目前，采用硅片切割方法有內(nèi)圓切割和自由磨粒的多線切割兩種，而固定磨粒線鋸實(shí)質(zhì)上是一種用線性刀具替代環(huán)型刀具的內(nèi)圓切割。

在這兩種切割方法中，前者是傳統(tǒng)的硅片加工方法，如下圖(a)所示，它的缺點(diǎn)是材料利用率較只有40%～50%，同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的限制，這種方法也無(wú)法加工直徑大于200 mm以上的硅片。

后者是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型硅片切割技術(shù)，它通過(guò)一系列鋼絲帶動(dòng)碳化硅研磨料進(jìn)行研磨加工來(lái)切割硅片，如上圖(b)所示。與前者相比，多線切割具有切割效率高、刀損小、成本低、切片表面質(zhì)量好、可加工硅碇直徑大、每次加工硅片數(shù)多等諸多優(yōu)點(diǎn)，見(jiàn)下表。

硅片切割的影響因素

硅片多線切割機(jī)理就是通過(guò)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鋼絲帶動(dòng)由聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂漿，并把它們送到切割區(qū)域，與壓在絲網(wǎng)上的硅錠連續(xù)發(fā)生摩擦，Z終完成切割的過(guò)程。

在硅片切割過(guò)程中，影響硅片成品率和質(zhì)量的主要因素有切割液(PEG)的黏度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂漿的流量、鋼絲的張力以及鋼絲的速度等。

1、切割液(PEG)的黏度

在切割過(guò)程中，切割液主要起懸浮和冷卻的作用。切割液黏度只有符合機(jī)器要求，才能保證碳化硅微粉均勻懸浮其中，從而使砂漿穩(wěn)定地通過(guò)砂漿管道隨鋼絲一起進(jìn)入切割區(qū)域。

2、碳化硅微粉的粒型及粒度

硅片的切割實(shí)質(zhì)上是鋼絲和碳化硅微粉共同作用的結(jié)果，微粉的粒型及粒度直接關(guān)系到切片表面質(zhì)量和切割能力。粒型規(guī)則，切出來(lái)的硅片表面光潔度就好;粒度分布均勻，硅片的切割能力就會(huì)提高。

3、砂漿的流量

在硅片切割過(guò)程中，用砂漿泵將砂漿從儲(chǔ)料箱中輸送到噴砂嘴，再由噴砂嘴噴到高速運(yùn)動(dòng)的鋼絲上。為保證切割的順利進(jìn)行，必須對(duì)砂漿的流量進(jìn)行嚴(yán)格控制，流量不均勻或流量跟不上，都會(huì)出現(xiàn)切割能力的嚴(yán)重下降，導(dǎo)致絲痕片、斷絲、機(jī)器報(bào)警直至產(chǎn)品報(bào)廢。

4、鋼絲的張力

翹曲度是硅切片的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，而翹曲的產(chǎn)生歸因于切割過(guò)程中鋼絲的張力對(duì)切片質(zhì)量的影響。切片翹曲不僅會(huì)大大增加后續(xù)的研磨、拋光時(shí)間，而且對(duì)晶片的加工效率和加工成本都會(huì)造成嚴(yán)重影響。

實(shí)驗(yàn)研究表明：張力越大，翹曲度越低，但張力過(guò)大容易斷絲，且會(huì)造成工作導(dǎo)輪壽命降低。因此，需要在滿足切片要求的條件下，適當(dāng)調(diào)整鋼絲的張力，一般加工時(shí)張力值設(shè)定在15～30 N為宜。若張力過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致鋼絲彎曲度增大，帶砂能力下降，切割能力降低。

除了對(duì)切片翹曲度的影響之外，張力的波動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致相鄰晶片間的中心厚度不均勻，影響切片厚度的一致性和精確性。

5、鋼絲的速度

采用單向走絲或雙向走絲的機(jī)器，它們對(duì)絲速的要求是不同的。單向走絲時(shí)，絲線速度恒定，操控容易，目前于MB和HCT機(jī)器。

雙向走絲時(shí)，絲速在2～3 s的時(shí)間內(nèi)沿某一方向由零加速到規(guī)定速度，運(yùn)行一段時(shí)間后，逐漸減速至零，暫停約0.2 s后再反向重復(fù)上面的加減速過(guò)程，而后一直以這個(gè)循環(huán)周期作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

