线切割硅片表面探究

栾国旗，杨士超，马玉通

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

多线切割机的原理是通过伺服电机控制的放线轮拉出的镀铜拉丝绕过几个起转向作用的滑轮，然后经过控制张力的控制器，在切割室内连续缠绕在2～4个主导轮上，形成一个在水平面上弥补的平行线网。而在线网的上方，单晶的两侧布置有砂浆喷灌提供稳定的砂浆流量。钢丝绕过线网后再通过滑轮和张力回到收线轮上，在切割时高速运动的钢线携带附着在钢丝上的SiC 磨料对硅棒进行研磨从而达到切割的效果。在切割过程中钢线通过滑轮的引导，在导轮上形成一张线网，而待加工硅棒通过工作台的下降或上升实现工作的供给，把硅晶棒按一定晶格方向切割成片。硅片加工是芯片制造中的重要环节。硅片加工的精度，表面粗糙度和整体的完整性关系到后续制造的成品率。采用内圆金刚石锯片切割，硅片会产生较大的翘曲变形，最大翘曲会达到40 μm 左右，表面残留切痕和损伤层会达到50 μm 左右。现在采用游离磨料的方式进行多线切割，一方面切割效率发生革命性变化，一方面，在线痕，翘曲和表面损伤也有较大幅度的改善。硅片的损伤层过大，影响到硅片制作工艺过程中的前清洗腐蚀深度。因此如何降低硅片的表面损伤，对硅片的质量和成品率有着非常重要的意义[1]。

1 线切割机加工原理

在切割过程中钢线通过滑轮的引导，在导轮上形成一张线网，而待加工硅棒通过工作台的下降或上升实现工作的供给，把硅晶棒按一定晶格方向切割成片，如图1所示。

图1 切割区示意图

2 表面损伤层研究

多线切割的加工为机械加工过程，因而常在硅片的边缘形成裂纹和破损缺失，在硅片的表面会形成划痕和坑凹。这些缺陷会影响硅片的质量和成品率。

2.1 硅片表面损伤层

图2和3为硅片表面SEM图，由图可以看出：（1）硅片表面呈蜂窝状,有大孔、小孔和微孔。这是由于多线切割的加工过程为磨料进行滚动切割过程，图上的孔洞为磨料的尖角压入硅块的切割缝中，钢线是不断运动的，带动磨料也进行滚动，孔洞为磨料滚动切割过程中留下的。（2）大孔孔径在5 μm 左右，小孔在2 μm，微孔在微米级以下。孔洞的大小取决于磨料尖角的大小、切割时垂直力的大小和钢线的振动幅度。不同型号规格砂子的粒径将会不同，砂子尖角的大小也会不同。垂直力的大小主要受切割时工艺参数和砂子形貌的影响。

图2 硅片表面放大1000X SEM图

图3 硅片表面放大2000X SEM图

图4和5为硅片截面的SEM图，可以看出：（1）损伤层表现为无规则山峰沟谷状,并且伴随有裂纹；(2)损伤层小于5 μm。损伤层从外到里分为,表面镶嵌层和缺陷应力层,表面镶嵌层由微小的SiC 颗粒和Si 颗粒组成;缺陷应力层由于SiC 对晶体的挤压形成晶格形变而形成,此层为应力集中区[2]。

3 损伤层影响因素研究

损伤层为机械加工过程中，磨料滚动过程中形成的。影响磨料的滚动状态有两个主要因素，一是磨料受到的压力，正压力越大其滚动摩擦力越大；另外因素是砂子的形态，尖角是否足够尖锐及尖角的大小。

3.1 垂直压力的影响

图4 硅片截面边缘2000X SEM图

图5 硅片截面边缘5000X SEM图

磨料受到的垂直压力越大，切割时的线弓越大，切割速度也越快，硅片表面的沟堑也越明显。如果要得到表面损伤层较低的硅片，需要降低垂直压力。多线切割的工作台速度和钢线走线速度为切割时的关键工艺参数。

如图6，降低垂直压力，即降低Fv，与Fv 直接相关的为工作台速度和钢线走线速度的比值。台速线速比越低，切割单位面积的硅片用线量就越多，线弓就越小，这样Fv 就越小。反之，台速线速比越大，Fv 就越大，硅片的损伤层就会越大。

图6 切割时的受力分析简图

3.2 砂子的形态

表征砂子的参数有等效直径分布系数，圆度系数，堆积密度等。如图7所示，SiC 颗粒呈无规则多边形，棱角丰富，是良好的切割磨料。如图8所示，SiC 颗粒呈条状，尖锐的棱角少，切割时这个颗粒无法进行快速切割，强烈影响到硅片的表面状态。

图7 多棱角SiC 磨料图

图8 少棱角SiC 磨料图

4 结论

多线切割硅片表面呈蜂窝状,有大孔、小孔和微孔，大孔孔径在5 μm 左右,小孔在2 μm,微孔在微米级以下。硅片截面损伤层表现为无规则山峰沟谷状,并且伴随有裂纹，损伤层小于5 μm。工作台速度和钢线走线速度的比值，台速线速比越低，切割单位面积的硅片用线量就越多，线弓就越小，这样垂直力就越小。反之，台速线速比越大，垂直力就越大，硅片的损伤层就会越大。对于切割用砂D50 分布越集中越好，形状越不规则越好，堆积密度越小越好。如果砂子足够尖锐，切割能力强，那么相对切割时的线弓也很小，垂直压力也小，这样硅片的损伤层也相对较小。

[1]李彦林.超薄大直径太阳能级硅片线切割工艺及其悬浮液特性研究[D].天津：河北工业大学，硕士论文2007.

[2]谢振华.硅晶片内圆切割过程的振动研究[D].广州：广东工业大学工学硕士学位论文，2005(2).