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(xiàn)切割機(jī)的原理是通過(guò)伺服電機(jī)控制的放線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)。而在線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)后再通過(guò)滑輪和張力回到收線(xiàn)輪上,在切割時(shí)高速運(yùn)動(dòng)的鋼線(xiàn)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(xiàn)通過(guò)滑輪的引導(dǎo),在導(dǎo)輪上形成一張線(xiàn)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(xiàn)切割,一方面切割效率發(fā)生革命性變化,一方面,在線(xiàn)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]。
在切割過(guò)程中鋼線(xiàn)通過(guò)滑輪的引導(dǎo),在導(dǎo)輪上形成一張線(xiàn)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
多線(xiàn)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。
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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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]。
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。
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(xiàn)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(xiàn)切割的工作臺(tái)速度和鋼線(xiàn)走線(xiàn)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(xiàn)走線(xiàn)速度的比值。臺(tái)速線(xiàn)速比越低,切割單位面積的硅片用線(xiàn)量就越多,線(xiàn)弓就越小,這樣Fv 就越小。反之,臺(tái)速線(xiàn)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
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
多線(xiàn)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(xiàn)走線(xiàn)速度的比值,臺(tái)速線(xiàn)速比越低,切割單位面積的硅片用線(xiàn)量就越多,線(xiàn)弓就越小,這樣垂直力就越小。反之,臺(tái)速線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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).