變速切割速度曲線(xiàn)對(duì)硅片翹曲度的影響

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)

隨著IC制造技術(shù)的突飛猛進(jìn)，硅底襯片幾何參數(shù)對(duì)IC制造過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮影響愈發(fā)明顯。所以對(duì)硅襯底片的參數(shù)要求也就越發(fā)嚴(yán)格。同時(shí)由于多線(xiàn)切割機(jī)具自動(dòng)化程度高、加工效率高、切割質(zhì)量穩(wěn)定、切割應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在IC級(jí)硅單晶的加工中得到了普及應(yīng)用。翹曲度（WARP）、彎曲度、總厚度變化、厚度偏差等參數(shù)既是重要的硅片幾何參數(shù)，也是表征線(xiàn)切割機(jī)加工精度的特殊參數(shù)。直徑125 mm單晶硅棒切割溫度變化的有限元分析因素表明，單晶硅的溫度在切入25 mm處的增長(zhǎng)趨勢(shì)最為明顯，而影響單晶硅溫度變化的主要因素是熱流量和傳熱系數(shù)，而熱流量隨切割線(xiàn)的接觸長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增加，傳熱系數(shù)卻隨之減小[1]。切割過(guò)程中單晶直徑變化造成鋼線(xiàn)接觸面積變化，所以產(chǎn)生熱量也隨之變化，使硅片受熱變形，產(chǎn)生翹曲。

1 線(xiàn)切割機(jī)加工原理

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)向作用滑輪，然后經(jīng)過(guò)控制張力的張力控制器，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。

切片是硅晶棒加工工藝中最重要的工序之一，在IC級(jí)硅晶棒的切割中需要保證其品相偏離度、厚度、總厚度變化（TTV）、彎曲度(BOW)、翹曲度(warp)等公差要求和表面質(zhì)量。

2 120 mm硅單晶線(xiàn)切割過(guò)程中的翹曲控制

2.1 120 mm硅片的切片幾何參數(shù)要求

晶向及晶向偏離度：<100>±1.0°

總厚度變化（TTV）:≤15 μm

彎曲度：≤20 μm

翹曲度：≤:25 μm

2.2 切片加工流程及加工設(shè)備

加工流程：?jiǎn)尉Фㄏ蛘辰印€(xiàn)切割——脫膠——清洗——檢測(cè)

加工設(shè)備：YX-2D6型X光定向儀；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所產(chǎn)DXQ-601A型線(xiàn)切割機(jī)

2.3 控制方法研究

設(shè)備準(zhǔn)備：（1）砂漿出口溫度控制在25℃；

（2）冷卻水溫度控制在12℃。

單晶準(zhǔn)備：（1）按照規(guī)格要求定向粘接在單晶托上，并完全固化；

（2）取出粘接后多余的膠。

切割工藝準(zhǔn)備：（1）配置砂漿，要求砂漿密度為1.62 g/cm3，攪拌十小時(shí)以上確保充分混合；

（2）砂漿流量供給方式設(shè)為圖表，流量70—90—70 L/min，分五管從單晶兩側(cè)噴射；

(3)砂漿進(jìn)口溫度設(shè)定為25℃；

(4)鋼線(xiàn)速度680 m/min；

(5)鋼線(xiàn)直徑0.12 mm，設(shè)定耗線(xiàn)量80—110—95 m/min；

(6)切割速度采用變速切割（調(diào)整后的最終速度）。

實(shí)驗(yàn)采用的切割速度變化見(jiàn)表1、圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)采用的切割速度變化表

實(shí)際切割實(shí)驗(yàn)：使用以上工藝參數(shù)并進(jìn)行反復(fù)切割實(shí)驗(yàn)，得到以下數(shù)據(jù)（抽檢15片）。見(jiàn)表2、圖2。

實(shí)驗(yàn)分析：理想的切割方式是單位時(shí)間內(nèi)鋼線(xiàn)的切割面積相等，所以在切割過(guò)程中隨著單晶直徑的變化鋼線(xiàn)接觸單晶的面積將由小變大再變小。在這種變化過(guò)程中鋼線(xiàn)與單晶的接觸面積越大，如果切割速度保持不變，則在切割過(guò)程中鋼線(xiàn)受到的阻力也就越大，摩擦生熱量也就越大，因而造成硅片翹曲度變大。所以在不考慮其他因素影響的情況下，切割速度變化應(yīng)隨著鋼線(xiàn)接觸單晶面積的變化，做成曲線(xiàn)應(yīng)為兩邊高中間低的對(duì)稱(chēng)弧形。

圖1 實(shí)驗(yàn)采用切割速度變化曲線(xiàn)

