單晶硅切片技術(shù)的研究進(jìn)展

張國(guó)青，汪列隆，張蓓蓓

（池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000）

單晶硅切片技術(shù)的研究進(jìn)展

張國(guó)青，汪列隆，張蓓蓓

（池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000）

總結(jié)現(xiàn)有的單晶硅切片技術(shù)，全面分析比較內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)、游離磨料線鋸切片技術(shù)和固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)是單晶硅切片技術(shù)的趨勢(shì)；為了充分發(fā)揮固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了釬焊金剛石固結(jié)磨料線鋸的新設(shè)想，并指出現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)為減少釬焊過(guò)程中線鋸的熱損傷。

單晶硅；切片技術(shù)；線鋸切割；固結(jié)磨料線鋸

半導(dǎo)體材料已廣泛應(yīng)用于各種微電子行業(yè)，而絕大多數(shù)的半導(dǎo)體材料是采用單晶硅片。單晶硅的切片工序是把單晶硅由硅棒變成硅片的一個(gè)重要工序，切片過(guò)程中的機(jī)械作用、化學(xué)及熱腐蝕等都會(huì)造成硅片質(zhì)量的降低。單晶硅的切片質(zhì)量對(duì)后續(xù)加工具有非常大的指導(dǎo)作用，直接影響后續(xù)工序的工作量和加工成本［1］。對(duì)于單晶硅片一般要求其具有較低的表面粗糙度，較好的面形精度，較淺的表面損傷層。單晶硅切片技術(shù)是建立在所使用的切割工具基礎(chǔ)上的，隨著單晶硅片應(yīng)用的日益增多，市場(chǎng)對(duì)硅片的要求逐漸向大直徑和超薄方向發(fā)展，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，同時(shí)為了提高單晶硅片的切片效率和切片質(zhì)量，降低硅片的后續(xù)加工成本，單晶硅切片技術(shù)經(jīng)歷了幾個(gè)重要的發(fā)展階段：?jiǎn)尉Ч鑳?nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)、游離磨料線鋸切片技術(shù)和固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)。

文章全面分析幾種主要單晶硅切片技術(shù)的研究現(xiàn)狀及各自優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，指出單晶硅切片發(fā)展的新方向及尚待解決的瓶頸。

1　內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)

內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)普遍應(yīng)用于直徑小于200mm單晶硅棒的切片加工，刀片穩(wěn)定性好，技術(shù)相對(duì)成熟［2］。內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)工作示意圖見圖1所示，起切削作用的金剛石磨粒以一定的方式固定在刀片基體的內(nèi)徑圓周上，單晶硅棒作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)硅片的切割加工。其中，刀片外圈固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，且沿徑向施加一定的張緊力，刀片剛性增加。

圖1　內(nèi)圓切割機(jī)切片加工示意圖

對(duì)于直徑較小的單晶硅棒來(lái)說(shuō)，內(nèi)圓刀片內(nèi)徑較小，刀片結(jié)構(gòu)小，由于刀片外圓張緊，刀片剛性好，張緊力導(dǎo)致刀片變形幅度小，可以實(shí)現(xiàn)單晶硅棒的高效切割加工。但是刀片在外圓刀片張緊力作用下，刀片沿徑向產(chǎn)生一定的拉伸變形，刀片內(nèi)徑刃口呈現(xiàn)“波浪”形，特別是當(dāng)單晶硅棒直徑較大時(shí)，這種“波浪”形幅度加大，致使刀片切縫增大，造成貴重材料的浪費(fèi)；刀片與硅片之間的磨擦加劇，切割過(guò)程中的切割力增大，硅片切出部容易發(fā)生崩碎現(xiàn)象，硅片表面損傷層厚度加深［3］。另一方面，隨著單晶硅棒直徑的增大，刀片尺寸也隨之增加，在刀片厚度不變而徑向尺寸增加時(shí)，刀片的剛度降低，切割過(guò)程中刀片將附加一定程度的軸向跳動(dòng)，造成單晶硅片的面形精度差。

2　游離磨料線鋸切片技術(shù)

