鍺單晶多線切割工藝研究

董軍恒，李 聰

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

Ge單晶在紅外光學(xué)材料中的應(yīng)用廣泛，而作為太陽(yáng)能電池襯底材料的開(kāi)發(fā)則成為當(dāng)前的熱門(mén)[1]。航天工業(yè)的特點(diǎn)決定了太陽(yáng)能電池必須具有質(zhì)量輕、精度高的特性，作為襯底的Ge拋光片在滿足強(qiáng)度要求的前提下，必須盡量降低厚度，而且對(duì)拋光片的表面質(zhì)量、表面晶格完整性、平整度等提出更高的要求[2]。切片是把單晶鍺由鍺棒變成鍺片的一個(gè)重要工序，切片質(zhì)量的好壞直接影響著拋光等后續(xù)工序的工作量和產(chǎn)品質(zhì)量。多線切割技術(shù)以其材料損耗小、面形精度高等優(yōu)點(diǎn)，目前正成為半導(dǎo)體材料切片的主流發(fā)展方向。

多線切割單晶棒時(shí)，磨料通過(guò)擠壓、鑲嵌在被切割材料表面來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的去除，即大量的能量消耗在磨料與待切材料的摩擦過(guò)程中并隨著切割粉末轉(zhuǎn)化為熱能。其中一部分熱能被切割液吸收并帶走，但是剩下的全部被單晶棒吸收。有文獻(xiàn)指出在切割一支150 mm(6英寸)硅單晶的過(guò)程中，單晶棒的最高溫度比初始溫度高20℃甚至更高[3]。而單晶鍺的比熱容及熱導(dǎo)率等參數(shù)均比單晶硅要低（如表1所示），因此，在切割鍺單晶過(guò)程中，單晶棒的最高溫度比初始溫度還會(huì)更高。以切割一顆200 mm長(zhǎng)鍺單晶為例，鍺的熱膨脹系數(shù)為5.8×10-6/℃，溫度升高20℃可以導(dǎo)致整顆單晶產(chǎn)生23.2 μm的熱膨脹，而在開(kāi)始切割位置單晶未發(fā)生膨脹。在整個(gè)切割過(guò)程中，被切單晶溫度變化是一個(gè)漸變的過(guò)程，在溫度達(dá)到最高的位置與最開(kāi)始切割位置能夠相差23.2 μm，這會(huì)導(dǎo)致鍺片產(chǎn)生較大的WARP等。而切割過(guò)程中切割速度、環(huán)境溫度對(duì)于單晶棒熱量的導(dǎo)入與導(dǎo)出有著至關(guān)重要的影響。此外，變速切割作為多線切割的一種重要切割方式，已被證明適用于單晶硅材料的切割[4]。因此，本論文主要研究變速切割及不同環(huán)境溫度下定速切割對(duì)鍺片WARP的影響，最終得出一種優(yōu)良鍺單晶切割工藝，為工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)良的鍺單晶片提供更多的選擇。

表1　Si單晶與Ge單晶熱學(xué)參數(shù)對(duì)比

1　實(shí)　驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采用直拉法P型<100>偏<111>9°，直徑為100 mm鍺單晶棒，首先將實(shí)驗(yàn)棒平均分成四組，一組在室溫25℃下，采用變速切割方式，其切割速度及曲線圖如表2、圖1所示；其他三組分別在不同環(huán)境溫度下（20℃、25℃、30℃）采用定速切割方式，切割速度為180 μm/min，四組實(shí)驗(yàn)其他切割條件相同，如表3所示。使用MWM-442D型多線切割機(jī)分別對(duì)以上四組單晶棒進(jìn)行切割，每次切割一顆，每組實(shí)驗(yàn)條件切割2次。

表2　變速切割速度參數(shù)

圖1　變速切割速度曲線圖

表3　切割工藝參數(shù)

切割后的鍺片經(jīng)清洗后采用MS-103型多功能幾何參數(shù)測(cè)試儀對(duì)其進(jìn)行翹曲度測(cè)試，每顆單晶均勻抽取10片測(cè)量并記錄平均值。

2　結(jié)果與討論

表4為四組不同切割條件下鍺片WARP平均值，從表中可以看出在30℃環(huán)境下，采用180 μm定速切割鍺片WARP平均值較大，分別為24.6 μm、23.4 μm；在25℃環(huán)境下，采用表2所示參數(shù)變速切割鍺片，WARP 平均值分別為 23.1 μm、22.9 μm；在25℃環(huán)境下，采用 180 μm定速切割鍺片WARP 平均值分別為 17.1 μm、15.8 μm；在 20 ℃環(huán)境下，采用180 μm定速切割鍺片WARP值分別為 13.5 μm、12.4 μm。

