硅片多絲切割技術(shù)的工藝研究*

□ 鄭小軍 □ 肖俊建 □ 吳 軍

衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 浙江衢州 324000

硅片多絲切割技術(shù)的工藝研究*

□ 鄭小軍 □ 肖俊建 □ 吳 軍

衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 浙江衢州 324000

隨著世界范圍能源供應(yīng)的日趨緊張和太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)硅片切割加工能力和硅片產(chǎn)能提出了更高的要求。論述了常見(jiàn)的硅片切割的方法，對(duì)硅片切割影響因素和多絲切割技術(shù)等工藝問(wèn)題進(jìn)行了探討。

多絲切割 影響因素 工藝研究

目前，制作光伏太陽(yáng)能電池的主要材料是晶體硅片，據(jù)估算，每生產(chǎn)1 MW的太陽(yáng)能電池組件需要17 t左右的原料。據(jù)Clean Edge預(yù)測(cè)，到2015年，全球太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)需求規(guī)模將從2005年的100億美元猛增到500億美元，這就需要有足夠多的硅原料和硅片切割設(shè)備，硅片的切割技術(shù)將直接關(guān)系到硅片切割的質(zhì)量與生產(chǎn)規(guī)模，直至影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。

在集成電路等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，對(duì)硅片的需求同樣巨大。在半導(dǎo)體材料中，硅占了95%以上，硅原料的供不應(yīng)求、切割加工能力的落后已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了我國(guó)太陽(yáng)能和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此研究一種先進(jìn)的硅片切割技術(shù)已迫在眉睫。

1 硅片切割的常見(jiàn)方法

目前，采用硅片切割方法有內(nèi)圓切割和自由磨粒的多絲切割兩種，而固定磨粒線鋸實(shí)質(zhì)上是一種用線性刀具替代環(huán)型刀具的內(nèi)圓切割。在這兩種切割方法中，前者是傳統(tǒng)的硅片加工方法，如圖1（a）所示，它的缺點(diǎn)是材料利用率較只有40%～50%，同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的限制，這種方法也無(wú)法加工直徑大于200 mm以上的硅片。后者是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型硅片切割技術(shù)，它通過(guò)一系列鋼絲帶動(dòng)碳化硅研磨料進(jìn)行研磨加工來(lái)切割硅片，如圖1（b）所示。與前者相比，多絲切割具有切割效率高、刀損小、成本低、切片表面質(zhì)量好、可加工硅碇直徑大、每次加工硅片數(shù)多等諸多優(yōu)點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)圓切割與多絲切割的對(duì)比

2 硅片切割的影響因素

硅片多線切割機(jī)理就是通過(guò)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鋼絲帶動(dòng)由聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂漿，并把它們送到切割區(qū)域，與壓在絲網(wǎng)上的硅錠連續(xù)發(fā)生摩擦，最終完成切割的過(guò)程。

在硅片切割過(guò)程中，影響硅片成品率和質(zhì)量的主要因素有切割液（PEG）的黏度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂漿的流量、鋼絲的張力以及鋼絲的速度等。

2.1 切割液（PEG）的黏度

在切割過(guò)程中，切割液主要起懸浮和冷卻的作用。切割液黏度只有符合機(jī)器要求，才能保證碳化硅微粉均勻懸浮其中，從而使砂漿穩(wěn)定地通過(guò)砂漿管道隨鋼絲一起進(jìn)入切割區(qū)域。

2.2 碳化硅微粉的粒型及粒度

硅片的切割實(shí)質(zhì)上是鋼絲和碳化硅微粉共同作用的結(jié)果，微粉的粒型及粒度直接關(guān)系到切片表面質(zhì)量和切割能力。粒型規(guī)則，切出來(lái)的硅片表面光潔度就好；粒度分布均勻，硅片的切割能力就會(huì)提高。

2.3 砂漿的流量

在硅片切割過(guò)程中，用砂漿泵將砂漿從儲(chǔ)料箱中輸送到噴砂嘴，再由噴砂嘴噴到高速運(yùn)動(dòng)的鋼絲上。為保證切割的順利進(jìn)行，必須對(duì)砂漿的流量進(jìn)行嚴(yán)格控制，流量不均勻或流量跟不上，都會(huì)出現(xiàn)切割能力的嚴(yán)重下降，導(dǎo)致絲痕片、斷絲、機(jī)器報(bào)警直至產(chǎn)品報(bào)廢。

▲圖1 內(nèi)圓切割與多絲切割原理示意圖

2.4 鋼絲的張力

翹曲度是硅切片的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，而翹曲的產(chǎn)生歸因于切割過(guò)程中鋼絲的張力對(duì)切片質(zhì)量的影響。切片翹曲不僅會(huì)大大增加后續(xù)的研磨、拋光時(shí)間，而且對(duì)晶片的加工效率和加工成本都會(huì)造成嚴(yán)重影響。實(shí)驗(yàn)研究表明：張力越大，翹曲度越低，但張力過(guò)大容易斷絲，且會(huì)造成工作導(dǎo)輪壽命降低。因此，需要在滿足切片要求的條件下，適當(dāng)調(diào)整鋼絲的張力，一般加工時(shí)張力值設(shè)定在15～30 N為宜。若張力過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致鋼絲彎曲度增大，帶砂能力下降，切割能力降低。

除了對(duì)切片翹曲度的影響之外，張力的波動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致相鄰晶片間的中心厚度不均勻，影響切片厚度的一致性和精確性。

