单晶硅切片技术的研究进展

张国青，汪列隆，张蓓蓓

（池州学院机电工程学院，安徽 池州 247000）

单晶硅切片技术的研究进展

张国青，汪列隆，张蓓蓓

（池州学院机电工程学院，安徽 池州 247000）

总结现有的单晶硅切片技术，全面分析比较内圆切片机切片技术、游离磨料线锯切片技术和固结磨料线锯切片技术的优缺点，认为固结磨料线锯切片技术是单晶硅切片技术的趋势；为了充分发挥固结磨料线锯切片技术的优势，提出了钎焊金刚石固结磨料线锯的新设想，并指出现阶段的研究热点为减少钎焊过程中线锯的热损伤。

单晶硅；切片技术；线锯切割；固结磨料线锯

半导体材料已广泛应用于各种微电子行业，而绝大多数的半导体材料是采用单晶硅片。单晶硅的切片工序是把单晶硅由硅棒变成硅片的一个重要工序，切片过程中的机械作用、化学及热腐蚀等都会造成硅片质量的降低。单晶硅的切片质量对后续加工具有非常大的指导作用，直接影响后续工序的工作量和加工成本［1］。对于单晶硅片一般要求其具有较低的表面粗糙度，较好的面形精度，较浅的表面损伤层。单晶硅切片技术是建立在所使用的切割工具基础上的，随着单晶硅片应用的日益增多，市场对硅片的要求逐渐向大直径和超薄方向发展，为了适应市场需求，同时为了提高单晶硅片的切片效率和切片质量，降低硅片的后续加工成本，单晶硅切片技术经历了几个重要的发展阶段：单晶硅内圆切片机切片技术、游离磨料线锯切片技术和固结磨料线锯切片技术。

文章全面分析几种主要单晶硅切片技术的研究现状及各自优缺点，在此基础上，指出单晶硅切片发展的新方向及尚待解决的瓶颈。

1　内圆切片机切片技术

内圆切片机切片技术普遍应用于直径小于200mm单晶硅棒的切片加工，刀片稳定性好，技术相对成熟［2］。内圆切片机切片技术工作示意图见图1所示，起切削作用的金刚石磨粒以一定的方式固定在刀片基体的内径圆周上，单晶硅棒作径向进给运动实现硅片的切割加工。其中，刀片外圈固定在旋转机构上，且沿径向施加一定的张紧力，刀片刚性增加。

图1　内圆切割机切片加工示意图

对于直径较小的单晶硅棒来说，内圆刀片内径较小，刀片结构小，由于刀片外圆张紧，刀片刚性好，张紧力导致刀片变形幅度小，可以实现单晶硅棒的高效切割加工。但是刀片在外圆刀片张紧力作用下，刀片沿径向产生一定的拉伸变形，刀片内径刃口呈现“波浪”形，特别是当单晶硅棒直径较大时，这种“波浪”形幅度加大，致使刀片切缝增大，造成贵重材料的浪费；刀片与硅片之间的磨擦加剧，切割过程中的切割力增大，硅片切出部容易发生崩碎现象，硅片表面损伤层厚度加深［3］。另一方面，随着单晶硅棒直径的增大，刀片尺寸也随之增加，在刀片厚度不变而径向尺寸增加时，刀片的刚度降低，切割过程中刀片将附加一定程度的轴向跳动，造成单晶硅片的面形精度差。

2　游离磨料线锯切片技术

游离磨料线锯切片技术是目前单晶硅切片加工领域应用最为广泛也是最成熟的一种切片技术［4］，按线丝走丝方向又分为往复式游离磨料切片技术和单向游离磨料切片技术，其中，以往复式游离磨料切割技术最为常见。图2为游离磨料线锯切片技术加工示意图，锯丝作高速运动，将研磨液带进切割区，研磨液中配有超硬磨料，随着锯丝的运转和工件材料的不断进给，超硬磨料在线丝和单晶硅材料之间发生机械滚压作用，从而去除工件材料，达到切片的目的。

图2　游离磨料线锯切片技术加工示意图

游离磨料线锯切片技术的应用可以追溯到上个世纪70年代，文献［5］利用该项技术进行了单晶硅材料的切片加工试验研究，得到厚度小于400μm的硅片。随着游离磨料线锯切片技术的日益推广应用，这项技术得到了进一步的完善和提高。Dia⁃mond Wire Technology公司利用该项技术实现了直径450mm的单晶硅棒的切片加工。利用MEYER BURGER公司生产的线锯，改变线丝缠绕方式，对单晶硅棒进行多线切割，一次性切割单晶硅片4400片，大大提高了单晶硅棒的切片效率［6］。

游离磨料线锯切片技术很好地解决了内圆切片机切片技术难以难以切割大直径单晶硅棒的难题，且具有切缝小、工件材料浪费少和工件切出处不发生崩碎现象等优点。但是，受其加工方式及材料去除机理的影响，游离磨料线锯切片技术也存在诸多不足之处：由于该切片技术主要通过研磨液中超硬磨料的机械滚压方式去除材料，工件表面易产生较多微裂纹和残余应力，致使硅片翘曲变形，面形精度不易控制［7］；研磨液中的磨料以机械滚压方式去除工件材料的同时，也对锯丝基体进行碾压去除材料，大大降低了锯丝的工作寿命；切割大直径单晶硅棒时，研磨液难以进入长且深的切割加工区，影响游离磨料线锯切片效率；由于弹流效应的存在，切割过程中研磨液和磨料分布不均，造成硅片厚度不均匀；研磨液回收、分离和净化成本较高，且容易污染环境［8］。

