第三章-半导体晶体的切割及磨削加工

1liuzhidong1LOGO第三章半导体晶体的切割及磨削加工第三章半导体晶体的切割及磨削加工liuzhidong2硅片加工准备阶段的流程liuzhidong3单晶硅片加工过程模拟单晶硅片加工过程模拟liuzhidong4一、硅单晶棒的截断对硅单晶棒首先需要采用外圆切割（ODSaw）、内圆切割（IDSaw）或带锯切割（BandSaw）进行两头截断，其目的主要是：•切除硅单晶棒的头（硅单晶的籽晶和放肩部分）、尾及直径小于规格要求的部分；•将硅单晶棒切割成切片机便于处理长度的晶棒段；•对硅单晶棒切取样片，以检测其电阻率、氧/碳含量、晶体缺陷等质量参数。第一节半导体传统切割方法liuzhidong5晶体截断加工时，切割断面应平整并与单晶棒轴线垂直。由于硅晶体硬（莫氏硬度7）而脆，对其进行加工多采用金刚石刀具。晶体截断的关键问题是如何减少材料损失。硅晶体截断加工的主要方式有以下几种：(1).(1).外圆切割外圆切割外圆切割采用外圆金刚石刀片对硅晶体进行切割。由于刀片本身强度的限制，其直径不能做得太大(一般不大于500mm)，刀片厚度较大(≥2mm)，硅晶体刀口损失大（≥3mm），该方法不适宜大直径硅晶体截断加工。但由于设备简单、价格低，目前产量不大的硅单晶厂仍在使用。liuzhidong6外外圆圆切切割割机机2liuzhidong7外圆锯切是最早开发的锯切硅晶片的工艺。这种方法与砂轮外圆磨削相似，把薄的金刚石锯片夹持在高速旋转的主轴上，用外径上的金刚石磨粒锯切工件。目前外圆切片还用在单晶硅棒切方方面（俗称开方），通常用两片金刚石外圆切割片同时装在单晶硅切方装置上，将单晶硅圆棒加工成硅方棒。加工后的单晶硅棒成对称矩形。对专用于单晶硅棒切方用金刚石外圆切割片的要求是其刃口越薄越好。金刚石外圆切割锯片在单晶硅棒切方装置上是两片同时使用，将硅棒切成对称矩形。liuzhidong8单晶硅棒开方设备liuzhidong9单晶硅方棒liuzhidong10由于单晶硅切割面要求平整，表面要求无滑道、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑等，故成对的切割片必须具有相同的机械物理性能。因此，基体材质、金刚石选用与处理以及生产工艺都须有严格的特殊的要求。在单晶硅棒切方过程中，对切割片的效率和使用寿命也有一定的要求。liuzhidong11单晶硅具有金刚石晶格，晶体脆而硬，很难用常规工具完成加工。金刚石外圆切割片在切割单晶硅时，线速度高达30m/s，锯齿在切割过程中反复承受脉冲式工作载荷，因此要求胎体要具有高的硬度和耐磨性，使之在切割过程中与金刚石的磨损相适应。金刚石外圆切割片的制造工艺liuzhidong12因此选用低温电沉积法制造金刚石外圆切割锯片。其优点是：•工艺温度低，避免了对金刚石的热损伤；•沉积金属镍层本身有较高的硬度（HRC≈40），加之组织致密，对金刚石具有良好的浸润性，金刚石不易脱落；•可生产很薄且金刚石浓度很高的切割片；•设备简单、操作方便，制造成本低。3liuzhidong13电沉积金刚石切割片liuzhidong14用于切割单晶硅切方的外圆切割片，其半径必须大于单晶硅棒的直径。直径一般约为100-300mm的单晶硅锭，为满足切割要求，切割片的直径在φ300-700mm，锯片刀口的厚度从1.8mm-3.4mm之间。随着外圆锯切技术的发展与工件直径的增大，外圆锯片的直径也不断增大，因此锯片的刚性降低，刃口摆动量难以控制。为了增加锯片的刚度，刀体厚度增加，导致锯痕变宽、材料损耗增大，锯切质量变差，难以锯切出薄片。因此，外圆锯切方法己很少使用，主要用来加工端面和晶向偏转大、长晶体的定向加工。对于大尺寸材料，主要用于整形加工。金刚石外圆切割片基体的尺寸金刚石外圆切割片基体的尺寸liuzhidong15内圆切割采用内圆金刚石刀片对硅晶体进行切割，设备与内圆切片机类似。