硅片多絲切割技術的工藝研究*

□ 鄭小軍 □ 肖俊建 □ 吳 軍

衢州學院 機械工程學院 浙江衢州 324000

硅片多絲切割技術的工藝研究*

□ 鄭小軍 □ 肖俊建 □ 吳 軍

衢州學院 機械工程學院 浙江衢州 324000

隨著世界范圍能源供應的日趨緊張和太陽能光伏產業的飛速發展，對硅片切割加工能力和硅片產能提出了更高的要求。論述了常見的硅片切割的方法，對硅片切割影響因素和多絲切割技術等工藝問題進行了探討。

多絲切割 影響因素 工藝研究

目前，制作光伏太陽能電池的主要材料是晶體硅片，據估算，每生產1 MW的太陽能電池組件需要17 t左右的原料。據Clean Edge預測，到2015年，全球太陽能發電市場需求規模將從2005年的100億美元猛增到500億美元，這就需要有足夠多的硅原料和硅片切割設備，硅片的切割技術將直接關系到硅片切割的質量與生產規模，直至影響整個產業鏈的健康發展。

在集成電路等半導體產業，對硅片的需求同樣巨大。在半導體材料中，硅占了95%以上，硅原料的供不應求、切割加工能力的落后已經嚴重阻礙了我國太陽能和半導體產業的發展，因此研究一種先進的硅片切割技術已迫在眉睫。

1 硅片切割的常見方法

目前，采用硅片切割方法有內圓切割和自由磨粒的多絲切割兩種，而固定磨粒線鋸實質上是一種用線性刀具替代環型刀具的內圓切割。在這兩種切割方法中，前者是傳統的硅片加工方法，如圖1（a）所示，它的缺點是材料利用率較只有40%～50%，同時，由于結構的限制，這種方法也無法加工直徑大于200 mm以上的硅片。后者是近年發展起來的一種新型硅片切割技術，它通過一系列鋼絲帶動碳化硅研磨料進行研磨加工來切割硅片，如圖1（b）所示。與前者相比，多絲切割具有切割效率高、刀損小、成本低、切片表面質量好、可加工硅碇直徑大、每次加工硅片數多等諸多優點，見表1。

表1 內圓切割與多絲切割的對比

2 硅片切割的影響因素

硅片多線切割機理就是通過高速運轉的鋼絲帶動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域，與壓在絲網上的硅錠連續發生摩擦，最終完成切割的過程。

在硅片切割過程中，影響硅片成品率和質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。

2.1 切割液（PEG）的黏度

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

2.2 碳化硅微粉的粒型及粒度

硅片的切割實質上是鋼絲和碳化硅微粉共同作用的結果，微粉的粒型及粒度直接關系到切片表面質量和切割能力。粒型規則，切出來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提高。

2.3 砂漿的流量

在硅片切割過程中，用砂漿泵將砂漿從儲料箱中輸送到噴砂嘴，再由噴砂嘴噴到高速運動的鋼絲上。為保證切割的順利進行，必須對砂漿的流量進行嚴格控制，流量不均勻或流量跟不上，都會出現切割能力的嚴重下降，導致絲痕片、斷絲、機器報警直至產品報廢。

▲圖1 內圓切割與多絲切割原理示意圖

2.4 鋼絲的張力

翹曲度是硅切片的一個重要質量指標，而翹曲的產生歸因于切割過程中鋼絲的張力對切片質量的影響。切片翹曲不僅會大大增加后續的研磨、拋光時間，而且對晶片的加工效率和加工成本都會造成嚴重影響。實驗研究表明：張力越大，翹曲度越低，但張力過大容易斷絲，且會造成工作導輪壽命降低。因此，需要在滿足切片要求的條件下，適當調整鋼絲的張力，一般加工時張力值設定在15～30 N為宜。若張力過小，將會導致鋼絲彎曲度增大，帶砂能力下降，切割能力降低。