表2 實(shí)驗(yàn)的翹曲度

圖2 實(shí)驗(yàn)的翹曲度分布圖

按照以上理論，我們將實(shí)驗(yàn)中的工作臺(tái)速度變化曲線(xiàn)改為兩邊高中間低的對(duì)稱(chēng)弧形進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采取表3所示的切割速度進(jìn)行，得到圖3所示的翹曲分布。實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、圖4。

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，如果僅考慮鋼線(xiàn)與單晶的接觸面積，得到的硅片翹曲水平極差，分布在25～40之間，不能滿(mǎn)足2.1中所提出的120 mm切片翹曲度要求。

表3 對(duì)稱(chēng)弧形切割速度變化表

圖3 對(duì)稱(chēng)弧形切割速度變化曲線(xiàn)

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 實(shí)驗(yàn)的翹曲度分布圖

上海大學(xué)程志華等人認(rèn)為切割加工的關(guān)鍵在于切割液中的磨粒，而磨粒的綜合力學(xué)行為在相當(dāng)程度上取決于硅工件和切割線(xiàn)之間切割液的流體力學(xué)行為，從機(jī)理上來(lái)說(shuō)，在自由磨料切削加工過(guò)程中按摩粒與切割液薄膜相對(duì)厚度的大小，有滾動(dòng)-嵌入、滾動(dòng)——刮擦、刮擦3種情況，根據(jù)程志華等人的理論，滾動(dòng)——刮擦加工過(guò)程中魔粒容易破碎，從而磨粒大小分布不均，因而在不同的磨削階段，實(shí)際參與加工的磨粒大小不同，也就會(huì)造成在工件不同部位加工表面質(zhì)量不一致。另外滾動(dòng)——刮擦加工還會(huì)把帶動(dòng)磨粒加工的切割線(xiàn)的表面形貌反映在加工工件上。因此針對(duì)其不利方面為了提高晶片切片加工表面質(zhì)量，最好是以滾動(dòng)—嵌入為主導(dǎo)的加工方式[2]。

在實(shí)際切割過(guò)程中，隨著磨削作用的不斷進(jìn)行SiC顆粒在不斷的破碎，粒徑減小，導(dǎo)致磨削能力下降，在實(shí)際切割過(guò)程中，硅粉持續(xù)性的被磨削掉，并混入砂漿中，使砂漿的黏度不斷增大，導(dǎo)致由鋼線(xiàn)帶入磨削區(qū)域的SiC數(shù)量減少，也導(dǎo)致了切割能力的下降，所以在切割過(guò)程中的切割速度變化應(yīng)是逐漸降低的。

由于單晶直徑大，SiC磨削路線(xiàn)長(zhǎng)，所以為確保鋼線(xiàn)的帶砂能力以及在單晶邊緣和芯部磨削效果的一致性，需要提高鋼線(xiàn)速度和耗線(xiàn)量。

大直徑單晶切割過(guò)程中磨削發(fā)熱嚴(yán)重，由于磨削線(xiàn)路長(zhǎng)，PEG的降溫效果不如小直徑單晶，在切割過(guò)程中單晶芯部容易產(chǎn)生熱積累，，從而造成硅片存在較大的熱應(yīng)力，在極大熱應(yīng)力的作用下，硅片翹曲度將變大，所以在切割過(guò)程中要嚴(yán)格控制砂漿溫度和流量，是切割過(guò)程中磨削產(chǎn)生的熱量及時(shí)被PEG帶走，減小熱應(yīng)力的影響，從而降低硅片的翹曲度。

通過(guò)以上理論，最終確定了試驗(yàn)參數(shù)，并且通過(guò)表2顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示。采用這種工藝切割的硅片翹曲度分布可以滿(mǎn)足2.1中所提出的125 mm硅切片翹曲度要求。

3 結(jié) 論

125 mm硅片翹曲度受到砂漿切割能力、單晶直徑變化、鋼線(xiàn)的帶砂能力的影響，所以要想達(dá)到理想的翹曲度水平，需要結(jié)合調(diào)整砂漿的流量和溫度，、線(xiàn)速度和耗線(xiàn)量、切割速度等，只有將多方面的條件調(diào)整到最佳，才能切割出理想的硅片。同時(shí)由于線(xiàn)切割工序涉及因素多，只有將設(shè)備調(diào)整到穩(wěn)定的狀態(tài)，并且具備科學(xué)的管理水平，才能保證切片水平的穩(wěn)定發(fā)揮。

[1]舒繼干，魏昕，袁艷蕊.單晶硅游離磨粒線(xiàn)切割技術(shù)研究[J].2009,43（1）：31-35.

[2]袁艷蕊，魏昕，丁寅.游離磨料線(xiàn)切割的切割液行為綜述[J].金剛石與磨料磨具工程，2009,6:43-48.