硅片精密切割多线锯研究进展(20180720165008)

2006 年 12月总第 156 期 第 6期金刚石与磨料磨具工程D iamond 精密切割 ;游离磨料多线锯 ;固着磨料多线锯中图分类号 TF125. 3 文献标识码 AProgress of m ulti - w ire saw for prec ision slic ing of sili con waferZhang Feng lin Yuan Hu i Zho u Yum e i W ang C hengyo ng( Faculty of M echanical and E lectronic Engineering, Guangdong U niversity of Technology,Guangzhou 510006, Ch ina )Abstract W ith the development of semi - conductor industry, especially the increasing demand of large - diameter thin siliconfilm for the solar cell, higher requirements on the precision and efficiency of slicing tools are brought forward. The traditi onalouter diameter ( OD ) and inner diameter ( ID ) cutter can not meet the needs of the large size, small kerf - loss, high quality andefficiency of silicon wafer slicing. In this paper, two kinds of multi - wire slicing saws, i. e. free abrasive and fixed abrasive multi- wire saw, for the slicing of large diameter silicon wafer are introduced. The research advances on the slicing mechanism s,character of slurry and slicing parameters of free abrasive multi - wire saw, and the saw wire manufacturing, slicing parameters offixed multi - wire saw are summarized.Keywords silicon wafer, p recision slicing, free abrasive multi - wire saw, fixed abrasive multi - wire saw0 前言随着半导体产业的不断发展 ,对单晶和多晶硅的使用量不断增加 ,尤其是近年来太阳能行业对大面积薄硅片的需求量不断增加 。据统计 , 80%的太阳能电池都要求使用大直径多晶硅锭 。 由于半导体制造技术的成熟 ,硅片其它方面的制造成本不断下降 ,但太阳能电池用硅片的切割成本一直居高不下 ,占到总的制造成本的 30%左右 [ 1 ] 。 随着光电池技术发展 ,要求硅片的厚度 不 断 降 低 , 从 1990 年 的 400m 到 2005 年 的240m,同时单片的面积也从 100cm2 增加到 240cm2 ,光电池的效率从 10%增加到现在的 13%。 随着 3G技术的进一步发展 ,将来对柔性 、 透明 、 超薄 (40μ m 左右 )硅片的需求量也将逐步增加 ,如图 1为德国制造可以弯曲的超薄太阳能电池 [ 2 ] 。总之 ,随着对硅晶体切割图 1 厚度为 70μ m 的薄硅片太阳能光电池(德国 Infineon 技术公司 ) [ 2 ]3 国家自然科学基金 (50605009 ) 、 广东省科技计划 (2005B10201027 ) 、 广东工业大学博士启动基金 ( 043035)资助项目? