多线切割硅片线痕问题研究

杨春明

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

多线切割硅片线痕问题研究

杨春明

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

线痕是多线切割领域比较常见的问题之一，分类总结了各种线痕产生的原因，并提出了相应的解决方法。

多线切割；线痕；产生原因；解决方法。

硅棒的切割不管是在半导体行业还是在太阳能光伏行业都是必不可少的一道工序，硅片质量的好坏直接关系到后续工序的加工。在切割过程中，线痕问题是困扰多线切割工艺技术人员的主要问题之一，该问题的解决对硅片的质量和成品率有着非常重要的意义［5-7］。本文从多个视角对线痕问题进行了分析，以期给出相应的解决措施，为多线切割工艺人员解决线痕问题提供一些解决方案。所以，了解线切割过程硅片线痕产生的原因，来减少线痕片的产生，是非常有必要的。

1 多线切割机加工原理

多线切割方式因具有厚度一致性好、几何参数一致性好、适于批量生产等优势，已经成为单晶切割的主要方式。

多线切割机的原理如图1所示，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控制器回到收线轮上，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目的。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，把硅棒按一定晶格方向切割成片。

图1 多线切割原理图（源于HCT公司资料）

2 实验

针对切割过程中随时可能出现的线痕现象，我们提取了某月某一周的质量统计数据，如图2所示。

图2 某月某一周的质量统计数据

3 分析与研究

3.1 线痕产生

图3为线痕产生示意图。

图3 线痕产生示意图

3.2 线痕分类

线痕按照形状分为单一线痕、硬质点线痕和均匀线痕。单一线痕，有深有浅，若线痕较小还是可以接受为合格片。由于多晶硅铸锭的原料和工艺原因，多晶锭内部多少都会有SIC和SI3N4杂质，切割完成后，就会形成形状类似单一线痕。均匀线痕体现为整个或者部分硅片表面出现多条由深至浅状似划伤的线痕。对于多晶硅来说，三种情况都存在；对于单晶来说，线痕只有均匀线痕和单一线痕，见图4所示。

图4 线痕示意图

3.3 单一线痕

造成单一线痕的原因有很多种因素，主要有：

3.3.1 停机

切割机有时在某些警报下会自动停机，比如：砂浆流量过低，冷却液异常，电气柜温度过高；有时也需要人为停机，比如：雷电天气致供电电压不稳，排线机构异常，突发紧急状况。机器停止再重新启动后，由于导论心震，钢线不能完全按照原位置切割，就产生了线痕。

3.3.2 断线

断线后的晶棒即使能够挽救回来，但是由于停机，硅片上也会产生线痕。产生断线的原因主要有：

（1）张力问题：①收放线端排线不均匀，造成“一侧坑一侧包”的状况，钢线运动到两侧时张力急剧跳动，造成断线；张力臂由于长时问未清理，粘附砂浆过多，造成张力臂过重，调节灵敏度降低；②张力臂转轴部分被砂浆堵塞，造成摆动不畅，都可以导致断线；③钢线生产时产生线头穿错，也称为压线，极易造成断线；④张力检测设备故障或由于长时间使用，张力检测值形成偏差，从而形成断线；⑤钢线走线导轮磨损严重，造成钢线剧烈波动，张力不稳，导致断线。

（2）钢线本身质量问题：①钢丝强度偏低；②钢丝存在表面缺陷，当受力时这些表面缺陷处成为应力薄弱部位，易于断裂。

（3）切割工艺问题：①张力设定过大，钢线运行速度过高，砂浆黏度过低，砂浆流量过低，新线供给过少，造成带砂浆能力下降，钢线磨损量过大，形成断线。②工作台进给速度过快，造成钢线弯曲度过大，形成断线。

由此可见，控制断线问题首先要控制好张力，张力臂系统要定时清洗，保证其运行灵敏，导线轮要定期更换，张力检测装置要定期校正，校正完成后用手动张力计进行校对，保证其张力检测无偏差；其次要购买品质好的钢线，否则会大大增加断线率；最后要使用成熟的切割工艺，其中砂浆配置是一个关键环节。碳化硅微粉在包装、运输、存放过程中挤压结团，这就要求工人在配制沙浆倒料过程中要特别注意：倒料时应慢倒，控制在2.5～3 min一袋，避免猛倒使得微粉沉底结块搅拌不均，造成与实际配比不一致，影响切割。碳化硅微粉具有较强吸水性，在空气中极容易受潮结团，应避免微粉裸露在空气中时间过长。砂浆在配制过程出现了许多的人为因素，很多参数因人为而改变。如果改为自动投料，减少人为因素效果会更好。最好把碳化硅微粉在80～90℃烘箱里，烘烤8 h以上，来优化碳化硅微粉的各项指标。一般来说，手动调配的砂浆需要搅拌6 h以上，全自动雾状投入磨粉，只需搅拌1～2 h即可使用。

