鍺單晶多線切割工藝研究

董軍恒，李 聰

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

Ge單晶在紅外光學材料中的應用廣泛，而作為太陽能電池襯底材料的開發則成為當前的熱門[1]。航天工業的特點決定了太陽能電池必須具有質量輕、精度高的特性，作為襯底的Ge拋光片在滿足強度要求的前提下，必須盡量降低厚度，而且對拋光片的表面質量、表面晶格完整性、平整度等提出更高的要求[2]。切片是把單晶鍺由鍺棒變成鍺片的一個重要工序，切片質量的好壞直接影響著拋光等后續工序的工作量和產品質量。多線切割技術以其材料損耗小、面形精度高等優點，目前正成為半導體材料切片的主流發展方向。

多線切割單晶棒時，磨料通過擠壓、鑲嵌在被切割材料表面來實現材料的去除，即大量的能量消耗在磨料與待切材料的摩擦過程中并隨著切割粉末轉化為熱能。其中一部分熱能被切割液吸收并帶走，但是剩下的全部被單晶棒吸收。有文獻指出在切割一支150 mm(6英寸)硅單晶的過程中，單晶棒的最高溫度比初始溫度高20℃甚至更高[3]。而單晶鍺的比熱容及熱導率等參數均比單晶硅要低（如表1所示），因此，在切割鍺單晶過程中，單晶棒的最高溫度比初始溫度還會更高。以切割一顆200 mm長鍺單晶為例，鍺的熱膨脹系數為5.8×10-6/℃，溫度升高20℃可以導致整顆單晶產生23.2 μm的熱膨脹，而在開始切割位置單晶未發生膨脹。在整個切割過程中，被切單晶溫度變化是一個漸變的過程，在溫度達到最高的位置與最開始切割位置能夠相差23.2 μm，這會導致鍺片產生較大的WARP等。而切割過程中切割速度、環境溫度對于單晶棒熱量的導入與導出有著至關重要的影響。此外，變速切割作為多線切割的一種重要切割方式，已被證明適用于單晶硅材料的切割[4]。因此，本論文主要研究變速切割及不同環境溫度下定速切割對鍺片WARP的影響，最終得出一種優良鍺單晶切割工藝，為工業生產優良的鍺單晶片提供更多的選擇。

表1　Si單晶與Ge單晶熱學參數對比

1　實　驗

本實驗統一采用直拉法P型<100>偏<111>9°，直徑為100 mm鍺單晶棒，首先將實驗棒平均分成四組，一組在室溫25℃下，采用變速切割方式，其切割速度及曲線圖如表2、圖1所示；其他三組分別在不同環境溫度下（20℃、25℃、30℃）采用定速切割方式，切割速度為180 μm/min，四組實驗其他切割條件相同，如表3所示。使用MWM-442D型多線切割機分別對以上四組單晶棒進行切割，每次切割一顆，每組實驗條件切割2次。

表2　變速切割速度參數

圖1　變速切割速度曲線圖

表3　切割工藝參數

切割后的鍺片經清洗后采用MS-103型多功能幾何參數測試儀對其進行翹曲度測試，每顆單晶均勻抽取10片測量并記錄平均值。

2　結果與討論

表4為四組不同切割條件下鍺片WARP平均值，從表中可以看出在30℃環境下，采用180 μm定速切割鍺片WARP平均值較大，分別為24.6 μm、23.4 μm；在25℃環境下，采用表2所示參數變速切割鍺片，WARP 平均值分別為 23.1 μm、22.9 μm；在25℃環境下，采用 180 μm定速切割鍺片WARP 平均值分別為 17.1 μm、15.8 μm；在 20 ℃環境下，采用180 μm定速切割鍺片WARP值分別為 13.5 μm、12.4 μm。