游離磨料線鋸切片技術(shù)是目前單晶硅切片加工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛也是最成熟的一種切片技術(shù)［4］，按線絲走絲方向又分為往復(fù)式游離磨料切片技術(shù)和單向游離磨料切片技術(shù)，其中，以往復(fù)式游離磨料切割技術(shù)最為常見。圖2為游離磨料線鋸切片技術(shù)加工示意圖，鋸絲作高速運(yùn)動(dòng)，將研磨液帶進(jìn)切割區(qū)，研磨液中配有超硬磨料，隨著鋸絲的運(yùn)轉(zhuǎn)和工件材料的不斷進(jìn)給，超硬磨料在線絲和單晶硅材料之間發(fā)生機(jī)械滾壓作用，從而去除工件材料，達(dá)到切片的目的。

圖2　游離磨料線鋸切片技術(shù)加工示意圖

游離磨料線鋸切片技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到上個(gè)世紀(jì)70年代，文獻(xiàn)［5］利用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了單晶硅材料的切片加工試驗(yàn)研究，得到厚度小于400μm的硅片。隨著游離磨料線鋸切片技術(shù)的日益推廣應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)得到了進(jìn)一步的完善和提高。Dia?mond Wire Technology公司利用該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直徑450mm的單晶硅棒的切片加工。利用MEYER BURGER公司生產(chǎn)的線鋸，改變線絲纏繞方式，對(duì)單晶硅棒進(jìn)行多線切割，一次性切割單晶硅片4400片，大大提高了單晶硅棒的切片效率［6］。

游離磨料線鋸切片技術(shù)很好地解決了內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)難以難以切割大直徑單晶硅棒的難題，且具有切縫小、工件材料浪費(fèi)少和工件切出處不發(fā)生崩碎現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。但是，受其加工方式及材料去除機(jī)理的影響，游離磨料線鋸切片技術(shù)也存在諸多不足之處：由于該切片技術(shù)主要通過(guò)研磨液中超硬磨料的機(jī)械滾壓方式去除材料，工件表面易產(chǎn)生較多微裂紋和殘余應(yīng)力，致使硅片翹曲變形，面形精度不易控制［7］；研磨液中的磨料以機(jī)械滾壓方式去除工件材料的同時(shí)，也對(duì)鋸絲基體進(jìn)行碾壓去除材料，大大降低了鋸絲的工作壽命；切割大直徑單晶硅棒時(shí)，研磨液難以進(jìn)入長(zhǎng)且深的切割加工區(qū)，影響游離磨料線鋸切片效率；由于彈流效應(yīng)的存在，切割過(guò)程中研磨液和磨料分布不均，造成硅片厚度不均勻；研磨液回收、分離和凈化成本較高，且容易污染環(huán)境［8］。

3　固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)

固結(jié)磨料線鋸是指利用一定的工藝方法將金剛石磨粒固定在線絲基體上的一種切割工具，利用固結(jié)磨料線鋸切割單晶硅材料，具備以下優(yōu)點(diǎn)：表硅片面質(zhì)量高、切縫窄、切割效率高和環(huán)境污染小。圖3為固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)加工示意圖，與圖2相比，最大的區(qū)別在于金剛石磨粒在鋸絲基體和單晶硅材料之間不再發(fā)生滾壓運(yùn)動(dòng)，其材料的去除機(jī)理類似于磨削，磨粒在去除工件材料的同時(shí)，不會(huì)對(duì)鋼絲基體產(chǎn)生機(jī)械加工。

圖3　固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)加工示意圖

鑒于固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開展了一些列的研究工作，取得了非常卓越的成果。目前，固結(jié)金剛石磨粒的方法主要有樹脂結(jié)合劑固化法和電鍍法。Jun Sugawara等人利用樹脂結(jié)合劑法成功制備直徑0.175-0.180mm的固結(jié)磨料線鋸，并進(jìn)行了實(shí)際的切割加工［9］。文獻(xiàn)［10］利用相同直徑的琴鋼絲和非金屬絲紫外線光固化法制備樹脂結(jié)合劑固結(jié)磨料線鋸，并對(duì)線鋸進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，非金屬線基體的線鋸機(jī)械力學(xué)性能更加的優(yōu)越。文獻(xiàn)［11］采用金剛石磨粒表面預(yù)處理的方法，增強(qiáng)了金剛石磨粒與樹脂結(jié)合之間浸潤(rùn)性，提高基體對(duì)磨粒結(jié)合強(qiáng)度60%-70%。LUKSCHANDEL等人利用不銹鋼彈簧鋼絲作為基體，制備了電鍍金剛石線鋸。文獻(xiàn)［4］利用激光對(duì)金剛石進(jìn)行預(yù)處理，制備電鍍金剛石線鋸，具體研究不同粒徑的金剛石磨粒對(duì)線鋸基體性能的影響，結(jié)果表明，較小粒徑的金剛石磨?？梢越档突w表面的熱損傷，線鋸工作壽命延長(zhǎng)。M B Smith等人利用電鍍金剛石線鋸對(duì)多晶硅材料進(jìn)行切割試驗(yàn)，得到了損傷層厚度小于5μm的硅片［12］。

