IC級晶錠游離磨料電解磨削多線切割工藝（FAEMS）研究

康洪亮

【摘 要】本文簡單的介紹IC級晶錠FAEMS的原理，及與FAMS[1]在硅片總厚度差 翹曲度 表面質量的對比試驗，驗證加入電解后，FAEMS可以更好的改善切割工藝，提高加工質量和效率。

【關鍵詞】游離磨料；多線切割；電解；總厚度差；翹曲度；表面質量

1 實驗簡介

硅片游離磨料電解磨削多線切割（Freeabrasive electrochemical multi-wire sawing，FAEMS）是在機械磨削的基礎上復合了電化學作用，能夠顯著降低宏觀切削力，減少硅片表面損傷層，有利于實現大尺寸超薄硅片加工。本文將從材料去除機理和實驗驗證上，介紹FAEMS在加工尺寸精度和表面質量等方面所取得的一些研究進展。

2 實驗原理

FAEMS是在現有游離磨料多線切割的基礎上，在硅錠與切割線間加上連續或脈沖電源，利用切削液的弱導電性產生微區鈍化或腐蝕，在機械磨削的同時復合電化學腐蝕，FAEMS屬于復合加工方法，該方法以機械磨削為主，電化學作用為輔。其中，電化學作用有利于機械切削力的減小，切割產物兼具磨料作用，可以降低斷絲幾率，提高硅片切割效率；機械磨削作用有利于電化學鈍化（或腐蝕）的持續進行，硅片機械損傷層更薄，表面完整性好，減少了后續減薄量，提高了材料利用率。切割過程中，硅錠和切割線分別連接到電源的正極和負極，構成電化學反應的陽極和陰極，產生微弱的電化學反應，在硅錠的表面形成鈍化膜。鈍化膜不斷被快速移動的切割線夾帶的磨料刮除；露出新鮮表面后，繼續發生電化學作用，材料去除過程不斷重復。鈍化膜是在陽極電場的作用下，硅基體材料和切削液中存在的氧元素發生陽極氧化反應形成的，主要成分是硅的氧化物。其結構疏松多孔，相比于新裸露的硅基體硬度較低，易于切割，降低了宏觀切削力，磨削加工更易進行，殘余應力更小。

試驗時電源正極采用專用進電方法連接到硅錠，負極通過碳刷或專用進電工具連接到切割線。在開展對比試驗時，FAEMS的各項工藝參數與FAMS保持一致。

3 實驗設備與材料

MWM442DM 多線切割機，5英寸N<111>硅錠若干，MS103測試儀一臺，導電碳/銀漿，導線若干， 貴金屬電鍍脈沖電源，導電塊，

4 實驗數據與結果

硅片的表面完整性評價指標主要包括幾何加工參數TTV 、WARP、硅片表面質量以及亞表面質量等方面。采用單一變量法進行實驗。

4.1 幾何加工參數

4.1.1 硅片厚度與 TTV

統計的FAMS（FAMS）的有效片數（572-584um，TTV≦20 μm，WARP≦40μm）是704 片，平均厚度為 581.62 μm，平均 TTV 為 4.26μm；統計的FAEMS（FAEMS）的有效片數（572-584um，TTV≦20 μm，WARP≦40μm）是683片，平均厚度為 580.62 μm，平均 TTV 為 3..54μm。FAEMS的TTV 相比于FAMS略有減小，且 TTV分布區間也有差異。從統計結果可以得出，FAMS的 TTV 值集中區間在 4-5 μm，而FAEMS的TTV 值集中于 3-4 μm 之間，比FAMS的厚度誤差范圍小。這是因為FAEMS復合了電化學作用，生成易于切割的鈍化層，降低了宏觀切削力和切割負載，減小了因切割阻力大引起的切割線的震顫，進而降低了 TTV。