在雙向切割的過(guò)程中，機(jī)器的切割能力在一定范圍內(nèi)隨著絲速提高而提高，但不能低于或超過(guò)砂漿的切割能力。如果低于砂漿的切割能力，就會(huì)出現(xiàn)絲痕片甚至斷絲;反之，如果超出砂漿的切割能力，就可能導(dǎo)致砂漿流量跟不上，從而出現(xiàn)厚薄片甚至絲痕片等。

硅片切割——內(nèi)圓切割技術(shù)

內(nèi)圓切割正如它的名稱(chēng)一樣，切割的位置在刀片的表面。刀片是由不銹鋼制成的大而薄的圓環(huán)。刀片的內(nèi)側(cè)邊緣鍍有帶金剛石顆粒的鎳層。這一金剛石-鎳的鍍層提供了用來(lái)切割晶棒的表面。

內(nèi)圓切割時(shí)，刀片的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生軸向振動(dòng)，刀片與硅片的摩擦力增大，切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的殘留切痕和微裂紋，切割結(jié)束時(shí)易出現(xiàn)硅片崩片甚至飛邊的現(xiàn)象。隨著硅圓片直徑的增大，高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的硅片表面損傷也會(huì)增大，約為30～40μm。對(duì)于Φ200mm硅片，為能夠使粘有碳板的晶棒都能通過(guò)，刀片的外圓直徑可達(dá)到32英寸左右。

由于內(nèi)圓切割一次只能加工一片，切片厚度達(dá)到350μm，切縫損失較大，約為300～500μm，這些缺點(diǎn)限制了內(nèi)圓切割的適用范圍，只能小批量的加工直徑不大于200mm，精度要求不高的硅片。硅片切割——多線切割技術(shù)

1、多線切割加工機(jī)理

多線切割技術(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的硅片加工技術(shù)，它的切割原理是通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)的鋼絲帶動(dòng)附著在鋼絲上的切割磨料(包括游離磨料和固結(jié)磨料)對(duì)半導(dǎo)體等硬脆材料進(jìn)行摩擦，從而達(dá)到切割效果。

多線切割機(jī)主要由收/放線輥、加工輥、導(dǎo)輪系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)和砂漿供給系統(tǒng)組成，如下圖所示。

切割線從放線輥開(kāi)始，通過(guò)一系列導(dǎo)輪纏繞到呈三角分布的3個(gè)加工輥上(也可以2個(gè)或4個(gè)加工輥)，之后再通過(guò)一系列導(dǎo)輪繞到收線輥上。3個(gè)加工輥中通常有一個(gè)作為主動(dòng)輥，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，另外幾個(gè)通過(guò)同步帶與之相連。

在加工輥上按切割寬度要求，平行刻有一系列一定深度的溝槽，鋼絲纏繞在這些溝槽上，形成一張由數(shù)百根平行金屬絲構(gòu)成的金屬絲網(wǎng)。在加工過(guò)程中，溝槽能保證鋼絲始終保持平行，不跑偏。加工時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)加工輥，加工輥帶動(dòng)纏繞其上的鋼絲，使加工段部位的鋼絲作單向或往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

一般來(lái)說(shuō)，絲線單向運(yùn)行加工出的硅片表面質(zhì)量較差，可用作太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的基材;絲線往復(fù)運(yùn)行加工出的硅片表面質(zhì)量較好，可用作集成電路產(chǎn)業(yè)的基片。

2、多線切割效率

由于目前硅片切割的產(chǎn)能仍然不足，如何提高硅片切割的效率，減少切割的損耗成為一個(gè)非常值得關(guān)注的問(wèn)題。在多線切割過(guò)程中，刀損在所有材料加工損耗中占有較大的比例，這一比例有時(shí)高達(dá)50%以上(見(jiàn)下圖)。