3.3.3 跳线

跳线的线痕一般集中在硅棒某一段，但也有全线网跳线，造成硅棒各段都有线痕。导致线网跳线的原因主要有：

（1）上次切割完的线网未被清理干净，或者硅片碎片、砂浆的杂质未被过滤完全，进入线槽引起跳线；

（2）张力设定过小，造成钢线绷紧不够引起跳线；

（3）导轮使用时间过长，造成钢线振动过大，引起跳线；

（4）主辊线槽磨损严重，钢线在相邻线槽间移动，造成跳线。

由此可见，为了避免跳线，每次切割前要严格检查线网和主辊状况，保证其杂质都被清理干净；钢线张力要根据钢线直径和工作台进给速度合理设定；定期检查更换导轮，保证其导线槽磨损量在合适范围内。

3.3.4 粘胶问题

硅棒与玻璃板粘接时，由于抹胶过多或者刮胶不彻底，导致钢线带胶切割，造成钢线携带砂浆能力下降，形成线痕。此类线痕一般在靠近粘胶面的倒角处。因此抹胶量要严格控制，可以用纸胶带粘于倒角处，待硅棒与料板压紧稳定后，再将胶带撕下，这样就可以防止胶水粘附在硅棒上。

3.3.5 收线弓时产生线痕

在切入玻璃的时候，正在拉线弓，这个时候钢线在两种介质中切割，由于硬度和结构的不同（以金刚石硬度10为准，玻璃硬度为6，单晶硅硬度略逊于金刚石），导轮跳动过大，哪怕一瞬间，产生侧移，就会产生线痕。因为玻璃是非晶体，在600℃左右就会变软。钢线切割到玻璃的时候在玻璃表面会产生大量的热，软化，粘附钢线，钢线就不易被带入，降低了切割能力，这时也容易产生线痕。

3.3.6 进刀口钢线波动

由于初始切割，钢线处在不稳定状态，钢线的波动产生进刀口线痕，进线点质硬，加垫层可以使钢线容易切入，消除线摆，消除进刀口线痕。

3.4 硬质点线痕

单晶没有硬质点，多晶在铸锭过程中会形成硬质点，切割时会产生硬质点线痕，硬质点的成分为SIC和SI3N4，主要聚集在顶部10 mm之内，一般情况下，硬质点线痕比其它线痕有较高的线弓。此线痕与硅片切割的工艺和辅料无关，主要取决于多晶铸锭原料的工艺。多晶铸锭前必须先对坩埚进行氮化硅涂层，若涂层粘结不牢则会在铸锭过程中由于热对流作用而进入硅液，产生硬点，而铸锭多晶硅用料处理不净也会有此问题。多晶炉石墨热场配件即为碳部件，铸锭时碳进入硅料，如果某区域碳富集在一定温度下反应则生成了碳化硅，当然也不能排除部分是由于硅原料的问题。

3.5 均匀线痕

此类线痕的表现形式为硅片整片或部分区域的密集线痕。造成此类线痕的原因主要有：

（1）砂浆黏度不够、钢线圆度不够、线速过高、钢线张力太大，导致钢线携砂能力降低；

（2）碳化硅微粉切割强度不够或者圆度系数过高，导致砂浆切割能力下降；

（3）工艺参数不合理，砂浆流量过低；

（4）切割液成膜状态。

切割液首先供应到钢线上，然后带到切割工作区域，因此切割液会对切割效果有很大影响。实验结果证明，水平膜中游离磨料的存储状态比未成膜要好，因此其切割效率和表面质量都比切割液供应不足，未成水平膜时好。因此，调整切割液供应角度和位置可以改变切割区域的成膜状态。如图5所示。

由此可见，为了避免此类线痕产生，切割前要仔细检查钢线质量、碳化硅微粉硬度和圆度，切割时使用成熟的切割工艺，确保钢线张力、线速、砂浆流量合理配置。此外，目前很多厂家为了节约成本使用回收砂浆，由于回收砂浆的碳化硅微粉硬度、圆度不稳定，导致重新配比后的砂浆中碳化硅微粉之间、微粉与悬浮液之间存在配合性问题［9］。这样使用回收砂造成的均匀线痕可以通过加大砂浆密度，降低工作台速度，减少使用回收砂的比例和加大砂浆更换量在一定程度上可得到控制。

图5 砂浆成膜状态图

4 结 论

综上所述，多线切割工艺非常复杂，硅片线痕产生的原因也是多种多样，为了减少线痕片的产生，必须严格保证切割线和碳化硅微粉的质量，砂浆的配制和搅拌要严格按照配制工艺进行，保证其黏度、密度、切割力符合要求；粘胶时注意胶水使用量，避免胶水在树脂垫条两侧残留；切割前仔细检查线网和主辊，保证无杂质附着；砂浆要充分过滤，滤净其杂质；检查张力系统和每个导轮状态，不过度使用导轮；使用成熟的切割工艺，使钢线速度、工作台速度、砂浆流量、钢线张力合理配合。只有这样才能避免或减少线痕片的产生，切出质量合格的硅片。

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Research on Saw Mark of Multi-wire Saw

YANG Chunming
（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220，China）

Saw mark is a common phenomenon in multi-wire saw.This paper summarizes the reasons of all kinds of saw mark，and gives the corresponding solutions.

Multi-wire saw；Saw mark；Reason；Solution.

TN305

B

1004-4507（2015）12-0013-05

2015-10-18