王雄龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

碳化硅微粉在多線切割中的應(yīng)用

王雄龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

對多線切割過程，碳化硅微粉的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，描述了碳化硅微粉在多線切割過程中的作用，討論了砂漿的配制方法及注意事項(xiàng)；由于砂漿的成本在整個切割過程中占據(jù)了相當(dāng)大的一部分，因此如何降低砂漿的成本是一個熱點(diǎn)問題；根據(jù)硅片生產(chǎn)廠家的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，使用一定比例的回收碳化硅微粉能夠降低生產(chǎn)成本，同時對硅片表面質(zhì)量影響較小，并且有利于環(huán)境保護(hù)，因此具有可行性。

碳化硅微粉；多線切割；砂漿

作為半導(dǎo)體行業(yè)的核心，硅工業(yè)的發(fā)展在近些年有著極為迅猛的發(fā)展。硅工業(yè)各道工序中，切片是至關(guān)重要的一步。過去硅工業(yè)普遍采用的是內(nèi)圓切割。這種切割方式對材料的損失較大，并且效率低下，隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的崛起，有必要采取新的切割方式，因此開發(fā)出了多線切割技術(shù)[1]。與其他的切割方式（內(nèi)圓切割和外圓切割）相比，多線切割具有產(chǎn)量大，損失少，能夠切割大尺寸材料等優(yōu)點(diǎn)，同時應(yīng)用范圍較廣，不僅可以切割硅材料，較硬的物質(zhì)，如碳化硅、藍(lán)寶石等。

多線切割，就是使用多根鋼線做高速往復(fù)運(yùn)動對半導(dǎo)體材料進(jìn)行切削。硅晶圓多線切割的商業(yè)化是在1985-1987年間。早期的發(fā)展主要關(guān)注如何改善機(jī)器的效率、晶圓的產(chǎn)量和質(zhì)量等方面。當(dāng)生產(chǎn)穩(wěn)定后，其他方面，如舊砂漿和鋼線的合適的處理方法開始顯得重要起來。在1997-1998年間，聚乙二醇作為最合適的選擇被引入到生產(chǎn)當(dāng)中。1995-1997年間，從成本和環(huán)保方面考慮，舊砂漿的回收成為很重要的一方面。

Kao等人[2-7]是最早對制造半導(dǎo)體級硅晶圓的多線切割設(shè)備的研究小組。他們的主要工作可分為三部分：切割機(jī)理、材料去除速率和切割損傷，之后又有大量的研究人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究。Li等人[2]發(fā)展了多線砂漿過程切割鋼線、硅錠與磨料三者之間的接觸壓力模型。之后，Yang和Kao等人[3]使用有限元方法分析了砂漿和鋼線之間的相互作用。Bhagavat和Kao[6]分析了多線切割過程中硅錠的溫度變化。Zhu和Kao[7]使用Galerkin模型分析了切割過程中的振動特點(diǎn)。另外，Moller等人[8，9]對此也作出了顯著的工作。

通常情況下，工業(yè)上使用鋼線攜帶碳化硅砂漿進(jìn)行切割。本文對碳化硅的使用做一個簡單介紹。碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。目前中國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，密度為3.20～3.25 g/cm3。碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級）。在切割過程中，懸浮液攜帶碳化硅黏附在鋼線上進(jìn)行切割。砂漿中起到切割作用的是碳化硅顆粒。碳化硅顆粒受到鋼線施加的壓力，棱角被壓入硅材料中，使其產(chǎn)生塑性變形，同時，受到鋼線的帶動，碳化硅顆粒開始橫向移動，破壞硅材料表面；若碳化硅顆粒受到的阻力較大，則發(fā)生滾動運(yùn)動，其余的棱角重新切入硅材料中，繼續(xù)進(jìn)行切割。碳化硅顆粒的運(yùn)動狀態(tài)如圖1所示，其中實(shí)現(xiàn)材料去除的主要為切入狀態(tài)和犁鏵狀態(tài)。

圖1 多線切割過程中碳化硅顆粒運(yùn)動狀態(tài)[10]

