多根纤维制成，每根纤维均由碳纳米管旋制而成，这些纤维扭绞到一起以形成该线。此外，该线还可以具有掺入该线以增强该线的研磨特性的金刚石粒子、碳化硅粒子和/或额外的碳纳米管。在将纤维扭绞到一起以形成线的方法期间，可以掺入金刚石粒子、碳化硅粒子和/或碳纳米管。0012根据本发明的其他方面，提供了一种用。
17、于对硅刚玉切片的方法，其包括以下步骤在两个旋转的圆筒之间线性地平移碳纳米管纤维线，同时将该线维持在张力下；使用夹具，将硅刚玉移动到该移动的张紧线上，从而该线切割入硅；将润滑液输送到硅的表面上，在该表面处使润滑液与该线接触；和在润滑液离开硅表面之后收集该润滑液。然后，所收集的润滑液可用于再循环，这可以包括从液体中收回硅。此外，该再循环可以包括从润滑液中收回碳纳米管。附图说明0013在结合附图阅读本发明的具体实施例的以下描述之后，本发明的这些和其他方面和特征将对本领域的普通技术人员变得显而易见，其中0014图1是具有馈送于两个线轴之间的单线的先前技术晶片线锯的示意图；0015图2是具有闭合线环的先。
18、前技术晶片线锯的示意图；0016图3是往复运动于硬质材料与线之间的先前技术晶片线锯的示意图；0017图4是穿过正在晶片线锯上切割的硅刚玉的横截面的略图；0018图5示出本发明的合股的碳纳米管纤维线；0019图6示出根据本发明的掺入了金刚石砂粒的碳纳米管纤维线的示意性横截面；0020图7示出根据本发明的掺入了碳纳米管的碳纳米管纤维线的示意性横截面；0021图8是本发明的晶片线锯的示意图。具体实施方式0022现将参考附图详细描述本发明，其是作为本发明的说明性例子来提供，以便使本领域的技术人员能够实施本发明。值得注意的是，以下附图和例子并不意味着将本发明范围限于单个实施例，而是可以通过将所述或所示元。
19、件中的一些或全部进行互换来得到其他实施例。此外，在可以使用已知部件来部分或完全地实施本发明的某些元件的情况下，将仅描述此类已知部件的对于理解本发明来说所必需的那些部分，而将省略此类已知部件的其他部分的详细描述以便不会使本发明难以理解。在本说明书中，不应认为示出单数部件的实施例是限制性的；相反，本发明旨在涵盖包括多个相同部件的其他实施例，并且反之亦然，除非本文另有明确说明。此外，对于说明书或权利要求书中的任何术语，申请人并未打算将其归为罕见或特殊含义，除非如此明确地阐述。此外，本发明涵盖本文通过举例说明所提及的已知部件的当前和将来所知的等效物。0023通常，本发明涵盖在用于切割硬质材料具体地讲为。
20、硅晶片的线锯中掺入碳纳米管纤维线。线锯广泛用于工业中，诸如半导体工业和光伏工业。例如，参见美国专利NO5,829,424、NO6,550,364和NO6,886,550，所有这些专利均以引用方式并入本文。线锯包括需要极长的线的卷轴式线锯诸如图1中所示和仅需要相对短的线的闭环线锯诸如图2和图3中所示。本发明涵盖将碳纳米管纤维线掺入卷轴式线锯和闭环线锯中。说明书CN102105278ACN102105281A4/5页70024碳纳米管是具有由石墨烯石墨的单原子厚度薄片形成的壁的纳米级圆柱。纳米管可以为单壁圆柱壁由石墨烯的单个薄片组成，称为SWNT或多壁圆柱壁由石墨烯的多个薄片组成，称为MWNT。单。
21、壁纳米管具有大约一纳米的直径。纳米管展现非凡的机械特性，最值得注意的是突出的强度。碳纳米管可以旋制成纤维，然后这些纤维可以合股扭绞到一起以形成多股的纱线。这些纤维和纱线在长度上可以超过一米并且展现150460MPA范围内的抗张强度。参见ZHANG等人的SCIENCE306，13582004年和LI等人的SCIENCE304，2762004年。本发明涵盖使用SWNT和/或MWNT以形成碳纳米管纤维线中的纤维。0025图5示出根据本发明的碳纳米管纤维线505的放大图的图解说明。此类碳纳米管纤维线505代替当前用于线锯中的金属线。图5中，示出了双股线，即线505由直径为10微米的两根旋制纤维506组。
22、成，该两根旋制纤维506扭绞到一起以形成20微米直径的线。将碳纳米管旋制到一起以形成纤维506，然后将这些纤维扭绞到一起以形成线505，这增加了线505的强度。注意，10微米直径的纤维将含有旋制到一起的大约106根纳米管。该线并不局限于具体直径的纤维，并且不限于合股纤维的特定数量。例如，四根8微米直径的纤维可以合股到一起以形成大约24微米直径的线。此外，大量较小直径的纤维可以合股到一起以形成线。通过对旋制与合股线材和纱线的旧式工艺的模拟，对可形成的线的长度没有限制。对于碳纳米管领域的技术人员来说，用于形成碳纳米管纤维和合股这些纤维的各种方法是已知的。0026碳纳米纤维或碳纳米管纤维的表面装饰有。
