硅片切割技术的工艺研究

硅片切割技术的工艺研究摘要： 随着全球各国绿色能源的推广和近年来半导体产业的超常规发展， 硅片切割加工能力的落后和产能的严重不足已构成了产业链的瓶颈。 本文主要论述了硅片切割常用方法， 影响硅片切割的因素， 最常见的硅片切斜问题， 切割技术的发展趋势 — 多线切割技术等硅片切割的工艺问题。关键词 ：多线切割，因素，斜切0 引言：硅片切割是电子工业主要原材料一硅片 (晶圆 )生产的上游关键技术，切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产。 在电子工业中， 对硅片的需求主要表现在太阳能光伏发电和集成电路等半导体产业上。随着人们环保意识的不断增强， 充分利用太阳的绿色能源被高度重视， 发展势头及其迅猛。晶体硅片是制作光伏太阳能电池的主要材料，每生产 1MW 的太阳能电池组件需要 17 吨左右的原料。 Clean Edge 预计，全球太阳能发电市场的规模将从 2005 年的 110 亿美元猛进增到 2015 年的 510 亿美元。 显然太阳能产业的迅猛发展需要更多的硅原料及切割设备来支撑。除太阳能电池外，硅片的巨大需求同样表现在集成电路等半导体产业上。硅占整个半导体材料的 95%以上，单晶硅片是半导体器件生产的关键性基材，是当之无愧的电子产业的基础支撑材料。 2010 年，电子级多晶硅年需求量达到约 2000 吨，光伏级多晶硅年需求量将达到约 4200 吨。 硅原料的供不应求， 切割加工能力的落后和严重不足构成了产业链的瓶颈，严重阻碍了我国太阳能和半导体产业的发展。 因此， 未来的 3 至 5 年间， 将是中国晶硅产业快速发展的黄金时期。1．硅片切割的常用方法：硅片加工工艺流程一般经过晶体生长、切断、外径滚磨、平边、切片、倒角、研磨、腐蚀、抛光、 清洗、 包装等阶段。近年来光伏发电和半导体行业的迅速发展对硅片的加工提出了更高的要求 (图 1.2)：一方面为了降低制造成本，硅片趋向大直径化。另一方面要求硅片有极高的平面度精度和极小的表面粗糙度。 所有这些要求极大的提高了硅片的加工难度， 由于硅材料具有脆、硬等特点，直径增大造成加工中的翘曲变形，加工精度不易保证。厚度增大、芯片厚度减薄造成了材料磨削量大、效率下降等。硅片切片作为硅片加工工艺流程的关键工序， 其加工效率和加工质量直接关系到整个硅片生产的全局。 对于切片工艺技术的原则要求是： ①切割精度高、 表面平行度高、 翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀 (钢丝 )切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。目前，硅片切片较多采用内圆切割和自由磨粒的多线切割 (固定磨粒线锯实质上是一种用线性刀具替代环型刀具的内圆切割 )。内圆切割是传统的加工方法（图 1.3a） ，材料的利用率仅为 40％～ 50％左右；同时，由于结构限制，内圆切割无法加工 200mm 以上的大中直径硅片。（ a）为内圆切割 （ b）为多线切割图 1.3 多丝切割与内圆切割原理示意图多线切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切割技术， 它通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片（图 1.3b） 。和传统的内圆切割相比，多线切割具有切割效率高、材料损耗小、成本降低、硅片表面质量高、可切割大尺寸材料、方便后续加工等特点 (见表1.1)。特点 多丝切割 内圆切割切割方法 研磨 磨削硅片表面特征 丝痕 断裂 & 碎片破坏深度 (um) 5--15 20--30 生产效率（ cm2/hr） 110--200 10--30 每次加工硅片数 200--400 1 刀损 (um) 180--210 300--500 硅片最小厚度 (um) 200 350 可加工硅碇直径 (mm) >300 Max 200 表 1.1：内圆切割与多线切割的对比2. 影响硅片切割的因素：在整个切割过程中， 对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、 碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、 砂浆的流量、 钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。