采用该方法时，硅晶体刀口损失小（一般小于0.4mm），除进行正常截断加工之外，还可以切取较薄的测试样品（0.6-1.0mm）。目前，8in内圆截断机已有商品供应市场，虽然价格较贵，但对大型硅单晶厂是适用的。目前，中、小尺寸晶片切割主要采用内圆切割方法。这种方法是在刀片内径电镀金刚石磨料作为切削刃。(2).内圆切割。liuzhidong16内圆切割刀片liuzhidong17内圆切割机床按照主轴的方向可以分为立式和卧式两种结构。卧式切片机便于取片，但是大质量的主轴为悬臂结构，在高速旋转的情况下，由于偏心容易产生振动，而立式机床则避免了这个缺点。晶体典型的特征是各向异性，切割方向对晶片的性质有着很大的影响，因此加工机床带有晶向调节机构。晶向调节机构有二维和四维之分。二维调节机构适于加工无晶向脆硬材料。四维调节机构可以使工作台垂直转动(范围±20°)，水平转动(±10°)，实现晶体的精密定向切割。内圆切割机床内圆切割机床liuzhidong18内圆切割机示意图4liuzhidong19J5010I-1型立式内圆切片机liuzhidong20内圆切割刀片是一个圆环，由刀片基体和内圆磨料工作部分组成。刀片基体通常为不锈钢，厚度通常为0.1-0.15mm。随着加工晶体直径的增大，基体厚度也增加。刀片在靠近外圆处，有用来与主轴连接的螺栓孔。内圆用复合电镀的方法镀一层金刚石粉，形成一定厚度的金刚石刃口。镀层时，镀液中杂质含量对刀片的工作寿命有着显著的影响。镀液中Fe3+、Cu2+、Zn2+、Cr6+和NO3-等离子的浓度增加，复合镀层的结合力急剧下降，刀片寿命急剧下降，甚至使切出的晶片成为废品。内圆切割刀片的结构liuzhidong21内圆切割时，切割刀片由主轴带动高速旋转，同时相对工件径向进给。内圆切割技术的优点在于：•切片精度高，直径为300mm晶片的厚度差仅为0.01mm；•切片成本低，同规格级的内圆切片机价格是线切割机价格的1/3-1/4；•每片都可以进行晶向调整和切片厚度调整；•小批量多规格加工时，具有灵活的可调性。liuzhidong22其缺点是：•晶片表面损伤层较大；•刀口宽，材料损失大；•生产率低，每次只切割一片；•不适合加工大直径硅晶片。liuzhidong23金刚砂线切割是采用嵌有金刚石粉的高强度钢线对硅晶体进行切割。由于所用钢线直径细(约0.2mm)，硅晶体刀口损失较小(约0.21mm)，可切割任意直径单晶(1-8in)，可对晶体进行截断加工，也可切取薄样品(0.3-0.5mm)。有单线和多线（三线或四线）金刚砂线硅段切割机。多线金刚砂线硅段切割机，可任意调节切割线之间的距离，同时完成硅晶体截断和取样的加工。该设备在被切割晶体下面装有数个“V”形托架，采用了摇摆式切割方式，切割表面非常平滑。该方法很有发展前途。(3).金刚砂线切割。liuzhidong24金刚砂线切割机床运丝部分5liuzhidong25金刚砂线切割机床进给部分liuzhidong26金刚砂线切割机床走丝切割部分liuzhidong27金刚砂线切割机床工作台部分liuzhidong28双线金刚砂线切割机床liuzhidong29带锯切割是采用刃口嵌有金刚石粉的薄钢带对硅晶体进行切割。其刀片厚度较小（0.7mm），硅晶体刀口损失小（0.8mm），可切割任意直径硅单晶。设备简单可靠，价格低。(4).带锯切割。liuzhidong30日本东京精机公司BSM-700HL直径300mm硅单晶棒截断系统6liuzhidong31切片是把圆柱形的硅单晶锭切割成厚度一定的硅片的过程。硅切片的主要参数有硅片晶向、硅片厚度、总厚度偏差、弯曲度、翘曲度等。这些参数的精度对后道工序的加工（如硅片研磨、硅片腐蚀和硅片抛光等）起着直接决定的作用。由于金刚石在硬度、抗压强度、导热率、摩擦系数等方面均比较合适，故一般以此粉末加上合适的切削液润滑作摩擦剂，使用切片机将硅单晶棒切成一定厚度的薄晶片（即硅切片）。硅片切割目前大多采用内圆切割和多线切割这两种方法，此外还有近期出现的固结磨料线锯切割方法。