目前各國對磨料粒徑大小還沒有一個統(tǒng)一的規(guī)定，各個國家都有自己的標(biāo)準(zhǔn)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)中，對不同標(biāo)號碳化硅顆粒的粒度組成做出了規(guī)定。微粉可分為F系列和J系列，分別在粒度號前加“F”和“#”進(jìn)行區(qū)分。粒度組成的確定需要由d0、d3、d50和d94/954個值進(jìn)行確定。其中，d0表示顆粒最大直徑，d3表示粒度組成曲線的3%點(diǎn)處的粒徑，d50和d94/95的規(guī)定與之類似。通常采用 d50的值表示粒徑平均大小。測定粒徑大小的方法通常有沉降法和電阻法兩種，由于測量方法的不同，得到的結(jié)果也會有較大差異，因此在標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中分別給出了兩種方法得到的J系列和F系列的粒徑結(jié)果，表1、表2給出了J系列和F系列微粉粒徑中值。

表1 J系列微粉的粒度標(biāo)記和粒度中值[11]

表2 F系列微粉的粒度標(biāo)記和粒度中值[11]

碳化硅材料的某些性質(zhì)會對切割效果產(chǎn)生影響[12-14]，如粒型、硬度、圓度及粒徑等。碳化硅在切削過程中主要以滾動摩擦為主，若微粒形狀以長條狀、扁平狀為主，則無法起作用；碳化硅在冶煉過程中的時間長短導(dǎo)致其硬度有所不同，而硬度較差的碳化硅微粒在切割過程中會被磨平鈍化，導(dǎo)致切削力不足；圓度可用來描述碳化硅微粒的鋒利程度，圓度越大，則微粒棱角越少，切削力越弱，因此不宜使用圓度過大的顆粒；碳化硅的粒徑過大或過小都會對切割產(chǎn)生不利影響，故粒徑應(yīng)集中在某一范圍內(nèi)。

砂漿的配制對切割效果有著重要影響。砂漿主要是由碳化硅和聚乙二醇、水按照一定比例配制而成。砂漿不僅起到切割作用，同時也能將切割過程中所產(chǎn)生大量的熱帶走。如果砂漿流量過小，則切削能力不足，而且會導(dǎo)致鋼線與單晶摩擦產(chǎn)生的熱量聚集，影響晶片表面質(zhì)量；而砂漿流量過大時，砂漿沖擊晶片，有可能導(dǎo)致碎片，因此在切割過程中應(yīng)調(diào)節(jié)流量在合適范圍內(nèi)。由于碳化硅本身具有易吸水的性質(zhì)，在使用前需經(jīng)過處理[15]。通常情況下，碳化硅微粒在配制砂漿前需放入烘箱內(nèi)，在80℃～100℃之間加熱4 h，使其充分干燥。經(jīng)過如此處理，碳化硅微粉分子活性得到了增強(qiáng)，可與切削液有更強(qiáng)的適配性，并且粉體顆粒吸附性更強(qiáng)，鋼線攜帶砂漿量更大，切削能力增強(qiáng)，同時微粉有了更好的流動性和分散性，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象減少。配制砂漿時，應(yīng)緩慢地向切削油中加入碳化硅微粒，倒完一袋（25 kg）需2.5～3 min，同時不忘攪拌。加入碳化硅微粉后，砂漿需攪拌8 h以上才可用于線切，保證碳化硅微粒在砂漿中充分分散，不形成較大的團(tuán)聚物。為避免個人因素影響砂漿配制，也可采用機(jī)器自動投料，使物料的混合更均勻，只需4 h即可使用。在配制砂漿過程中會有大量粉塵飄散，應(yīng)注意做好個人防護(hù)。切割過程中需要消耗大量的碳化硅微粉，采用雙向切割，砂漿的消耗量為250～300 kg/刀，碳化硅的成本占切割總成本的約1/3。如果能夠使用回收砂漿，將大大降低切割成本，創(chuàng)造收益。