2.1 、切割液（ PEG）的粘度由于在整个切割过程中，碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割的，所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。由于不同的机器开发设计的系统思维不同，因而对砂浆的粘度也不同， 即要求切割液的粘度也有不同。 例如瑞士线切割机要求切割液的粘度不低于 55，而 NTC要求 22-25 ，安永则低至 18。只有符合机器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉的均匀悬浮分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中， 会因为摩擦发生高温， 所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。 如果粘度不达标， 就会导致液的流动性差， 不能将温度降下来而造成灼伤片或者出现断线，因此切割液的粘度又确保了整个过程的温度控制。2.2 、碳化硅微粉的粒型及粒度太阳能硅片的切割其实是钢线带着碳化硅微粉在切， 所以微粉的粒型及粒度是硅片表片的光洁程度和切割能力的关键。 粒型规则， 切出来的硅片表明就会光洁度很好； 粒度分布均匀，就会提高硅片的切割能力。2.3 、砂浆的粘度线切割机对硅片切割能力的强弱， 与砂浆的粘度有着不可分割的关系。 而砂浆的粘度又取决于硅片切割液的粘度、 硅片切割液与碳化硅微粉的适配性、 硅片切割液与碳化硅微粉的配比比例、 砂浆密度等。 只有达到机器要求标准的砂浆粘度（如 NTC机器要求 250 左右）才能在切割过程中，提高切割效率，提高成品率。2.4 、砂浆的流量钢线在高速运动中， 要完成对硅料的切割， 必须由砂浆泵将砂浆从储料箱中打到喷砂咀，再由喷砂咀喷到钢线上。 砂浆的流量是否均匀、 流量能否达到切割的要求， 都对切割能力和切割效率起着很关键的作用。如果流量跟不上，就会出现切割能力严重下降，导致线痕片、断线、甚至是机器报警。2.5 、钢线的速度由于线切割机可以根据用户的要求进行单向走线和双向走线， 因而两种情况下对线速的要求也不同。单向走线时，钢线始终保持一个速度运行（ MB和 HCT可以根据切割情况在不同时间作出手动调整）， 这样相对来说比较容易控制。目前单向走线的操作越来越少， 仅限于 MB和 HCT机器。双向走线时， 钢线速度开始由零点沿一个方向用 2-3 秒的时间加速到规定速度， 运行一段时间后， 再沿原方向慢慢降低到零点， 在零点停顿 0.2 秒后再慢慢地反向加速到规定的速度，再沿反方向慢慢降低到零点的周期切割过程。 在双向切割的过程中， 线切割机的切割能力在一定范围内随着钢线的速度提高而提高， 但不能低于或超过砂浆的切割能力。 如果低于砂浆的切割能力，就会出现线痕片甚至断线； 反之，如果超出砂浆的切割能力， 就可能导致砂浆流量跟不上，从而出现厚薄片甚至线痕片等。2.6 、钢线的张力钢线的张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一。张力控制不好是产生线痕片、崩边、甚至短线的重要原因。钢线的张力过小， 将会导致钢线弯曲度增大，带砂能力下降，切割能力降低。从而出现线痕片等。钢线张力过大， 悬浮在钢线上的碳化硅微粉就会难以进入锯缝，切割效率降低，出现线痕片等， 并且断线的几率很大。 如果当切到胶条的时候， 有时候会因为张力使用时间过长引起偏离零点的变化，出现崩边等情况。2.7 、工件的进给速度工件的进给速度与钢线速度、 砂浆的切割能力以及工件形状在进给的不同位置等有关。 工件进给速度在整个切割过程中，是由以上的相关因素决定的，也是最没有定量的一个要素。但控制不好，也可能会出现线痕片等不良效果，影响切割质量和成品率。3. 硅片切斜问题：硅片切割过程中较常见的问题是硅片切斜现象。如果在切割过程中，有部分硅片出现掉片现象或硅片出现厚薄不均， 硅片表面出现明显的锯痕， 统称为硅片切斜。 引起硅片切斜的根本原因是由于各种因素使得钢线与硅片出现相对的横向移动，造成切割方向的移动。