另一方面，由于切割時(shí)產(chǎn)生的切屑粒非常微小，切屑粒進(jìn)入研磨液中后，會(huì)造成切割效率下降。而要將其從研磨液中分離出來(lái)，成本較高，實(shí)施困難。因此，通過(guò)減小切片的厚度來(lái)提高單位材料的產(chǎn)出率;通過(guò)減小切割的刀損來(lái)提高原材料的利用率;通過(guò)提高磨粒的利用率來(lái)降低加工成本已成為當(dāng)前硅片切割加工中所追求的方向和目標(biāo)。

下表是EPIA國(guó)際委員會(huì)對(duì)過(guò)去晶片厚度和切絲直徑的統(tǒng)計(jì)和對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)。由表中可見(jiàn)，到2020年，晶片的厚度和切絲的直徑與2005年相比將減少50%以上。

由計(jì)算可知，當(dāng)鋼絲直徑減半后(由φ0.16 mm減至φ0.08 mm)，單一硅錠的硅片產(chǎn)量將提高44.4%，切削量將下降27.8%，切割絲控制張力按要求下降75%，單位硅材料的損耗將大幅下降，晶圓的產(chǎn)出率大幅提高。因此細(xì)絲切割是多線切割技術(shù)發(fā)展的方向。

3、國(guó)外多線切割設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

多線切割機(jī)床屬于大型精密數(shù)控機(jī)床，具有精度高、控制系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大等特點(diǎn)，目前國(guó)際上比較知名的生產(chǎn)企業(yè)主要有瑞士Meyer Burger公司、HTC公司、日本TakaTori公司、NTC公司等。

Meyer Burger公司生產(chǎn)的多線切割設(shè)備主要包括,DS261、DS264、DS265、DS271這幾個(gè)系列產(chǎn)品。yi流的硅片表面質(zhì)量和低的TTV使DS261在半導(dǎo)體多線切割界有著重要地位，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?2英寸硅片。具有快速高效，表面質(zhì)量良好，完整的工件導(dǎo)向等特點(diǎn)。

DS264是一款高產(chǎn)量低成本的機(jī)型。由于使用了超細(xì)的切割線,大大提高了切割效率和產(chǎn)量，另外模塊化的設(shè)計(jì)使得操作更加方便。DS265在高效率高質(zhì)量，操作方便的基礎(chǔ)上，增加了可供用戶選擇的功能用戶可根據(jù)需要選擇金剛石線鋸或者切割用砂漿，而且該機(jī)型可快速轉(zhuǎn)換至小批量生產(chǎn)。

DS271是DS系列的頂峰產(chǎn)品，它的裝載長(zhǎng)度達(dá)到了1020mm，可以同時(shí)處理4根長(zhǎng)度為250mm的單晶，大大提高了產(chǎn)量，適應(yīng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)硅片的高質(zhì)、高量的要求。

NTC公司(日平外山公司)主要提供300mm晶圓片線切割機(jī)MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，存線長(zhǎng)度達(dá)400Km。NTC新近推出的MWM442DM型多線切割機(jī)采用觸屏式控制面板，在市場(chǎng)上占有很大的份額。

4、國(guó)內(nèi)多線切割技術(shù)發(fā)展水平

我國(guó)半導(dǎo)體切割技術(shù)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)處于lingxian水平的是四十五所自主研制開(kāi)發(fā)的DXQ-601型多線切割機(jī)，其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

①具有手動(dòng)、自動(dòng)功能模式。界面直接顯示線速、張力、被切材料的切割位置和進(jìn)給速度、砂漿流量。操作簡(jiǎn)潔直觀。

②熱交換器控制砂漿溫度,溫度控制準(zhǔn)確。保證切片精度。

③采用主軸電機(jī)變頻控制方式。

④采用張力傳感器和伺服電機(jī)閉環(huán)控制。硅片切割——電火花線切割技術(shù)

WEDM加工是利用工件和電極絲之間的脈沖火花放電，產(chǎn)生瞬間高溫使工件材料局部熔化或氣化從而達(dá)到加工目的的技術(shù);它是一種非接觸、宏觀加工力很小的加工方式。根據(jù)走絲速度的快慢，電火花線切割加工分為低速走絲線切割加工(WEDM-LS)和快速走絲線切割加工(WEDM-HS)。