4.1.2 WARP統計與分析

翹曲度（WARP）是反映硅片變形和殘余應力的一個重要指標，尤其是隨著硅片尺寸的不斷變大，硅片彎曲和翹曲更加嚴重，所以對翹曲度的要求也越來越高。對FAEMS和FAMS硅片的WARP統計發現，FAMS硅片的平均Warp為 18.12 μm，Warp主要分布在 15～24 μm 之間，而FAEMS硅片的平均Warp為 14.38 μm，主要分布在 10～19 μm之間，其均值和分布區間均優于FAMS。FAEMS對硅片Warp的改善與其加工機理密切相關。硅片的殘余應力影響翹曲度，FAMS完全依靠機械磨削，在加工過程中極易發生加工硬化產生殘余應力；而FAEMS的加工機理不同，在機械磨削的同時復合電化學加工，能有效的降低切割負載，減少加工硬化的出現，減少殘余應力，所以FAEMS的硅片Warp有明顯改善。

4.2 表面質量檢測與分析

切片后的硅片的表面質量與缺陷主要包括：線痕、孔洞、裂紋、暗裂、顆粒剝落、崩邊，雜質分布等等[2]。

4.2.1 對其進行表面殘余雜質分析

硅材料在制造過程中需嚴格控制雜質含量，否則雜質原子會與結晶學缺陷相互作用，形成少數載流子的復合中心，大大減小擴散長度。取清洗潔凈后的FAEMS硅片，對其表面進行 EDS 檢測，從能譜圖中可以看出FAEMS硅片表面只含有 Si 一種元素，并未引入其他元素。

4.2.2 亞表面損傷檢測與分析

多線切割時切割線帶動磨粒切削，引起硅片亞表層產生橫向裂紋和中位裂紋，形成損傷層。由于損傷層的存在，在硅片的亞表面會出現隱裂、凹坑、孔洞、劃痕等缺陷，而這些缺陷會對硅片后道工序產生不利影響。硅片在堿溶液中各向異性腐蝕，但是由于硅片表面存在的損傷區域反應活性高，缺陷周圍存在的局部應力場使腐蝕速度加快， 出現速率差，缺陷處與完美處形成明暗對比，硅片表面部分損傷層被去除后，暗裂、微裂紋、微溝槽等缺陷顯現出來。將FAMS的硅片和FAEMS的硅片置于 80 ℃恒溫質量分數為 20%的 NaOH 溶液中腐蝕 20 min，去除部分損傷層后在顯微鏡下觀察兩種樣片的微觀結構。FAMS的硅片經腐蝕處理后亞表面形貌，可以看到其表面存在微裂紋和較深的溝槽，這些缺陷既影響電池片的光電轉換效率，又容易引起碎片，影響使用壽命。FAEMS的硅片經腐蝕處理后亞表面形貌，其表面損傷基本平坦均勻勻，無明顯的溝槽和裂紋，在后續工序中也不易引起碎片。

5 結論

FAEMS方法加工的硅片的 TTV 和 WARP 均優于FAMS的硅片。因為FAMS是依靠機械磨削“冷”加工來制造硅片，屬于非剛性切割，在切割過程中切割線必然產生變形從而不斷產生瞬間的沖擊作用；而FAEMS屬于復合加工，能有效降低宏觀切削力，減少切割負載。FAEMS方法由于在機械磨削的同時復合了電化學作用生成了易于切割的鈍化層，對硅片表面的線痕、剝落以及損傷層都有一定的改善作用。此外 FAEMS法硅片的表面損傷層更薄。

在后續的工作中將結合游離磨料和固結磨料兩種切割方法，進一步研究電解磨削多線切割對位錯、殘余應力的影響；同時，通過改進切削液成分，提高切割過程中的電化學作用，施加磁場等進一步完善工藝，提高質量，降低成本。

【參考文獻】

[1]康自衛，王麗.《硅片加工技術》化學工業出版社，2010.

[2]張厥宗.硅單晶拋光片的加工技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[責任編輯：張濤]