3.1 切割中钢线张力过小钢线张力过小，使得钢线的牵引力减小，而受到的摩擦力过大，引起钢线水平抖动，引起切斜。常见有以下两种形式：1）张力臂的气缸漏气，导致钢线的张力过小；2）钢线在导论上缠绕时前后分布不均。解决方案：使用张力仪测量钢线张力，及时更换气缸；在编织线网时，使得钢线均匀分布在导论上。3.2 导轮对硅片切斜的影响导轮方面引起硅片切斜的原因：1）导轮上得线槽太浅，切割时钢线容易跳出线槽；2) 导轮开槽不规范及搬运是磕碰引起线槽不平行；3）硅片切割过程中有异物进入并引起钢线跳线。解决方案： 规范开槽操作，及时更换铣刀；导轮搬运时注意保护导轮外表面；保护机床卫生，减少异物进入。3.3 砂浆对硅片切斜的影响砂浆由悬浮液和碳化硅按 1:1 的配比组成，在切割中有着重要作用。1）悬浮液的携沙能力较差。在配制砂浆时，悬浮液的密度为 1.125kg/l （室温 25℃） ，若偏小，会导致其携沙能力下降，在钢线切割时阻力增大，从而产生切斜。2）碳化硅切割能力不足切割前砂浆密度应该保持在 1.620-1.630 kg/l ， 如果密度过低， 表面砂浆碳化硅的比例偏少， 使得棱角不锋利的碳化硅进行切割， 造成切割能力不足而引起切斜现象； 另外由于切割时摩擦产生的热量引起砂浆温度上升， 过高的温度造成砂浆密度降低， 也会引起切割能力下降；切割时砂浆流量过小，也会减低硅片切割能力。解决方案：正确使用悬浮液和碳化硅的配比，并在使用砂浆过程中注意砂浆温度和流量的控制。4 切割技术的发展趋势：作为一种先进的切割技术， 多线切割已经逐渐取代传统的内圆切割成为目前硅片切片加工的主要切割方式，目前，瑞士 HCT 公司， Meyert Burger 公司，日本 Takatori（高鸟）等少数著名制造厂商先后掌握了该项关键技术， 并推出了相应的多线切割机床产品， 尤其是大尺寸的切割设备。多线切割机的关键技术：（ 1）高精度排线导轮（导丝辊）多辊同步驱动技术；（ 2）恒张力控制技术。钢线保持相对恒定的张紧力，是保证切割表面质量的主要因素；（ 3）高精度切割进给伺服控制系统。配合钢线张力自动控制进给系统，保证在不断线的条件下实现切割的高效性；（ 4）高精度排线导轮系统的制造及耐用度技术；（ 5）自动排线功能。以提高切割线的使用率，节约生产成本图 4.1：线锯切割断面的几何参数在上游原材料加工产能受限的今天，一方面由于多线切割的刀损（图 4.1）在材料加工损耗中占有较大的比例（有时可达到 50%以上） ，且材料的切屑粒微小、共存于研磨液中，造成切割效率下降。 另一方面由于将研磨粒与其分离成本较高， 实施较难。 故减小晶片的厚度（提高单位材料的产出率） ， 减小切割的刀损 （提高原材料的利用率） ， 提高磨粒的利用率（降低加工成本） ， 已成为迫切的要求。 EPIA 国际委员会统计分析后给出的预言指出， 未来的 15 年内，晶片的厚度和切割丝直径将减少一半（表 4.2） 。表 4.2： EPIA 国际委员会统计分析后给出的预言由此可见，当切割硅碇的钢丝直径减半后（由原来的 Φ 0.16mm 减至 Φ 0.08mm） ，单一硅碇的硅片产量将提高 44.4%， 切削量将下降－ 27.8%， 切割丝控制张力按要求下降－ 75％，单位硅材料的损耗将大幅下降， 晶圆的产出率大幅提高。 因此细丝线锯是众多学者努力的方向，对细丝多线切割的研究具有迫切与深远的意义。5. 结论：硅片切割是电子工业主要原材料一硅片 (晶圆 )生产的上游关键技术，切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产。 故而研究影响硅片切割问题的因素、 硅片切割新技术 （多丝切割） 、硅片通常出现的问题 — 切斜问题意义重大。多丝切割作为一种先进的切割技术，目前已逐渐取代传统的内圆切割成为硅片切片加工的主要切割方式。 故对细丝多丝切割的研究具有迫切与深远的意义。减少硅料消耗、提高切割效率，提高切片质量和机床的可靠性，降低硅片切割生产成本是新一代多线切割机追求的目标。参考文献：【 1】任军海、龙峰，硅片切割中切斜问题分析 《 硅谷》 2011 年 8 月上【 2】 李军 《太阳能电池硅片切割加工技术行业现状和发展趋势》 2010.7【 3】 刘秀琼 《硅材料技术专业教学中仿真技术的开发与应用》 《广州化工》 2011 年 39卷第 18 期