目前，利用電鍍法和樹脂結(jié)合劑固化法制備的固結(jié)磨料線鋸解決了游離磨料線鋸切割的諸多不足之處，在材料去除機(jī)理上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的改變。但是，這種變革并不徹底，眾所周知，不管是電鍍法還是樹脂結(jié)合劑固化法，線鋸基體對(duì)金剛石磨粒的把持都是依靠機(jī)械鑲嵌的方式，由于切割過(guò)程中的不斷沖擊及線鋸不斷發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等運(yùn)動(dòng)，金剛石磨粒極易脫落，脫落的金剛石磨粒將以游離磨料的方式進(jìn)入切割區(qū)，繼續(xù)對(duì)工件材料及線鋸基體進(jìn)行機(jī)械滾壓加工，降低了工件表面質(zhì)量和線鋸使用壽命。

4　單晶硅切片技術(shù)的新進(jìn)展

現(xiàn)有的固結(jié)磨料線鋸沒(méi)有徹底體現(xiàn)固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，于是國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們開始尋找新的制備工藝方法，提高線鋸基體對(duì)金剛石磨粒的把持，避免切割過(guò)程中金剛石磨粒脫落現(xiàn)象的產(chǎn)生。釬焊金剛石磨粒技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)了基體對(duì)金剛石磨粒的化學(xué)鍵合，磨粒在加工過(guò)程中幾乎不會(huì)發(fā)生磨粒脫落現(xiàn)象［13-15］，因此，利用釬焊金剛石磨粒技術(shù)制備新型固結(jié)磨料線鋸，逐漸成為了研究的熱點(diǎn)。張發(fā)壘等［16］以Ni-Cr-B-Si為焊料，在氬氣保護(hù)氛圍下通過(guò)高頻感應(yīng)線圈加熱釬焊，研制出直徑為0.8 mm、把持力較強(qiáng)的固結(jié)磨料金剛石線鋸，成功應(yīng)用于鈦合金的切割加工。HI?GASHI等［17］向合金粉末釬料中添加Ni，從而降低釬料熔點(diǎn)，避免了線鋸基體的SUS-304的降解，制備的釬焊金剛石線鋸性能較好。筆者利用Ag-Cu-Ti合金粉末釬料，在管式爐中氬氣保護(hù)下制備直徑0.3mm線鋸，線鋸形貌如圖4所示，并對(duì)單晶硅材料進(jìn)行了實(shí)際切割加工［18］，系統(tǒng)分析了切割過(guò)程中線鋸的斷裂失效模式，并對(duì)線鋸失效誘因進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為釬焊過(guò)程中線鋸的熱損傷是線鋸失效的主要誘因。

圖4　釬焊金剛石線鋸形貌

5　結(jié)論

全面分析了內(nèi)圓切片機(jī)切片機(jī)技術(shù)、游離磨料線鋸切片技術(shù)和固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足之處，認(rèn)為固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)將是單晶硅材料切割加工的趨勢(shì)?，F(xiàn)有的樹脂結(jié)合劑固結(jié)磨料線鋸和電鍍固結(jié)磨料線鋸切割過(guò)程中的磨粒脫落現(xiàn)象制約了固結(jié)磨料線鋸進(jìn)一步開發(fā)利用，在此基礎(chǔ)上，提出了利用釬焊金剛石磨粒技術(shù)制備新型固結(jié)磨料線鋸—釬焊金剛石固結(jié)磨料線鋸，指出現(xiàn)階段釬焊金剛石固結(jié)磨料線鋸的研究熱點(diǎn)是如何減少釬焊過(guò)程中線鋸的熱損傷。

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［責(zé)任編輯：桂傳友］

TH16

A

1674-1102（2016）03-0057-03

10.13420/j.cnki.jczu.2016.03.0013

2015-03-24

國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目（51005026）；安徽省優(yōu)秀青年人才項(xiàng)目（2011SQRL163）；池州學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2013ZR024）。

張國(guó)青（1977-），男，安徽桐城人，池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授，博士，主要從事硬脆材料加工技術(shù)研究工作。