23、个别部件碳纳米管的末端。这使得纳米管纤维的表面稍微有些研磨性，从而提供研磨性的切割线。可以在纤维的表面上用金刚石相碳来增强研磨特性。可以使用化学汽相沉积CVD或相关技术来在纤维表面上沉积金刚石相碳或在纤维表面上使金刚石相碳生长。还可以通过将诸如碳化硅或金刚石粒子的研磨粒子掺入碳纳米管纤维线中来增强这些碳纳米管纤维线的研磨特性。可以通过各种技术来完成这些研磨粒子的掺入。例如可以引入研磨粒子，同时在具有粒子悬浮液的溶液中将纤维合股到一起；可以对个别纤维涂布研磨粒子，然后可以将这些纤维合股到一起；可以使用汽相沉积法或电化学沉积法来对该线涂布研磨粒子；等等。图6示出掺入研磨粒子的碳纳米管纤维线的略图。。
24、图6示出添加了研磨粒子607的沿图5中所示的双股线505的55所取的横截面。在纤维506的表面上示出粒子607。研磨粒子的密度及其大小将变化，以适合所需的切割类型。粒子尺寸通常将占最终切割线直径的较小百分比。例如，如果线直径是5070微米，那么研磨突起应该是大约25微米。0027还可通过将额外的碳纳米管掺入该线目的在于大体上增加线表面上纳米管末端的密度来增强该线的研磨特性。可以使用诸如以上对于研磨粒子描述的那些技术的技术和作为碳纤维制造工艺的一部分的技术来完成这些额外的纳米管的掺入。图7示出掺入额外的碳纳米管的碳纳米管纤维线的略图。图7示出添加了碳纳米管708的沿图5中所示的双股线505的55。
25、所取的横截面。在纤维506的表面上示出纳米管708。纳米管的密度、其大小及其类型SWNT或MWNT将变化，以适合所需的切割类型。一般而言，将以510重量的水平将纳米管掺入碳纳米管纤维线。0028与金属线一样，需要将润滑液用于线锯中的本发明的碳纳米管纤维线。该润滑液可以含有诸如碳化硅粒子的研磨剂。然而，优选的是在润滑液中没有研磨剂的情况下使用说明书CN102105278ACN102105281A5/5页8碳纳米管纤维线。0029由于碳纳米管纤维线优良的机械特性，可以将碳纳米管纤维线制成比金属线更小的直径。这允许切割较薄晶片，可能薄至50微米厚。然而，为了在不降低切割速率的情况下减小被切割晶片的厚。
26、度，需要较低黏度的润滑液。这将需要从乙二醇基和油基滑润剂到较低黏度滑润剂诸如，水基滑润剂的改变。最终，该线应与任何适当的润滑剂或切割液一起工作。另外，可以对碳纳米管纤维线涂布钝化层，如美国专利NO6,902,947中所描述。0030当用线锯切割硅晶片时，从锯口处损失的硅中的大部分终止于润滑液中。金属切割线污染润滑液中的硅，从而使得再循环十分困难和昂贵。然而，在线锯中使用碳纳米管纤维线消除了金属污染的主要来源并且允许从润滑液中成本有效地再循环硅。图8示出本发明的线锯，该线锯经配置用于从润滑液中再循环硅。在图8中，润滑液被输送到硬质材料在此情况下为硅刚玉425，润滑液在硬质材料处与切割线205相遇。
27、。通过泵861经由导管862将润滑液从容器860抽吸到正被切割的硅表面。当润滑液离开硅表面时，其由托盘865捕获并且排入用于存储的储蓄器866。在一些实施例中，储蓄器866与容器860相连，并且在其他实施例中，储蓄器866与容器860是同一个。0031含有从锯口处损失的硅的润滑液可从储蓄器866处获得以用于再循环。在润滑剂中未使用研磨粒子时，对所用润滑剂进行过滤以移除从锯口处损失的硅微粒。然后，这些微粒可以用于制造更多的硅刚玉。0032储蓄器866中的润滑液还可能含有从线上损失的碳纳米管。可以从润滑液中回收这些碳纳米管。0033虽然已参考本发明优选实施例来具体描述了本发明，但对本领域的普通技术。
28、人员应显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下进行形式和细节上的改变和修改。这意味着所附权利要求书涵盖此类改变和修改。说明书CN102105278ACN102105281A1/6页9图1现有技术说明书附图CN102105278ACN102105281A2/6页10图2现有技术说明书附图CN102105278ACN102105281A3/6页11图3现有技术说明书附图CN102105278ACN102105281A4/6页12图4说明书附图CN102105278ACN102105281A5/6页13图5图6说明书附图CN102105278ACN102105281A6/6页14图7图8说明书附图CN102105278A。