二、二、硅切片加工硅切片加工liuzhidong32采用内圆嵌有金刚石粉的内圆刀片，对硅单晶锭进行切割，每次切割一片。与外圆切割相比，内圆切割在效率和节约硅材料方面有长足的进步，但内圆刀片刃口颗粒的锋利程度，刀片的张力等因素对硅切片的参数（特别是弯曲度）和表面质量影响很大。随着硅片直径不断增大，为了解决这个问题，高水平的内圆切片机增加了电脑控制的自动修刀系统和刀片导向系统，提高了切片精度。1.内圆切割liuzhidong33用高强度的钢线（直径φ0.15-0.20mm）被导轮排成的钢线面，钢线面中钢线间距即为待切硅片厚度，钢线面与硅单晶锭作相对运动，同时钢线做前后往复运动并作为载体携带着高硬度磨砂（例如莫氏硬度为9的碳化硅），磨砂对硅单晶进行研磨，从而完成切片加工。由于切口窄（约0.22mm），大大降低了硅材料的损耗。目前具有两层钢线面，能同时对两层单晶锭进行切割的所谓双台面多线切割机已投入市场，大大提高了生产效率。大直径硅单晶（200mm以上）的切片加工，普遍采用多线切割。2.多线切割liuzhidong34单层硅锭多线切割原理图liuzhidong35双层硅锭多线切割原理图liuzhidong36游离磨料多线切割技术始于上世纪九十年代初期，与传统的金刚石内圆切割技术相比，具有切割效率高、切口材料损耗小、表面损伤程度浅、切割噪声小等优点，能满足晶圆大直径化发展的加工需求。近年来，国内外研究者越来越重视游离磨料线切割技术的研究，在游离磨料线切割过程材料去除机理、切割线振动、切割温度等方面展开了研究。应用于晶体材料的游离磨料多线切割技术不同于普通的线切割技术，其加工原理属研磨加工范畴。游离磨料多线切割方法的基本工作原理如图所示。游离磨料切割原理7liuzhidong37游离磨料多线切割与金刚石内圆切割性能之比较liuzhidong38游离磨料多线切割机走丝系统原理图liuzhidong39将直径约150-170μm的不锈钢丝（切割丝）分别缠绕在两个不同的线轴上，其间经过一系列的导轮和检测装置，最终缠绕在三个或四个加工辊上形成均布平行线网，并相对于固定在工作台上的单晶硅工件做往复运动。悬浮于磨削液中的磨粒在高速运动的金属切割线的带动下进入加工区域，在切割线和工件加工表面间的液体薄膜中滚动，在切割线的压力作用下压入工件使工件表面产生破碎和裂纹，继而结合磨粒的滚动将碎片剥离工件，实现材料的去除。在该过程中，切割线并不进行切削加工，而是主要起着将磨削液高速带入切割区并对磨料施加载荷的作用。liuzhidong40¾游离磨料线切割技术的材料去除机理应用于晶体材料的游离磨料线切割技术属于研磨加工研究范畴。切割液中游离状态的磨料和切割液都会对材料去除起作用。关于游离磨料线切割硅片的材料去除机理，研究者提出两种类型：游离磨料的滚动-压痕加工模型，弹性-流体动力学模型。liuzhidong41•a.游离磨料的滚动-压痕加工模型游离磨料线切割晶片的加工过程实际上是存在于工件和切割线之间的切割液中的磨料由运动着的切割线带动进入切割区，对工件加工表面进行滚动-压痕作用或者刮擦-压痕作用来实现材料的去除。liuzhidong42游离磨料的滚动-压痕加工模型8liuzhidong43磨料嵌入模型liuzhidong44该模型是将单个磨料视为一个圆锥体，在高速运动的切割丝带动下在工件表面进行滚动，并在流体膜和切割线的载荷作用下压入晶体材料加工表面，使工件表面材料产生破碎和裂纹，实现材料的去除。单个磨料加工过程中最大法应力出现在游离磨料压入点的位置，最大剪应力出现在游离磨料和工件接触表面的下方。加工过程中产生较大的法应力和较小的剪应力能够增加材料的去除率、提高加工效率，并且能够减小被加工表面的微损伤和微裂纹。liuzhidong45当游离磨料的圆锥角为90°-120°时，具有最好的加工效果，并可据此优化线切割加工过程中的其它工艺参数。游离磨料线切割过程中材料的去除效果主要受磨料所受载荷和压痕间距两个因素影响。在一定的压入深度的条件下，磨料所受的滚动载荷与磨料间距成正比关