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第 6 期 张凤林等 :硅片精密切割多线锯研究进展厚度 、 质量和效率要求的不断提高 ,对相应的切割设备和切割工具也提出了更高的要求 。传统硅片切割使用的是金刚石外圆和内圆切割 。对于外圆切割 ,其中一种刀具是在钢质圆片基体外圆部分表面电镀一层金刚石磨粒 。 但受外圆锯片刚度的影响 ,硅片的切缝较大 ( 1mm左右 ) ,而且切割硅片的直径也一般限制在 100mm以内 。另一种刀具是使用表面电镀金刚石磨粒的柔性钢带 ,它主要在硅铸锭的修整或者切割成方形锭时使用 ,例如 Meyer Burger AG公司的 BS800系列 。 内圆切割是在大直径薄钢片基体开内孔 ,在内孔刃部及周边电镀上金刚石磨粒 。由于可以在外圆部分进行夹紧 ,这使内圆锯片的刚性提高 ,其切缝也可以达到 300μ m 左右 。由于在切缝和切割直径 上 的 优 势 , 内 圆 切 割 成 为 切 割 直 径 为 150 -200mm硅片的主要方法 。随着 300mm和更大直径的单晶和多晶硅铸锭出现以及对更薄硅片的需求 ,上世纪 90年代出现了多线锯 ,它可以高效率地切割大直径 、 薄硅片 ,目前成为硅片切割最常用的方法 。 图 2为比较典型的多线锯基本工作原理 [ 3 ] 。本文分别对游离磨料多线锯的切割机理 、 浆料特性 、 切割工艺以及固着磨料多线锯的线锯制造方法 、 切割工艺等方面的研究进展进行综述 。图 2 多线锯工作原理示意图 [ 3 ]1 游离磨料多线锯游离磨料多线锯是最早出现的多线锯 ,它的切割性能明显优于内圆切割 ,如表 1。表 1 游离磨料多线锯切割与内圆切割性能的比较 [ 4]性能 多线锯切割 内圆切割切割方法 研磨 磨削切割表面特征 线痕 破碎与断裂损伤深度 均匀 ,在 10 - 15μ m 变化 ,在 20 - 30μ m生产效率 1935 - 12900 cm 2 /hr 1290 - 2580 cm 2 /hr每行程切割的硅片数 最高 3200 1每切的切缝损失 200 - 300μ m 300 - 500μ m切割的最小硅片厚度 200μ m 300μ m硅锭高度上每英寸生产硅片的数量 31 27最大切割直径 300 mm 200 mm1. 1 切割机理游离磨料多线锯的切割线多使用表面镀 Cu的不锈钢丝 ( < 150 - 300μ m ) ,单根线总长度可以达到 600- 800 km , 在使用过程中含有粒度约 10 - 15 μ m 的SiC或者金刚石的浆料进入切割区域 ,钢丝表面的磨料在钢丝的压力和速度的带动下进行硅片的切割 ,如图 3。 尽管游离磨料多线锯已应用很多年 ,但其磨料和硅片之间相互作用机理还不是非常清楚 [ 5 ] 。 根据传统的研磨机理 ,M ller等人研究认为加工过程中呈棱角状的磨料在锯丝的压力下通过“ 滚压入 ” 方式使硅表面产生塑性变形区以及横向裂纹和中间裂纹 ,从而使硅不断去除 [ 1, 6 ] ,如图 4。 Yang等人还同时考虑“ 滚压入 ” 以及 “ 划擦压入 ” 两种机制建立了游离磨料切割硅片的模型 [ 7 ] 。 L i 通过建立“ 滚压入 ” 的应力模型 ,得出最大的剪切应力在压入点的下方 ,这有利于硅的次表层裂纹的生成和扩展以及表层材料的剥离 [ 8 ] 。图 3 游离磨料多线锯切示意图图 4 游离磨料多线锯切 “ 滚压入 ” 机理示意图1. 2 浆料特性浆料通常是使用矿物油或者乙二醇等带有一定粘度的介质与 SiC或者金刚石混合而成 。 在游离磨料多线锯的切割过程中浆料首先供应到切割线上 ,然后被带到切割工作区域 ,因此浆料会对切割效率起决定性作用 。 日本的 Ishikawa等人采用高速摄影等方法研究了多线锯切割过程中浆料的行为 ,发现浆料的加入状态不同会影响切割效率和表面质量 [ 9 ] 。 