電火花切割硅片技術(shù)是目前國(guó)外研究硅片切割的一種新方法，近年來(lái)國(guó)外相關(guān)的大學(xué)和機(jī)構(gòu)對(duì)于電火花切割在硅片切割方面的應(yīng)用也做了相關(guān)的研究。

比利時(shí)的魯汶大學(xué)和美國(guó)的內(nèi)布拉斯加大學(xué)均采用低速走絲線切割技術(shù)切割硅片，這對(duì)于單晶硅和多晶硅在低電阻率的條件下具有可加工性。

東京農(nóng)工大學(xué)研究在電火花切割工藝條件之下，電阻率為0.02Ω·cm的單晶硅，在不同的工作液中對(duì)單晶硅切割表面質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示：以煤油為工作液的加工表面優(yōu)于以去離子水為工作液的加工表面。

南京航空航天大學(xué)在國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了電火花電解復(fù)合切割硅片技術(shù)的研究，通過(guò)研究工作方式、工作液類(lèi)型、電源及控制策略等因素對(duì)硅片表面質(zhì)量和加工效率的影響，以掌握減少切割表面顯微裂紋及熱影響區(qū)等關(guān)鍵技術(shù)為研究目標(biāo) ，進(jìn)行了低電阻率硅片切割的基礎(chǔ)研究工作。Z高切削效率已達(dá)到600mm/min，切割厚度小于120μm。

由于電火花線切割屬于無(wú)宏觀力切削加工，理論上切削硅片的厚度可以很薄，目前的實(shí)驗(yàn)條件下可以達(dá)到120μm以下。這一指標(biāo)內(nèi)圓切割和線切割目前是無(wú)法達(dá)到的。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示用線切割放電加工法所獲得的硅片總厚度變化(TTV)和彎曲程度(Warp)與多線切割結(jié)果幾乎一樣，切縫造成的硅材料損失與多線切割法得到的數(shù)值相當(dāng)。

硅片切割——超聲振動(dòng)切割

超聲加工是利用超聲振動(dòng)工具在有磨料的液體介質(zhì)中產(chǎn)生磨料的撞擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的空化(氣蝕)作用來(lái)去除材料，或給工具、工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。

幾十年來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問(wèn)題，取得了良好的效果。

蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機(jī)床，上世紀(jì)90年代，日本東京大學(xué)在超聲加工機(jī)床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細(xì)工具，并成功地利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑為Φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直徑為Φ5μm的微孔。

超聲加工的基本原理是在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動(dòng)方向加上一個(gè)不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩(一般為20～30kHZ的超聲波)通過(guò)換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將振幅放大到0.01～0.15mm，再傳給工具，并驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動(dòng)下以很大速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上被打擊下來(lái)。雖然每次打擊下來(lái)的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，所以仍具有一定的加工速度。

超聲加工的特點(diǎn)：

①根據(jù)其加工原理，主要為磨料和液體分子對(duì)加工對(duì)象的不斷沖擊和空化實(shí)現(xiàn)加工的目的，其切割對(duì)象主要為脆而硬的非金屬材料及一些難加工的超硬材料。

②工具可用較軟的材料做較復(fù)雜的形狀。

③工具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，易于利用現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行改裝和維護(hù)。

④由于去除材料是靠粒度極微小的磨料瞬時(shí)、局部的撞擊作用以及超聲空化作用，所以工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小(即使產(chǎn)生很小的切削熱也會(huì)被磨料懸浮液及時(shí)帶走)，不會(huì)引起變形及燒傷。

⑤加工精度與表面質(zhì)量也較好，加工尺寸精度可以達(dá)到0.01～0.02mm表面粗糙度可以達(dá)到0.08～0.63μm，明顯優(yōu)于電火花、電解加工。

⑥其切削效率介于內(nèi)圓切割和多線切割之間，相當(dāng)于普通無(wú)振動(dòng)切割的三倍。

  2018-06-29 4933