使用碳化硅砂漿切割硅單晶一定次數(shù)后，成分將發(fā)生變化，其中會摻有硅微粒，切割能力有所下降，因此無法使用，需更換新砂漿。然而舊砂漿并不意味著沒有回收價值。經(jīng)過對舊砂漿的分析可以發(fā)現(xiàn)，其中的碳化硅微粒只有很少一部分得到了使用，仍有相當(dāng)大比例的微?？梢岳^續(xù)使用。若將舊砂漿作為工業(yè)廢水隨意排放，不僅污染環(huán)境，而且也是一種浪費(fèi)。目前已有多種回收舊砂漿的方法[16，17]，大致可分為固液分離和固體提純兩大步驟。經(jīng)過回收處理后，國內(nèi)所能實(shí)現(xiàn)回收的比例大約在60%～70%，而國外技術(shù)先進(jìn)的可達(dá)80%～90%。

當(dāng)前一般采用物理方法進(jìn)行分離，即依據(jù)各成份的性質(zhì)先進(jìn)行固體和液體分離，再進(jìn)行液體提純分離。進(jìn)行固體和液體分離的主要方法有：離心分離法、旋流分離、浮選法、虹吸法、過濾法、分級法、篩分法、電極法、超聲法。見圖2所示。

圖2 未使用過的碳化硅顆粒和回收的碳化硅顆粒的SEM圖像粒徑分布[12]

目前已有較多文獻(xiàn)對舊砂漿的回收方法進(jìn)行了研究報道，但關(guān)于回收碳化硅對硅片表面質(zhì)量的研究較少[18]。舊砂漿中，大部分碳化硅顆粒未發(fā)生任何變化或者分解，仍保持原有形貌[19]。如圖2所示，碳化硅顆粒在使用前后變化不大，粒徑分布和尺寸大小仍在國標(biāo)范圍內(nèi)。經(jīng)分析測試可知，回收碳化硅仍有較好的切割能力，切割出的硅片表面損傷較原漿損傷小，但切割速度略慢，可將回收后的碳化硅微粒與新碳化硅微?；旌鲜褂?，再次配制成砂漿用于切割。實(shí)驗(yàn)研究對比后發(fā)現(xiàn)，在一定比例范圍內(nèi)，使用新舊碳化硅微粉混合配制的砂漿在切割硅片時可得到較為滿意的合格率。通常回收碳化硅微粉所占比例不超過80%時，硅片表面質(zhì)量不會受到較大影響。經(jīng)過更進(jìn)一步的檢測可發(fā)現(xiàn)，硅片表面的線痕會隨著回收砂漿比例的增大而加深加寬，超過一定比例后會導(dǎo)致硅片報廢，因此回收砂漿無法完全替代新砂漿。同時，由于回收碳化硅的切削力下降，鋼線磨損程度增大，斷線幾率會有所增加，因此使用回收碳化硅時應(yīng)注意對程序進(jìn)行調(diào)整。但綜合考慮，使用回收碳化硅可大大降低生產(chǎn)成本，減輕環(huán)境污染，因此硅片生產(chǎn)廠家仍可根據(jù)自身情況使用新舊砂漿混合進(jìn)行硅片切割。

在硅片切割過程中，碳化硅微粉直接影響著產(chǎn)品的表面質(zhì)量，對碳化硅微粉的研究可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)市場價格對比，碳化硅切割砂成本為1.8萬元左右，而回收碳化硅的成本在9 000元左右，兩者之間有較大的價格差距，因此，研究砂漿回收技術(shù)可以節(jié)約成本，創(chuàng)造更多利潤。

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The Application of Silicon Carbide Powder in Multi-wire Saw

WANG Xionglong

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

A necessary material in multi-wire sawing method is SiC powder.A brief introduction of the process of multi-wire sawing，property and standard of SiC is made.The effect of SiC powder in the multi-wire sawing is described.A discussion of the preparation and matters needing attention about SiC is described in this paper.Because the cost of SiC powder takes a great part in the whole cutting process，how to reduce the cost the slurry is a hot point.According to the experiments，it is found that the use of recycling SiC has a slight influence on the quality of Si wafer，however，it could decrease the producing cost and is environment-friendly.Therefore，it is possible to use recycling SiC to replace part of new SiC powder.

Silicon carbide powder；Multi-wire saw；Slurry

TN305.1

B

1004-4507(2016)12-0020-05

2016-11-13