硅片切割工艺调研

硅片加工发展调研科技发展对硅片的新的要求1） 从成本造价上考虑， 目前在太阳电池成本中硅片几乎占了的成本 ,为提高光电转换效率 ,降低生产成本提高原材料利用率 ,太阳能级硅片必然向 超薄方向 ,大直径方 向发展 ,而且急需准方形硅片。2） 从加工精准度考虑， 90以上的半导体器件和电路 ,尤其是大规模集成电路、 超大规模集成电路和甚大规模集成电路都是制作在高纯优质的硅单晶抛光片和外延片上的。而硅片的加工是作为此技术中最基本的工序 ,它对以后的工序 外延、 氧化、 扩散、 腐蚀、 钝化、 光刻等 有至关重要的作用。在硅片加工的过程中 ,必须达到以后工序所要求的 平坦度、平行度、弯曲度、翘曲度等要求 ,必须 最大限度地减少杂质微粒 ,为以后工序的进行打下基础。 人们越来越多认识到硅衬底加工过程中消除损 伤和应力 ,去除微粒、边沿和表面的完美性及表面状态 等已成为微电子进一步发展的十分重要的因素。为了提高生产线的生产效率 ,降低生产成本 ,生产线所需硅圆片直径不断增大。为了满足硅圆片加工的需要 ,硅片切割设备一方面向大片径化方向发展 ,另一方面向 高精度、高自动化及高智能化方向发展 。1、 硅片加工工艺总论1） 传统型工艺 切片（内圆金刚石锯片切割）倒角研磨腐蚀清洗抛光切片参数 TTV 1μ m Warp 40μ m TV 1μ m TIR 1μ m 损伤层厚度 48μ m 传统型工艺缺陷 传统加工工艺过程是通过研磨、 腐蚀、 抛光完成硅片的平整化加工 ,由于游离磨料研磨的加工效率较低且会产生较大的表面损伤层 ,腐蚀去除损伤层的过程中腐蚀率难以稳定控制 ,会影响研磨后硅片的面型精度 ,这势必增加最终超精密抛光的加工时间 ,因此应用传统工艺进行硅片的批量生产时 ,存在难以保证高精度面型、加工效率低、控制难度很大 ,不易实现自动化等公认的缺点 ,此外腐蚀和清洗还存在污染环境问题。随着硅片尺寸的加大 ,传统加工工艺在面型精度和生产效率方面的缺点更加突出2） 目前硅片加工工艺区分传统型加工工艺的核心部分就是硅片切割工序，切割质量不仅影响到后续的研磨、抛光、刻蚀等工序 ,而且还会影响到半导体器件制成品的最终质量和太阳电池的转换效率。因此 ,研究硅片切割工艺 ,对提高硅片的成品率、质量、提高加工效率、降低加工成本有着重要的指导意义。3）硅片切割技术晶片切割常用的方法有 外圆切割、内圆切割和线切割。外圆切割因为其加工精度差， 损伤程度大， 加工成本高等缺点已经逐渐被取代， 现在主流的为内圆切割和线切割一、内圆切割技术内圆切割主要由个运动组成主轴带动刀环高速旋转 ;同时做径向进给运动 ;工件固定在溜板箱上 ,由步进电机带动做前后进给运动。依照主轴方向不同 ,内圆锯切机可分为立式和卧式两种。卧式切片机便于取片 ,但是大质量的主轴为悬臂结构 ,在高速旋转的情况下 ,由于偏心容易产生振动 ,而立式机床则避免了这个缺点。内圆锯片是圆环结构 ,锯片基体通常为不锈钢 ,目前最佳的基体材料是强度大于的不锈钢 ,具有精确的厚度 ,良好的张力和延伸率。锯片厚度为 100μ m～ 150μ m,随着加工硅片直径的增大 ,锯片基体厚度也增加锯切 Ф 300 的硅晶片 ,基体厚度为240μ m。锯片外圆周的螺栓孔用来将锯片与主轴连接 ,如图所示。内径用复合电镀法镀金刚石微粒 ,形成了 250μ 厚、 200μ 宽水滴状的金刚石刃口 ,加工 Ф 300 硅晶片的锯片刃口厚度为 380μ 。缺点加工效率低、材料损耗大，仅适用于中小型硅片的加工成型。二、线切割技术线切割技术是新兴的硅晶片的加工工艺 ,它适用于加工大直径、超薄片、大批量硅晶片的生产。根据磨料的状态可分为固着磨料和游离磨料两种 ,固着磨料是将金刚石电镀或者滚压在钢丝上 ;游离磨料是将磨料混在切削液中 ,由喷洒系统喷洒在切割区域。游离磨料锯切相对于固着磨料更具有优势 ,游离磨料直径为 μ 左右 ,在高速运转的钢丝带动下 ,以滚动、 嵌入和刮擦的形式作用在硅晶棒上 ,完成切割。多线切割机为单线往复式切割 ,包括独创的垂直平衡滑动系统、弧形摇摆切割系统 ,砂浆喷嘴半浸入系统和线轮半同步递减可变速系统。线切割系统的切割原理是使用自由磨料而非固定磨料 ,因此往复式切削系统比传统的单向切削系统具有一定的优势。虽然对于同种材料来说 ,传统的单向系统可以有更大的行程和线的移动速度 ,只有通过线的往复运动 ,才可达到理想的研磨效果。连续的供线系统和旧线回收系统 ,可以避免线的破损 ,还可促使线的张紧以保证钢线的刚性和张力 ,这有利于保持切片精度。