楊春明

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

多線切割硅片線痕問題研究

楊春明

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

線痕是多線切割領(lǐng)域比較常見的問題之一，分類總結(jié)了各種線痕產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決方法。

多線切割；線痕；產(chǎn)生原因；解決方法。

硅棒的切割不管是在半導(dǎo)體行業(yè)還是在太陽(yáng)能光伏行業(yè)都是必不可少的一道工序，硅片質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)工序的加工。在切割過程中，線痕問題是困擾多線切割工藝技術(shù)人員的主要問題之一，該問題的解決對(duì)硅片的質(zhì)量和成品率有著非常重要的意義［5-7］。本文從多個(gè)視角對(duì)線痕問題進(jìn)行了分析，以期給出相應(yīng)的解決措施，為多線切割工藝人員解決線痕問題提供一些解決方案。所以，了解線切割過程硅片線痕產(chǎn)生的原因，來(lái)減少線痕片的產(chǎn)生，是非常有必要的。

1 多線切割機(jī)加工原理

多線切割方式因具有厚度一致性好、幾何參數(shù)一致性好、適于批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為單晶切割的主要方式。

多線切割機(jī)的原理如圖1所示，通過伺服電機(jī)控制的放線輪拉出的鍍銅拉絲繞過幾個(gè)起轉(zhuǎn)向作用的滑輪，然后經(jīng)過控制張力的控制器，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。鋼絲繞過線網(wǎng)后再通過滑輪和張力控制器回到收線輪上，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)到切割的目的。在切割過程中鋼線通過滑輪的引導(dǎo)，在導(dǎo)輪上形成一張線網(wǎng)，而待加工硅棒通過工作臺(tái)的下降或上升實(shí)現(xiàn)工作的供給，把硅棒按一定晶格方向切割成片。

圖1 多線切割原理圖（源于HCT公司資料）

2 實(shí)驗(yàn)

針對(duì)切割過程中隨時(shí)可能出現(xiàn)的線痕現(xiàn)象，我們提取了某月某一周的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 某月某一周的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3 分析與研究

3.1 線痕產(chǎn)生

圖3為線痕產(chǎn)生示意圖。

圖3 線痕產(chǎn)生示意圖

3.2 線痕分類

線痕按照形狀分為單一線痕、硬質(zhì)點(diǎn)線痕和均勻線痕。單一線痕，有深有淺，若線痕較小還是可以接受為合格片。由于多晶硅鑄錠的原料和工藝原因，多晶錠內(nèi)部多少都會(huì)有SIC和SI3N4雜質(zhì)，切割完成后，就會(huì)形成形狀類似單一線痕。均勻線痕體現(xiàn)為整個(gè)或者部分硅片表面出現(xiàn)多條由深至淺狀似劃傷的線痕。對(duì)于多晶硅來(lái)說(shuō)，三種情況都存在；對(duì)于單晶來(lái)說(shuō)，線痕只有均勻線痕和單一線痕，見圖4所示。

圖4 線痕示意圖

3.3 單一線痕

造成單一線痕的原因有很多種因素，主要有：

3.3.1 停機(jī)

切割機(jī)有時(shí)在某些警報(bào)下會(huì)自動(dòng)停機(jī)，比如：砂漿流量過低，冷卻液異常，電氣柜溫度過高；有時(shí)也需要人為停機(jī)，比如：雷電天氣致供電電壓不穩(wěn)，排線機(jī)構(gòu)異常，突發(fā)緊急狀況。機(jī)器停止再重新啟動(dòng)后，由于導(dǎo)論心震，鋼線不能完全按照原位置切割，就產(chǎn)生了線痕。

3.3.2 斷線

斷線后的晶棒即使能夠挽救回來(lái)，但是由于停機(jī)，硅片上也會(huì)產(chǎn)生線痕。產(chǎn)生斷線的原因主要有：

（1）張力問題：①收放線端排線不均勻，造成“一側(cè)坑一側(cè)包”的狀況，鋼線運(yùn)動(dòng)到兩側(cè)時(shí)張力急劇跳動(dòng)，造成斷線；張力臂由于長(zhǎng)時(shí)問未清理，粘附砂漿過多，造成張力臂過重，調(diào)節(jié)靈敏度降低；②張力臂轉(zhuǎn)軸部分被砂漿堵塞，造成擺動(dòng)不暢，都可以導(dǎo)致斷線；③鋼線生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生線頭穿錯(cuò)，也稱為壓線，極易造成斷線；④張力檢測(cè)設(shè)備故障或由于長(zhǎng)時(shí)間使用，張力檢測(cè)值形成偏差，從而形成斷線；⑤鋼線走線導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重，造成鋼線劇烈波動(dòng)，張力不穩(wěn)，導(dǎo)致斷線。