他认为当浆料供应进入多根锯丝表面上形成“ 水平膜 ” 时 ,磨料的储存状态比未形成水平膜要好 ,因此其切割效率和表面51? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net金刚石与磨料磨具工程 总第 156 期质量都要比浆料供应不足时的未成膜状态好 。而成膜状态可以从浆料供应角度和位置上调整 。 此外 ,“ 水平膜 ” 的形成还和浆料的表面张力及粘度有关 。 Ishikawa还在另一个研究中发现空气会随着浆料进入切割区域形成气泡或者空气层 ,这对切割效率和表面质量都会有影响 [ 10 ] 。 此外 ,由于浆料要循环使用 ,对浆料中混入的硅切屑要通过循环系统进行去除 ,并定时补充新浆料 。 因此研究可以提高切割效率 、 长时间循环使用 、环保 、 减少 SiC用量的新型悬浮剂也是将来的重要发展方向 。1. 3 切割工艺研究目前游离磨料多线锯切割的工艺研究主要集中在振动切割 、 切割方向 、 线张力等方面 。 Ishikawa通过理论和实验研究发现 ,当使用振动切割时 ,切割效率可以提高 2倍 [ 11 ] ;当切割线固有频率远高于施加频率时 ,线不产生振动 ,呈直线状态 ;而当切割线振幅高于线的静态偏差时 ,切割效率会提高 。 W atanabe提出使用单向运动多线锯可以提高锯切的稳定性 ,避免传统的双向运动多线锯在每一个循环过程中都存在的加速 、 减速 、 停止阶段 ,可以实现高的走线速度 (800 - 1350 m /m in) ,大大提高了切割效率 [ 12] 。 而对于线张力则存在一个最优值 ,由于采用的不锈钢丝强度有限 ,过大的张力会造成断线 ,过小的线张力不但会造成切割效率下降 ,同时也会使 硅片 的挠曲 度增 大 , 影 响硅 片的质量 [ 13 ] 。2 固着磨料多线锯由于游离磨料多线锯切割是利用浆料中的磨料运动对硅材料进行研磨型加工 ,磨料与硅材料的实际接触面积较小 ,因此材料的去除率较低 ,加工时间较长 。如果要加工更硬的或者更难加工的材料 ,这种游离磨料多线 锯 就 很 难 胜 任 了 [ 14 ] 。上 世 纪 80 年 代 美 国Crystal System 公 司 就 申 请 了 固 着 磨 料 多 线 锯 的 专利 [ 15, 16 ] 。 通常是使用电镀的方法将金刚石磨料固着在不锈钢细丝表面 ,加工过程中锯丝上的金刚石直接获得运动速度和一定的压力对硅材料进行磨削加工 ,相比游离磨料多线锯的“ 三体加工 ” ,它属于“ 二体加工 ” ,其加工效率是游离磨料多线锯的数倍以上 。 目前有关固着磨料多线锯的研究主要集中在固着磨料锯丝的制造方法以及锯切工艺等方面 。2. 1 固着磨料锯丝的制造固着磨料锯丝使用的人造金刚石粒度一般在 D20- D76之间 ,锯丝的基体一般使用高强度的弹簧钢丝(钢琴线 ) ,其直径一般在 180 - 300μ m之间。 锯丝的基体除了圆截面外还有非圆截面 ,其目的是增加钢丝强度 、 减小切缝宽度 。 比如美国 Crystal System 公司提出泪滴形截面锯丝 [ 17, 18 ] ,如图 5所示 。目前锯丝上固着金刚石磨料的方法主要包括 :电镀法 、 树脂粘结法 、 机械镶嵌法 、 钎焊法等 。图 5 非圆形截面的固着磨料锯丝2. 1. 1 电镀法电镀法是在不锈钢丝表面同时沉积一层 N i 和金刚石磨料 。 图 6为 Saint - Gobain的 W inter电镀金刚图 6 Saint - Gobain的 W inter 金刚石多线锯丝的表面金刚石分布状态 ( a) 、 横截面的结构 ( b)和金刚石的结合状态 ( c) [ 19 ]61? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第 6 期 张凤林等 :硅片精密切割多线锯研究进展石多线锯丝表面的金刚石分布状态 ( a) 、 横截面的结构 ( b)和金刚石的结合状态 ( c) [ 19] 。从图中可以看到 ,金刚石在锯丝表面分布比较均匀 ,而且与 N i镀层处于较好的镶嵌状态 。 