表4　不同切割工藝下鍺晶片翹曲度

圖2　不同溫度下定速切割鍺片WARP值

2.1　定速切割與變速切割鍺片分析（25℃環境下）

切割過程中，切割線與單晶接觸的面積隨著切割位置的變化而變化，這也導致產生的熱量隨著切割位置的變化而變化。理想的切割方式是單位時間內鋼線與晶錠接觸的面積始終一致，所以切割速度應是先增大后減小再增大，切割速度曲線應是一個對稱的弧形，但是張立等人[4]在研究變速切割單晶硅時指出，切割過程中，除了要考慮鋼線與單晶的接觸面積以外，還需考慮SiC顆粒切削能力下降的因素，因此采用切割速度逐步下降至單晶中部然后緩慢提升一定速度即圖1所示曲線切割硅片WARP要比定速切割的硅片WARP值小，這一理論同樣適用于切割鍺單晶。但通過對比表4中25℃下變速切割及定速切割后鍺片WARP值發現，采用180 μm/min定速切割鍺片WARP均值要比采用變速切割鍺片WARP均值小6～7 μm，切割效果明顯優于變速切割，導致這一結果的原因主要在于變速切割鍺片的切割速度要明顯高于定速切割，致使變速切割過程中產生了大量的熱量，因鍺單晶比熱容及熱導率差，造成單晶溫度較初始溫度明顯增高，而鍺單晶熱膨脹系數大，最終導致切割后鍺片WARP值很大。因此，在切割鍺單晶的過程中，降低單晶棒的溫度差即降低熱量導入晶體、提高晶體熱量的導出是決定鍺晶片WARP的重要因素。

2.2　不同環境溫度下定速切割鍺片分析

通過表4及圖2對比可以發現，隨著環境溫度的降低，鍺片的WARP也逐漸減小，從30℃下的24.6 μm降低到20℃下的12.4 μm，這主要是因為環境溫度的降低，加速了鍺單晶棒在切割過程中熱量的傳導，降低了鍺單晶棒的溫度。Sumeet Bhagavat等人[5]通過建立切割過程中單晶溫度變化的模型很好地解釋了這一點。該模型通過建立熱量流入及流出單晶棒的邊界條件（如圖3所示），以得出影響單晶棒溫度變化的變量關系。單晶棒在切割過程中，切割線帶動磨料對材料進行擠壓、鑲嵌，這一過程產生大量的熱量，其中一部分熱量被切削液及時吸收，另外一部分被單晶棒吸收，造成單晶棒溫度升高，構成熱量導入邊界條件。而單晶棒與其接觸的環境空氣、樹脂條進行熱量對流，構成熱量導出邊界條件。

圖3　線切過程中熱量流入及邊界對流示意圖

圖3中虛線Γ1位置為線切位置（熱量流入）邊界，實線Γc為自然對流（熱量流出）邊界。

單位時間內流入單晶棒的熱量Q入可以表示為：

其中，q表示切割過程中流入單晶棒的熱通量，Af表示熱量傳導到單晶棒的面積。

單位時間內流出單晶棒的熱量Q出可以表示為：

其中，h表示邊界熱對流系數，Ac表示有效的邊界對流面積，T棒表示單晶棒的溫度，T環表示邊界環境溫度。以上公式中，q、Af、h、Ac均隨著切割位置的變化而變化，要想降低單晶棒在切割過程中溫度的變化，則必須減小單位時間內流入單晶棒的熱量Q入與單位時間內流出單晶棒的熱量Q出的差值，即邊界環境溫度越低，單位時間內流出單晶棒的熱量Q出越高，單晶棒在整個切割過程中溫度變化越小，因熱膨脹引起的WARP值越小。此外，H.Lundt等人[6]還指出通過向切割單晶鼓入空氣并在單晶棒上澆灌砂漿能夠將單晶棒溫度差控制在6℃左右，從而達到減小單晶棒的熱膨脹，降低晶片的WARP值。但是采用降低環境溫度的方法更好，因為空氣可以進入單晶棒的任意切割面而砂漿則達到，特別是在剛切割的平面。

3　結　論

（1）鍺單晶因其熱學性能較差，在切割過程中降低熱量導入晶體、提高晶體熱量的導出是決定鍺晶片WARP的重要因素。

（2） 采用 180 μm/min定速切割的鍺晶片WARP要比采用表1變速切割鍺片的WARP小6～7 μm。（3）環境溫度越低，熱量導出速度越快，切割的鍺晶片WARP越小，當環境溫度為20℃時，180 μm/min定速切割的鍺晶片WARP能達到12.4 μm。

參考文獻：

[1]Claeys C'Simoen E.Germanium-Based Technologiesfrom Materials to Devices[M].US：Amsterdam Elsevier Science，2007.11-12.

[2]呂菲，趙權，劉春香，等.Ge單晶片的酸腐蝕特性分析[J].Semiconductor Technology，2008，33(12)：1077-1079.

[3]Y.Ariga.Wiresaw and cutting method[P].US：6652356，2003.

[4]張立，于晉京，李耀東，等.切割速度對硅片翹曲的影響[J].Semiconductor Technology，2011，36(5)：368-371.

[5]Sumeet Bhagavat，Imin Kao.A finite element analysis of temperature variation in silicon wafers during wiresaw slicing[J].Machine tools&Manufacture，2008，(48)：95-106.

[6]H.Lundt，L.Huber，P.Wiesner.Method of cutting slices from a workpiece[P].US：6773333，2004.