2.5 鋼絲的速度

采用單向走絲或雙向走絲的機(jī)器，它們對(duì)絲速的要求是不同的。單向走絲時(shí)，絲線速度恒定，操控容易，目前僅限于MB和HCT機(jī)器。

雙向走絲時(shí)，絲速在2～3 s的時(shí)間內(nèi)沿某一方向由零加速到規(guī)定速度，運(yùn)行一段時(shí)間后，逐漸減速至零，暫停約0.2 s后再反向重復(fù)上面的加減速過(guò)程，而后一直以這個(gè)循環(huán)周期作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在雙向切割的過(guò)程中，機(jī)器的切割能力在一定范圍內(nèi)隨著絲速提高而提高，但不能低于或超過(guò)砂漿的切割能力。如果低于砂漿的切割能力，就會(huì)出現(xiàn)絲痕片甚至斷絲；反之，如果超出砂漿的切割能力，就可能導(dǎo)致砂漿流量跟不上，從而出現(xiàn)厚薄片甚至絲痕片等。

3 多絲切割技術(shù)

3.1 多絲切割加工機(jī)理

多絲切割技術(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的硅片加工技術(shù)，它的切割原理是通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)的鋼絲帶動(dòng)附著在鋼絲上的切割磨料（包括游離磨料和固結(jié)磨料）對(duì)半導(dǎo)體等硬脆材料進(jìn)行摩擦，從而達(dá)到切割效果。

多絲切割機(jī)主要由收/放線輥、加工輥、導(dǎo)輪系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)和砂漿供給系統(tǒng)組成，如圖2所示。切割線從放線輥開(kāi)始，通過(guò)一系列導(dǎo)輪纏繞到呈三角分布的3個(gè)加工輥上 （也可以2個(gè)或4個(gè)加工輥），之后再通過(guò)一系列導(dǎo)輪繞到收線輥上。3個(gè)加工輥中通常有一個(gè)作為主動(dòng)輥，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，另外幾個(gè)通過(guò)同步帶與之相連。在加工輥上按切割寬度要求，平行刻有一系列一定深度的溝槽，鋼絲纏繞在這些溝槽上，形成一張由數(shù)百根平行金屬絲構(gòu)成的金屬絲網(wǎng)。在加工過(guò)程中，溝槽能保證鋼絲始終保持平行，不跑偏。加工時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)加工輥，加工輥帶動(dòng)纏繞其上的鋼絲，使加工段部位的鋼絲作單向或往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，絲線單向運(yùn)行加工出的硅片表面質(zhì)量較差，可用作太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的基材；絲線往復(fù)運(yùn)行加工出的硅片表面質(zhì)量較好，可用作集成電路產(chǎn)業(yè)的基片。

▲圖2 多絲切割機(jī)工作原理圖

▲圖3 線鋸切割斷面的幾何參數(shù)

3.2 多絲切割效率

由于目前硅片切割的產(chǎn)能仍然不足，如何提高硅片切割的效率，減少切割的損耗成為一個(gè)非常值得關(guān)注的問(wèn)題。在多絲切割過(guò)程中，刀損在所有材料加工損耗中占有較大的比例，這一比例有時(shí)高達(dá)50%以上（見(jiàn)圖3）。另一方面，由于切割時(shí)產(chǎn)生的切屑粒非常微小，切屑粒進(jìn)入研磨液中后，會(huì)造成切割效率下降。而要將其從研磨液中分離出來(lái)，成本較高，實(shí)施困難。因此，通過(guò)減小切片的厚度來(lái)提高單位材料的產(chǎn)出率；通過(guò)減小切割的刀損來(lái)提高原材料的利用率；通過(guò)提高磨粒的利用率來(lái)降低加工成本已成為當(dāng)前硅片切割加工中所追求的方向和目標(biāo)。表2是EPIA國(guó)際委員會(huì)對(duì)過(guò)去晶片厚度和切絲直徑的統(tǒng)計(jì)和對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)。由表中可見(jiàn)，到2020年，晶片的厚度和切絲的直徑與2005年相比將減少50%以上。

表2 EPIA國(guó)際委員會(huì)統(tǒng)計(jì)分析后給出的預(yù)測(cè)

由計(jì)算可知，當(dāng)鋼絲直徑減半后（由φ0.16 mm減至φ0.08 mm），單一硅錠的硅片產(chǎn)量將提高44.4%，切削量將下降27.8%，切割絲控制張力按要求下降75%，單位硅材料的損耗將大幅下降，晶圓的產(chǎn)出率大幅提高。因此細(xì)絲切割是多絲切割技術(shù)發(fā)展的方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

硅片切割技術(shù)是硅片 （晶圓）生產(chǎn)的上游關(guān)鍵技術(shù)，切片的質(zhì)量與產(chǎn)能直接影響到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的后續(xù)生產(chǎn)。因而研究硅片切割的方法、影響因素、多絲切割加工機(jī)理和多絲切割效率意義重大。多絲切割作為一種先進(jìn)的切割技術(shù)，目前已逐漸取代傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割成為硅片切片加工的主要切割方式，對(duì)細(xì)絲多絲切割的研究具有迫切與深遠(yuǎn)的意義。

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（編輯 丁 罡）

TH122；TG669

A

1000-4998（2015）02-0066-03

*浙江省衢州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2013Y006）

2014年8月