Lee等人还研究了电镀金刚石颗粒的机理 ,他发现 N i的沉积速度受到传质速度和分解速度的共同影响 ,而金刚石沉积的浓度则受到外加电压和搅动速度的影响 [ 20 ] 。电镀后如果使用激光进行表面处理还可以进一步增加镀层对金刚石磨料的结合强度 [ 14 ] ,其处理后锯丝表面状态如图 7。国内的山东大学也开发了电镀金刚石环形单线锯锯丝 [ 21 ] 。图 7 表面经过激光处理的电镀金刚石锯丝表面形貌 [ 14 ]2. 1. 2 树脂粘结法使用树脂结合剂也可以把金刚石固着在细钢丝的表面 。 通常使用酚醛类的树脂 ,把树脂 、 溶剂和金刚石混合后涂覆在不锈钢丝表面 ,经固化后就可以把金刚石固着 ,其表面形貌如图 8[ 22 ] 。通常情况下金刚石的表面通常先镀一层 N i,这样可以提高金刚石与树脂的结合强度 。 树脂粘结法可以使用更细的锯丝 ,如 0. 13- 0. 15mm, 这 样 可 以 进 一 步 减 少 切 缝 的 厚 度( 0. 19mm)。 但树脂结合剂的低强度也导致了锯丝容易磨损 ,金刚石容易脱落 。因此有人在树脂中加入金属粉末 ,这可以在一定程度上提高结合剂对金刚石的结合强度 [ 23 ] 。图 8 树脂粘结法金刚石锯线的形貌 [ 22 ]2. 1. 3 机械镶嵌法机械镶嵌法是把金刚石磨料通过滚压方法压入到钢丝表层 ,形成机械的镶嵌作用 ,从而把金刚石磨料固着 [ 14 ] 。 图 9就是经过滚压镶嵌金刚石磨料的锯丝表面形貌 。图 9 滚压镶嵌金刚石磨料的锯丝表面形貌 [ 14 ]2. 1. 4 钎焊法以上三种方法金刚石与基体和结合剂之间都是简单的机械镶嵌或弱的分子间作用力 ,结合剂与金刚石的结合强度不高 ,加工过程中金刚石容易脱落 。而钎焊法中的钎料合金在高温下可以与金刚石形成化学冶金结合 [ 23 ] ,其高的结合强度是其它三种方法不能比拟的 ,此外钎焊法比其它方法固着的金刚石的出刃高度也高 ,可以达到金刚石颗粒本身高度的 1 /2 以上 ,如图10所示 ,这使其锋利度也远高出其它方法制造的锯丝 。 但由于钎焊温度较高 ,会严重影响钢丝的强度和韧性 ,因此目前只能钎焊直径 2mm 以上的钢丝 [ 24 ] 。钎焊法制造金刚石细锯丝还处于实验研究阶段 ,本课题组也在从事这方面的研究工作并取得一定的进展 。随着基体材料 、 钎焊手段 、 钎焊材料以及钎焊工艺方面的创新 、 改进和完善 ,将来有望在 200μ m 左右的丝基体上钎焊金刚石磨料 ,制造出高强度的金刚石线锯锯丝 。图 10 金刚石 、 钎料合金和钢基体的结合状态示意图2. 2 锯切工艺Hardin 的硕士论文中详细地研究了电镀金刚石线锯切割 SiC的锯切工艺 [ 25 ] 。他认为锯切力直接影响到切割片的表面质量 ,下行进给速度不会影响切割片71? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net金刚石与磨料磨具工程 总第 156 期的表面质量 ,但会影响到切割片表面损伤层的厚度 ;摇摆切割也有利于提高切割片的表面质量 。 Schmid 也认为摇摆切割可以减少锯丝与被切割材料之间的接触面积 ,增加金刚石颗粒尖端与被切割材料的压力 ,从而提高切割效率 [ 26 ] 。国内的葛培琪和高伟等也研究了自主开发的单线锯的锯切工艺参数 [ 27, 28] 。3 展望由于固着磨料多线锯的诸多优点 ,已经逐渐取代游离磨料多线锯 。 但目前受磨料在基体上固着方法的限制 ,金刚石磨料与锯丝基体结合强度不高 ,锯丝的寿命也受到限制 。因此研究新型的磨料固着方法 ,使用更细 、 强度更高的锯丝基体 ,提高锯丝的寿命 ,改进多线锯锯切工艺参数 ,减小切缝宽度 ,提高切割晶体表面质量将是硅片精密切割多线锯的研究和发展方向 。参考文献1 MllerHJ.Basicmechanismsandmodelsofmulti-wiresawing[J],AdvancedEngineeringMaterials,2004(6): 501-5132WillekeGP. 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