（2）鋼線本身質(zhì)量問題：①鋼絲強(qiáng)度偏低；②鋼絲存在表面缺陷，當(dāng)受力時(shí)這些表面缺陷處成為應(yīng)力薄弱部位，易于斷裂。

（3）切割工藝問題：①?gòu)埩υO(shè)定過大，鋼線運(yùn)行速度過高，砂漿黏度過低，砂漿流量過低，新線供給過少，造成帶砂漿能力下降，鋼線磨損量過大，形成斷線。②工作臺(tái)進(jìn)給速度過快，造成鋼線彎曲度過大，形成斷線。

由此可見，控制斷線問題首先要控制好張力，張力臂系統(tǒng)要定時(shí)清洗，保證其運(yùn)行靈敏，導(dǎo)線輪要定期更換，張力檢測(cè)裝置要定期校正，校正完成后用手動(dòng)張力計(jì)進(jìn)行校對(duì)，保證其張力檢測(cè)無(wú)偏差；其次要購(gòu)買品質(zhì)好的鋼線，否則會(huì)大大增加斷線率；最后要使用成熟的切割工藝，其中砂漿配置是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。碳化硅微粉在包裝、運(yùn)輸、存放過程中擠壓結(jié)團(tuán)，這就要求工人在配制沙漿倒料過程中要特別注意：倒料時(shí)應(yīng)慢倒，控制在2.5～3 min一袋，避免猛倒使得微粉沉底結(jié)塊攪拌不均，造成與實(shí)際配比不一致，影響切割。碳化硅微粉具有較強(qiáng)吸水性，在空氣中極容易受潮結(jié)團(tuán)，應(yīng)避免微粉裸露在空氣中時(shí)間過長(zhǎng)。砂漿在配制過程出現(xiàn)了許多的人為因素，很多參數(shù)因人為而改變。如果改為自動(dòng)投料，減少人為因素效果會(huì)更好。最好把碳化硅微粉在80～90℃烘箱里，烘烤8 h以上，來(lái)優(yōu)化碳化硅微粉的各項(xiàng)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，手動(dòng)調(diào)配的砂漿需要攪拌6 h以上，全自動(dòng)霧狀投入磨粉，只需攪拌1～2 h即可使用。

3.3.3 跳線

跳線的線痕一般集中在硅棒某一段，但也有全線網(wǎng)跳線，造成硅棒各段都有線痕。導(dǎo)致線網(wǎng)跳線的原因主要有：

（1）上次切割完的線網(wǎng)未被清理干凈，或者硅片碎片、砂漿的雜質(zhì)未被過濾完全，進(jìn)入線槽引起跳線；

（2）張力設(shè)定過小，造成鋼線繃緊不夠引起跳線；

（3）導(dǎo)輪使用時(shí)間過長(zhǎng)，造成鋼線振動(dòng)過大，引起跳線；

（4）主輥線槽磨損嚴(yán)重，鋼線在相鄰線槽間移動(dòng)，造成跳線。

由此可見，為了避免跳線，每次切割前要嚴(yán)格檢查線網(wǎng)和主輥狀況，保證其雜質(zhì)都被清理干凈；鋼線張力要根據(jù)鋼線直徑和工作臺(tái)進(jìn)給速度合理設(shè)定；定期檢查更換導(dǎo)輪，保證其導(dǎo)線槽磨損量在合適范圍內(nèi)。

3.3.4 粘膠問題

硅棒與玻璃板粘接時(shí)，由于抹膠過多或者刮膠不徹底，導(dǎo)致鋼線帶膠切割，造成鋼線攜帶砂漿能力下降，形成線痕。此類線痕一般在靠近粘膠面的倒角處。因此抹膠量要嚴(yán)格控制，可以用紙膠帶粘于倒角處，待硅棒與料板壓緊穩(wěn)定后，再將膠帶撕下，這樣就可以防止膠水粘附在硅棒上。

3.3.5 收線弓時(shí)產(chǎn)生線痕

在切入玻璃的時(shí)候，正在拉線弓，這個(gè)時(shí)候鋼線在兩種介質(zhì)中切割，由于硬度和結(jié)構(gòu)的不同（以金剛石硬度10為準(zhǔn)，玻璃硬度為6，單晶硅硬度略遜于金剛石），導(dǎo)輪跳動(dòng)過大，哪怕一瞬間，產(chǎn)生側(cè)移，就會(huì)產(chǎn)生線痕。因?yàn)椴Ａ欠蔷w，在600℃左右就會(huì)變軟。鋼線切割到玻璃的時(shí)候在玻璃表面會(huì)產(chǎn)生大量的熱，軟化，粘附鋼線，鋼線就不易被帶入，降低了切割能力，這時(shí)也容易產(chǎn)生線痕。

3.3.6 進(jìn)刀口鋼線波動(dòng)

