線切割硅片表面探究

欒國(guó)旗，楊士超，馬玉通

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

多線切割機(jī)的原理是通過(guò)伺服電機(jī)控制的放線輪拉出的鍍銅拉絲繞過(guò)幾個(gè)起轉(zhuǎn)向作用的滑輪，然后經(jīng)過(guò)控制張力的控制器，在切割室內(nèi)連續(xù)纏繞在2～4個(gè)主導(dǎo)輪上，形成一個(gè)在水平面上彌補(bǔ)的平行線網(wǎng)。而在線網(wǎng)的上方，單晶的兩側(cè)布置有砂漿噴灌提供穩(wěn)定的砂漿流量。鋼絲繞過(guò)線網(wǎng)后再通過(guò)滑輪和張力回到收線輪上，在切割時(shí)高速運(yùn)動(dòng)的鋼線攜帶附著在鋼絲上的SiC 磨料對(duì)硅棒進(jìn)行研磨從而達(dá)到切割的效果。在切割過(guò)程中鋼線通過(guò)滑輪的引導(dǎo)，在導(dǎo)輪上形成一張線網(wǎng)，而待加工硅棒通過(guò)工作臺(tái)的下降或上升實(shí)現(xiàn)工作的供給，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環(huán)節(jié)。硅片加工的精度，表面粗糙度和整體的完整性關(guān)系到后續(xù)制造的成品率。采用內(nèi)圓金剛石鋸片切割，硅片會(huì)產(chǎn)生較大的翹曲變形，最大翹曲會(huì)達(dá)到40 μm 左右，表面殘留切痕和損傷層會(huì)達(dá)到50 μm 左右?，F(xiàn)在采用游離磨料的方式進(jìn)行多線切割，一方面切割效率發(fā)生革命性變化，一方面，在線痕，翹曲和表面損傷也有較大幅度的改善。硅片的損傷層過(guò)大，影響到硅片制作工藝過(guò)程中的前清洗腐蝕深度。因此如何降低硅片的表面損傷，對(duì)硅片的質(zhì)量和成品率有著非常重要的意義[1]。

1 線切割機(jī)加工原理

在切割過(guò)程中鋼線通過(guò)滑輪的引導(dǎo)，在導(dǎo)輪上形成一張線網(wǎng)，而待加工硅棒通過(guò)工作臺(tái)的下降或上升實(shí)現(xiàn)工作的供給，把硅晶棒按一定晶格方向切割成片，如圖1所示。

圖1 切割區(qū)示意圖

2 表面損傷層研究

多線切割的加工為機(jī)械加工過(guò)程，因而常在硅片的邊緣形成裂紋和破損缺失，在硅片的表面會(huì)形成劃痕和坑凹。這些缺陷會(huì)影響硅片的質(zhì)量和成品率。

2.1 硅片表面損傷層

圖2和3為硅片表面SEM圖，由圖可以看出：（1）硅片表面呈蜂窩狀,有大孔、小孔和微孔。這是由于多線切割的加工過(guò)程為磨料進(jìn)行滾動(dòng)切割過(guò)程，圖上的孔洞為磨料的尖角壓入硅塊的切割縫中，鋼線是不斷運(yùn)動(dòng)的，帶動(dòng)磨料也進(jìn)行滾動(dòng)，孔洞為磨料滾動(dòng)切割過(guò)程中留下的。（2）大孔孔徑在5 μm 左右，小孔在2 μm，微孔在微米級(jí)以下?？锥吹拇笮∪Q于磨料尖角的大小、切割時(shí)垂直力的大小和鋼線的振動(dòng)幅度。不同型號(hào)規(guī)格砂子的粒徑將會(huì)不同，砂子尖角的大小也會(huì)不同。垂直力的大小主要受切割時(shí)工藝參數(shù)和砂子形貌的影響。

圖2 硅片表面放大1000X SEM圖

圖3 硅片表面放大2000X SEM圖

圖4和5為硅片截面的SEM圖，可以看出：（1）損傷層表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則山峰溝谷狀,并且伴隨有裂紋；(2)損傷層小于5 μm。損傷層從外到里分為,表面鑲嵌層和缺陷應(yīng)力層,表面鑲嵌層由微小的SiC 顆粒和Si 顆粒組成;缺陷應(yīng)力層由于SiC 對(duì)晶體的擠壓形成晶格形變而形成,此層為應(yīng)力集中區(qū)[2]。

3 損傷層影響因素研究

損傷層為機(jī)械加工過(guò)程中，磨料滾動(dòng)過(guò)程中形成的。影響磨料的滾動(dòng)狀態(tài)有兩個(gè)主要因素，一是磨料受到的壓力，正壓力越大其滾動(dòng)摩擦力越大；另外因素是砂子的形態(tài)，尖角是否足夠尖銳及尖角的大小。

3.1 垂直壓力的影響

圖4 硅片截面邊緣2000X SEM圖

圖5 硅片截面邊緣5000X SEM圖

磨料受到的垂直壓力越大，切割時(shí)的線弓越大，切割速度也越快，硅片表面的溝塹也越明顯。如果要得到表面損傷層較低的硅片，需要降低垂直壓力。多線切割的工作臺(tái)速度和鋼線走線速度為切割時(shí)的關(guān)鍵工藝參數(shù)。

如圖6，降低垂直壓力，即降低Fv，與Fv 直接相關(guān)的為工作臺(tái)速度和鋼線走線速度的比值。臺(tái)速線速比越低，切割單位面積的硅片用線量就越多，線弓就越小，這樣Fv 就越小。反之，臺(tái)速線速比越大，F(xiàn)v 就越大，硅片的損傷層就會(huì)越大。

圖6 切割時(shí)的受力分析簡(jiǎn)圖

3.2 砂子的形態(tài)

表征砂子的參數(shù)有等效直徑分布系數(shù)，圓度系數(shù)，堆積密度等。如圖7所示，SiC 顆粒呈無(wú)規(guī)則多邊形，棱角豐富，是良好的切割磨料。如圖8所示，SiC 顆粒呈條狀，尖銳的棱角少，切割時(shí)這個(gè)顆粒無(wú)法進(jìn)行快速切割，強(qiáng)烈影響到硅片的表面狀態(tài)。

圖7 多棱角SiC 磨料圖

圖8 少棱角SiC 磨料圖

4 結(jié)論

多線切割硅片表面呈蜂窩狀,有大孔、小孔和微孔，大孔孔徑在5 μm 左右,小孔在2 μm,微孔在微米級(jí)以下。硅片截面損傷層表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則山峰溝谷狀,并且伴隨有裂紋，損傷層小于5 μm。工作臺(tái)速度和鋼線走線速度的比值，臺(tái)速線速比越低，切割單位面積的硅片用線量就越多，線弓就越小，這樣垂直力就越小。反之，臺(tái)速線速比越大，垂直力就越大，硅片的損傷層就會(huì)越大。對(duì)于切割用砂D50 分布越集中越好，形狀越不規(guī)則越好，堆積密度越小越好。如果砂子足夠尖銳，切割能力強(qiáng)，那么相對(duì)切割時(shí)的線弓也很小，垂直壓力也小，這樣硅片的損傷層也相對(duì)較小。

[1]李彥林.超薄大直徑太陽(yáng)能級(jí)硅片線切割工藝及其懸浮液特性研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，碩士論文2007.

[2]謝振華.硅晶片內(nèi)圓切割過(guò)程的振動(dòng)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2005(2).