3　固结磨料线锯切片技术

固结磨料线锯是指利用一定的工艺方法将金刚石磨粒固定在线丝基体上的一种切割工具，利用固结磨料线锯切割单晶硅材料，具备以下优点：表硅片面质量高、切缝窄、切割效率高和环境污染小。图3为固结磨料线锯切片技术加工示意图，与图2相比，最大的区别在于金刚石磨粒在锯丝基体和单晶硅材料之间不再发生滚压运动，其材料的去除机理类似于磨削，磨粒在去除工件材料的同时，不会对钢丝基体产生机械加工。

图3　固结磨料线锯切片技术加工示意图

鉴于固结磨料线锯切片技术的诸多优点，国内外专家学者开展了一些列的研究工作，取得了非常卓越的成果。目前，固结金刚石磨粒的方法主要有树脂结合剂固化法和电镀法。Jun Sugawara等人利用树脂结合剂法成功制备直径0.175-0.180mm的固结磨料线锯，并进行了实际的切割加工［9］。文献［10］利用相同直径的琴钢丝和非金属丝紫外线光固化法制备树脂结合剂固结磨料线锯，并对线锯进行性能评价，结果表明，非金属线基体的线锯机械力学性能更加的优越。文献［11］采用金刚石磨粒表面预处理的方法，增强了金刚石磨粒与树脂结合之间浸润性，提高基体对磨粒结合强度60%-70%。LUKSCHANDEL等人利用不锈钢弹簧钢丝作为基体，制备了电镀金刚石线锯。文献［4］利用激光对金刚石进行预处理，制备电镀金刚石线锯，具体研究不同粒径的金刚石磨粒对线锯基体性能的影响，结果表明，较小粒径的金刚石磨粒可以降低基体表面的热损伤，线锯工作寿命延长。M B Smith等人利用电镀金刚石线锯对多晶硅材料进行切割试验，得到了损伤层厚度小于5μm的硅片［12］。

目前，利用电镀法和树脂结合剂固化法制备的固结磨料线锯解决了游离磨料线锯切割的诸多不足之处，在材料去除机理上实现了质的改变。但是，这种变革并不彻底，众所周知，不管是电镀法还是树脂结合剂固化法，线锯基体对金刚石磨粒的把持都是依靠机械镶嵌的方式，由于切割过程中的不断冲击及线锯不断发生扭转、弯曲等运动，金刚石磨粒极易脱落，脱落的金刚石磨粒将以游离磨料的方式进入切割区，继续对工件材料及线锯基体进行机械滚压加工，降低了工件表面质量和线锯使用寿命。

4　单晶硅切片技术的新进展

现有的固结磨料线锯没有彻底体现固结磨料线锯切片技术的优点，于是国内外专家学者们开始寻找新的制备工艺方法，提高线锯基体对金刚石磨粒的把持，避免切割过程中金刚石磨粒脱落现象的产生。钎焊金刚石磨粒技术最大的优势就是实现了基体对金刚石磨粒的化学键合，磨粒在加工过程中几乎不会发生磨粒脱落现象［13-15］，因此，利用钎焊金刚石磨粒技术制备新型固结磨料线锯，逐渐成为了研究的热点。张发垒等［16］以Ni-Cr-B-Si为焊料，在氩气保护氛围下通过高频感应线圈加热钎焊，研制出直径为0.8 mm、把持力较强的固结磨料金刚石线锯，成功应用于钛合金的切割加工。HI⁃GASHI等［17］向合金粉末钎料中添加Ni，从而降低钎料熔点，避免了线锯基体的SUS-304的降解，制备的钎焊金刚石线锯性能较好。笔者利用Ag-Cu-Ti合金粉末钎料，在管式炉中氩气保护下制备直径0.3mm线锯，线锯形貌如图4所示，并对单晶硅材料进行了实际切割加工［18］，系统分析了切割过程中线锯的断裂失效模式，并对线锯失效诱因进行了初步分析，认为钎焊过程中线锯的热损伤是线锯失效的主要诱因。

图4　钎焊金刚石线锯形貌

5　结论

全面分析了内圆切片机切片机技术、游离磨料线锯切片技术和固结磨料线锯切片技术的优势和不足之处，认为固结磨料线锯切片技术将是单晶硅材料切割加工的趋势。现有的树脂结合剂固结磨料线锯和电镀固结磨料线锯切割过程中的磨粒脱落现象制约了固结磨料线锯进一步开发利用，在此基础上，提出了利用钎焊金刚石磨粒技术制备新型固结磨料线锯—钎焊金刚石固结磨料线锯，指出现阶段钎焊金刚石固结磨料线锯的研究热点是如何减少钎焊过程中线锯的热损伤。

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［责任编辑：桂传友］

TH16

A

1674-1102（2016）03-0057-03

10.13420/j.cnki.jczu.2016.03.0013

2015-03-24

国家自然基金青年项目（51005026）；安徽省优秀青年人才项目（2011SQRL163）；池州学院校级自然科学研究项目（2013ZR024）。

张国青（1977-），男，安徽桐城人，池州学院机电工程学院副教授，博士，主要从事硬脆材料加工技术研究工作。