由于初始切割，鋼線處在不穩(wěn)定狀態(tài)，鋼線的波動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)刀口線痕，進(jìn)線點(diǎn)質(zhì)硬，加墊層可以使鋼線容易切入，消除線擺，消除進(jìn)刀口線痕。

3.4 硬質(zhì)點(diǎn)線痕

單晶沒有硬質(zhì)點(diǎn)，多晶在鑄錠過程中會(huì)形成硬質(zhì)點(diǎn)，切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)線痕，硬質(zhì)點(diǎn)的成分為SIC和SI3N4，主要聚集在頂部10 mm之內(nèi)，一般情況下，硬質(zhì)點(diǎn)線痕比其它線痕有較高的線弓。此線痕與硅片切割的工藝和輔料無(wú)關(guān)，主要取決于多晶鑄錠原料的工藝。多晶鑄錠前必須先對(duì)坩堝進(jìn)行氮化硅涂層，若涂層粘結(jié)不牢則會(huì)在鑄錠過程中由于熱對(duì)流作用而進(jìn)入硅液，產(chǎn)生硬點(diǎn)，而鑄錠多晶硅用料處理不凈也會(huì)有此問題。多晶爐石墨熱場(chǎng)配件即為碳部件，鑄錠時(shí)碳進(jìn)入硅料，如果某區(qū)域碳富集在一定溫度下反應(yīng)則生成了碳化硅，當(dāng)然也不能排除部分是由于硅原料的問題。

3.5 均勻線痕

此類線痕的表現(xiàn)形式為硅片整片或部分區(qū)域的密集線痕。造成此類線痕的原因主要有：

（1）砂漿黏度不夠、鋼線圓度不夠、線速過高、鋼線張力太大，導(dǎo)致鋼線攜砂能力降低；

（2）碳化硅微粉切割強(qiáng)度不夠或者圓度系數(shù)過高，導(dǎo)致砂漿切割能力下降；

（3）工藝參數(shù)不合理，砂漿流量過低；

（4）切割液成膜狀態(tài)。

切割液首先供應(yīng)到鋼線上，然后帶到切割工作區(qū)域，因此切割液會(huì)對(duì)切割效果有很大影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，水平膜中游離磨料的存儲(chǔ)狀態(tài)比未成膜要好，因此其切割效率和表面質(zhì)量都比切割液供應(yīng)不足，未成水平膜時(shí)好。因此，調(diào)整切割液供應(yīng)角度和位置可以改變切割區(qū)域的成膜狀態(tài)。如圖5所示。

由此可見，為了避免此類線痕產(chǎn)生，切割前要仔細(xì)檢查鋼線質(zhì)量、碳化硅微粉硬度和圓度，切割時(shí)使用成熟的切割工藝，確保鋼線張力、線速、砂漿流量合理配置。此外，目前很多廠家為了節(jié)約成本使用回收砂漿，由于回收砂漿的碳化硅微粉硬度、圓度不穩(wěn)定，導(dǎo)致重新配比后的砂漿中碳化硅微粉之間、微粉與懸浮液之間存在配合性問題［9］。這樣使用回收砂造成的均勻線痕可以通過加大砂漿密度，降低工作臺(tái)速度，減少使用回收砂的比例和加大砂漿更換量在一定程度上可得到控制。

圖5 砂漿成膜狀態(tài)圖

4 結(jié) 論

綜上所述，多線切割工藝非常復(fù)雜，硅片線痕產(chǎn)生的原因也是多種多樣，為了減少線痕片的產(chǎn)生，必須嚴(yán)格保證切割線和碳化硅微粉的質(zhì)量，砂漿的配制和攪拌要嚴(yán)格按照配制工藝進(jìn)行，保證其黏度、密度、切割力符合要求；粘膠時(shí)注意膠水使用量，避免膠水在樹脂墊條兩側(cè)殘留；切割前仔細(xì)檢查線網(wǎng)和主輥，保證無(wú)雜質(zhì)附著；砂漿要充分過濾，濾凈其雜質(zhì)；檢查張力系統(tǒng)和每個(gè)導(dǎo)輪狀態(tài)，不過度使用導(dǎo)輪；使用成熟的切割工藝，使鋼線速度、工作臺(tái)速度、砂漿流量、鋼線張力合理配合。只有這樣才能避免或減少線痕片的產(chǎn)生，切出質(zhì)量合格的硅片。

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Research on Saw Mark of Multi-wire Saw

YANG Chunming
（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220，China）

Saw mark is a common phenomenon in multi-wire saw.This paper summarizes the reasons of all kinds of saw mark，and gives the corresponding solutions.

Multi-wire saw；Saw mark；Reason；Solution.

TN305

B

1004-4507（2015）12-0013-05

2015-10-18