除了對切片翹曲度的影響之外，張力的波動還會導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。

2.5 鋼絲的速度

采用單向走絲或雙向走絲的機器，它們對絲速的要求是不同的。單向走絲時，絲線速度恒定，操控容易，目前僅限于MB和HCT機器。

雙向走絲時，絲速在2～3 s的時間內沿某一方向由零加速到規定速度，運行一段時間后，逐漸減速至零，暫停約0.2 s后再反向重復上面的加減速過程，而后一直以這個循環周期作往復運動。在雙向切割的過程中，機器的切割能力在一定范圍內隨著絲速提高而提高，但不能低于或超過砂漿的切割能力。如果低于砂漿的切割能力，就會出現絲痕片甚至斷絲；反之，如果超出砂漿的切割能力，就可能導致砂漿流量跟不上，從而出現厚薄片甚至絲痕片等。

3 多絲切割技術

3.1 多絲切割加工機理

多絲切割技術是目前世界上較為先進的硅片加工技術，它的切割原理是通過高速運動的鋼絲帶動附著在鋼絲上的切割磨料（包括游離磨料和固結磨料）對半導體等硬脆材料進行摩擦，從而達到切割效果。

多絲切割機主要由收/放線輥、加工輥、導輪系統、張力控制系統、工作臺進給系統和砂漿供給系統組成，如圖2所示。切割線從放線輥開始，通過一系列導輪纏繞到呈三角分布的3個加工輥上 （也可以2個或4個加工輥），之后再通過一系列導輪繞到收線輥上。3個加工輥中通常有一個作為主動輥，由電機直接驅動，另外幾個通過同步帶與之相連。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，形成一張由數百根平行金屬絲構成的金屬絲網。在加工過程中，溝槽能保證鋼絲始終保持平行，不跑偏。加工時，電機帶動加工輥，加工輥帶動纏繞其上的鋼絲，使加工段部位的鋼絲作單向或往復運動。一般來說，絲線單向運行加工出的硅片表面質量較差，可用作太陽能光伏產業的基材；絲線往復運行加工出的硅片表面質量較好，可用作集成電路產業的基片。

▲圖2 多絲切割機工作原理圖

▲圖3 線鋸切割斷面的幾何參數

3.2 多絲切割效率

由于目前硅片切割的產能仍然不足，如何提高硅片切割的效率，減少切割的損耗成為一個非常值得關注的問題。在多絲切割過程中，刀損在所有材料加工損耗中占有較大的比例，這一比例有時高達50%以上（見圖3）。另一方面，由于切割時產生的切屑粒非常微小，切屑粒進入研磨液中后，會造成切割效率下降。而要將其從研磨液中分離出來，成本較高，實施困難。因此，通過減小切片的厚度來提高單位材料的產出率；通過減小切割的刀損來提高原材料的利用率；通過提高磨粒的利用率來降低加工成本已成為當前硅片切割加工中所追求的方向和目標。表2是EPIA國際委員會對過去晶片厚度和切絲直徑的統計和對未來的預測。由表中可見，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。

表2 EPIA國際委員會統計分析后給出的預測

由計算可知，當鋼絲直徑減半后（由φ0.16 mm減至φ0.08 mm），單一硅錠的硅片產量將提高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，晶圓的產出率大幅提高。因此細絲切割是多絲切割技術發展的方向。

4 結束語

硅片切割技術是硅片 （晶圓）生產的上游關鍵技術，切片的質量與產能直接影響到整個產業鏈的后續生產。因而研究硅片切割的方法、影響因素、多絲切割加工機理和多絲切割效率意義重大。多絲切割作為一種先進的切割技術，目前已逐漸取代傳統的內圓切割成為硅片切片加工的主要切割方式，對細絲多絲切割的研究具有迫切與深遠的意義。

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（編輯 丁 罡）

TH122；TG669

A

1000-4998（2015）02-0066-03

*浙江省衢州市科技計劃項目（編號：2013Y006）

2014年8月