表4　不同切割工藝下鍺晶片翹曲度

圖2　不同溫度下定速切割鍺片WARP值

2.1　定速切割與變速切割鍺片分析（25℃環(huán)境下）

切割過(guò)程中，切割線與單晶接觸的面積隨著切割位置的變化而變化，這也導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量隨著切割位置的變化而變化。理想的切割方式是單位時(shí)間內(nèi)鋼線與晶錠接觸的面積始終一致，所以切割速度應(yīng)是先增大后減小再增大，切割速度曲線應(yīng)是一個(gè)對(duì)稱的弧形，但是張立等人[4]在研究變速切割單晶硅時(shí)指出，切割過(guò)程中，除了要考慮鋼線與單晶的接觸面積以外，還需考慮SiC顆粒切削能力下降的因素，因此采用切割速度逐步下降至單晶中部然后緩慢提升一定速度即圖1所示曲線切割硅片WARP要比定速切割的硅片WARP值小，這一理論同樣適用于切割鍺單晶。但通過(guò)對(duì)比表4中25℃下變速切割及定速切割后鍺片WARP值發(fā)現(xiàn)，采用180 μm/min定速切割鍺片WARP均值要比采用變速切割鍺片WARP均值小6～7 μm，切割效果明顯優(yōu)于變速切割，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因主要在于變速切割鍺片的切割速度要明顯高于定速切割，致使變速切割過(guò)程中產(chǎn)生了大量的熱量，因鍺單晶比熱容及熱導(dǎo)率差，造成單晶溫度較初始溫度明顯增高，而鍺單晶熱膨脹系數(shù)大，最終導(dǎo)致切割后鍺片WARP值很大。因此，在切割鍺單晶的過(guò)程中，降低單晶棒的溫度差即降低熱量導(dǎo)入晶體、提高晶體熱量的導(dǎo)出是決定鍺晶片WARP的重要因素。

2.2　不同環(huán)境溫度下定速切割鍺片分析

通過(guò)表4及圖2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的降低，鍺片的WARP也逐漸減小，從30℃下的24.6 μm降低到20℃下的12.4 μm，這主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度的降低，加速了鍺單晶棒在切割過(guò)程中熱量的傳導(dǎo)，降低了鍺單晶棒的溫度。Sumeet Bhagavat等人[5]通過(guò)建立切割過(guò)程中單晶溫度變化的模型很好地解釋了這一點(diǎn)。該模型通過(guò)建立熱量流入及流出單晶棒的邊界條件（如圖3所示），以得出影響單晶棒溫度變化的變量關(guān)系。單晶棒在切割過(guò)程中，切割線帶動(dòng)磨料對(duì)材料進(jìn)行擠壓、鑲嵌，這一過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量，其中一部分熱量被切削液及時(shí)吸收，另外一部分被單晶棒吸收，造成單晶棒溫度升高，構(gòu)成熱量導(dǎo)入邊界條件。而單晶棒與其接觸的環(huán)境空氣、樹(shù)脂條進(jìn)行熱量對(duì)流，構(gòu)成熱量導(dǎo)出邊界條件。

圖3　線切過(guò)程中熱量流入及邊界對(duì)流示意圖

圖3中虛線Γ1位置為線切位置（熱量流入）邊界，實(shí)線Γc為自然對(duì)流（熱量流出）邊界。

單位時(shí)間內(nèi)流入單晶棒的熱量Q入可以表示為：

其中，q表示切割過(guò)程中流入單晶棒的熱通量，Af表示熱量傳導(dǎo)到單晶棒的面積。

單位時(shí)間內(nèi)流出單晶棒的熱量Q出可以表示為：

其中，h表示邊界熱對(duì)流系數(shù)，Ac表示有效的邊界對(duì)流面積，T棒表示單晶棒的溫度，T環(huán)表示邊界環(huán)境溫度。以上公式中，q、Af、h、Ac均隨著切割位置的變化而變化，要想降低單晶棒在切割過(guò)程中溫度的變化，則必須減小單位時(shí)間內(nèi)流入單晶棒的熱量Q入與單位時(shí)間內(nèi)流出單晶棒的熱量Q出的差值，即邊界環(huán)境溫度越低，單位時(shí)間內(nèi)流出單晶棒的熱量Q出越高，單晶棒在整個(gè)切割過(guò)程中溫度變化越小，因熱膨脹引起的WARP值越小。此外，H.Lundt等人[6]還指出通過(guò)向切割單晶鼓入空氣并在單晶棒上澆灌砂漿能夠?qū)尉О魷囟炔羁刂圃?℃左右，從而達(dá)到減小單晶棒的熱膨脹，降低晶片的WARP值。但是采用降低環(huán)境溫度的方法更好，因?yàn)榭諝饪梢赃M(jìn)入單晶棒的任意切割面而砂漿則達(dá)到，特別是在剛切割的平面。

3　結(jié)　論

（1）鍺單晶因其熱學(xué)性能較差，在切割過(guò)程中降低熱量導(dǎo)入晶體、提高晶體熱量的導(dǎo)出是決定鍺晶片WARP的重要因素。

（2） 采用 180 μm/min定速切割的鍺晶片WARP要比采用表1變速切割鍺片的WARP小6～7 μm。（3）環(huán)境溫度越低，熱量導(dǎo)出速度越快，切割的鍺晶片WARP越小，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí)，180 μm/min定速切割的鍺晶片WARP能達(dá)到12.4 μm。

參考文獻(xiàn)：

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[4]張立，于晉京，李耀東，等.切割速度對(duì)硅片翹曲的影響[J].Semiconductor Technology，2011，36(5)：368-371.

[5]Sumeet Bhagavat，Imin Kao.A finite element analysis of temperature variation in silicon wafers during wiresaw slicing[J].Machine tools&Manufacture，2008，(48)：95-106.

[6]H.Lundt，L.Huber，P.Wiesner.Method of cutting slices from a workpiece[P].US：6773333，2004.