同时 ,最大限度的利用钢线可以有效降低消耗。线切割的优点 适合加工大直径的晶体 ;线切割损失小 200μ m;硅晶片损伤层小 10μ m;生产效率高 一次可最多切割 4800 片 ;硅片表面质量好。缺点 容易产生片厚不均匀 ,随着多线切割机技术的不断改进 ,这种现象已经大大避免 ;成本高 ,需要大量的切削液 ;片厚由导轮槽距决定 ,因此加工不灵活 ;成功率要求高 ,一旦断线 ,损失巨大 ,是不能实现单片质量控制 ,一次切割完成后 ,才能检测一批圆片的切割质量 ,并且圆片之间切割质量也不相同。三、砂浆系统性能优良的悬浮液兼有切削、粘滞、冷却三大功能 ,在悬浮液中加入的研磨砂主要成份为 ,加入研磨砂后的悬浮液又称砂浆。砂浆在线切生产的耗材成本中超过 ,主要原因是在切割过程中 ,大量硅粉混进砂浆里 ,附着并包围在研磨砂上 ,使砂浆中的在切割前沿材料表面上打滑 ,切削能力减弱 ;为了消除硅粉 ,每次切割后需要更换大量砂浆 ,而一次切割后的砂浆废液里 以上的仍未充分利用。1） 砂浆科学配比2） 砂浆回收系统3） 砂浆粒度控制四、悬浮液特性性能优良的悬浮液兼有切削、粘滞、冷却三大功能 ,在悬浮液中加入的研磨砂主要成份为 ,加入研磨砂后的悬浮液又称砂浆。常用悬浮液为无色透明液体 ,具有粘滞性 ,能携带颗粒随线网一起运动。具有高悬浮、高粘滞、高润滑等特性的悬浮液能够有效降低硅片表面损伤应力 ,减小硅片的切割损伤层 ,提高切削速度。在切割过程中 ,使用具备高悬浮、高润滑、高粘滞、高冷却等性能的悬浮液能够有效降低切割应力 ,减小切割损伤层。悬浮液的作用 1）增加 SiC的分散性，防止其聚沉；2）减小润滑性，降低对硅片的强机械摩擦；3）悬浮液的渗透性，高温可使悬浮液呈汽化分解状态渗入切割前沿 ,气体比液体粘性力小 ,即使微小的间隙也能渗入；4）悬浮液的清洗功能，悬浮液中含有表面活性剂 ,可以包附在碎屑周围 ,使其容易脱落清洗 ,并附着在硅片表面抑止周围颗粒的污染；缺点 1、悬浮液的粘度受热力破坏和变化滞后等原因 ,升温和降温曲线并不完全可逆。并有随温度升高 ,粘度降低 ;随温度降低 ,粘度升高的规律。悬浮液温度低于20℃时 ,粘度较大 ,携带颗粒能力强 ,切割效果好。切割前沿温度约为 200℃。2、悬浮液为弱碱性 ,值受温度影响。悬浮液中金属离子过多时 ,容易导致氧化片。升温时 ,悬浮液值降低 ;降温时 ,悬浮液值升高。 回收后的砂浆需要重新配比 ,值应和原浆一致。如果通过某种方法调节砂浆 PH，控制离子浓度而不重新配比可大幅度降低生产成本。五、切割过程中硅片表面损伤由于线切割过程以机械作用为主 ,常在硅片边沿造成微裂、破损 ,在硅片表面造成损伤 ,这将在后续工艺中引发二次缺陷或因切割力造成芯片破裂。所以减少硅片表面损伤是非常重要的。实验分析和实践都证明 ,用线切割技术加工的硅片其表面损伤深度及表面一致性都要好于内圆切割技术。一般减少硅片表面损伤方向1） 调节线锯的硬度；2） 控制震动的幅度；3） 悬浮液成分的控制；4） 应力的消除；关于应力的消除目前有两种方法， 一种是高温退火法、 另外一种是化学腐蚀掉表面损伤层法。粒度与球磨效率的关系粒度小于 200时，粒度越大切削效率越高，但并非粒度越大越好。因为随着粒度的增大， 固结在线锯表面的磨粒数会降低。 单位面积内参加切削的有效磨粒数减少， 切削效率反而会降低。 粒度为 200时切削效率最高，其原因可能是由于不同线锯固结在其上的金刚石粒度， 分布密度不同。 粒度为 200时，线锯上固结的金刚石粒度大，分布密度高。所以只有当磨料粒度和分布密度达到最佳比例时效率才最高。六、超声震动提高切割效率施加超声振动能明显提高切割效率。切削时，金刚石线锯直接连接到超声振动系统上， 在超声振动下， 金刚石线锯对工件进行进平衡状态下线速度与侧向压力的关系给加工。 金刚石颗粒在几种运动的综合作用下， 不断的锤击、 冲击、 抛磨和刮擦硬脆材料的工件表面。 超声振动之所以能提高切削效率分析原因主要有以下三点 1 工件施加超声振动平面切削过程中磨粒摩擦、挤压、耕犁的路径增加使材料去除率增加。 2 由于超声加工时速度是变化的，磨粒与工件有接触，也有分离 ; 这时磨粒对工件有锤击、冲击、空化等作用，其中冲击、锤击的加速度为 x A ω 2sin ω t 其值最高可达 20 104g。磨料颗粒的直接锤击作用，导致横向裂纹进一步扩展加速了材料的去除。 3 超声振动造成固结在线锯表面的金刚石形成微破碎，破碎的金刚石磨粒起到微切削的作用，形成对材料的去除。