如何把單晶硅錠切成硅片？

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-10-08 10:05:35 650

1. 硅片制造

高質量硅片的生產從單晶硅錠開始，經過多道工藝步驟，包括切片、表面處理和精加工。其中，線鋸切割是將大尺寸的圓柱形硅錠切割成薄片（即硅片）的關鍵步驟。

線鋸切割是確保硅片具有所需厚度和平整度的關鍵步驟，同時還能盡量減少材料損耗和缺陷。這一過程需要在切割速度、精度和表面質量之間找到平衡。

2. 硅錠準備概述

在上一篇文章中，我們介紹了硅錠通常通過直拉法（CZ法）或區熔法（FZ法）生長。無論采用哪種方法，最終都會得到一個直徑從100毫米到300毫米不等的圓柱形單晶硅錠。在半導體應用中，必須將硅錠加工成厚度只有幾百微米的薄片。這一從硅錠到硅片的轉變從硅片分離過程開始，線鋸切割技術正是在這一過程中發揮作用的。

3. 線鋸切割工藝：基本原理

線鋸切割工藝旨在通過高精度和最小化浪費將硅錠切割成多個硅片。這個過程使用細鋼絲或鎢絲，絲線連續以環路方式移動并切割硅錠。鋼絲上涂覆或濕潤著含有碳化硅（SiC）或金剛石顆粒的磨料漿，漿料以乙二醇或油為載體液。線鋸切割原理圖示如下：

線鋸切割的關鍵步驟：

硅錠安裝：圓柱形硅錠被牢固地安裝在鋸框上，確保其精確對齊，以避免切割過程中出現角度誤差。
鋼絲張緊：一根長而細的鋼絲（通常直徑在100至200微米之間）通過一系列滾輪編織成網格狀，從而允許同時切割多個硅片。鋼絲始終保持在恒定的張力下，以確保平穩切割。
磨料漿液涂敷：鋼絲持續被涂覆含有磨料顆粒（碳化硅或金剛石）的漿液，這些顆粒通過研磨作用對硅進行切割。
鋼絲運動：鋼絲以與硅錠進給方向相反的方向運動，通常速度為每秒10米左右。這種高速運動有助于最大化切割效率并盡量減少切口寬度（切割過程中損失的材料）。
切割動作：隨著鋼絲穿過硅錠，磨料漿逐漸磨掉硅材料，形成單獨的硅片。此過程受到高度控制，以確保厚度和平整度的均勻性。
漿液循環：漿液被不斷循環，確保切割區有新鮮的磨料顆粒供應。

4. 關鍵組件和所用材料

線鋸切割過程中涉及多個關鍵組件和材料，它們協同工作以實現精確的硅片切割。以下是最重要的組成部分：

4.1. 鋸線

線鋸使用的鋼絲通常由鋼或鎢制成，具有很高的強度和耐久性。鋼絲非常細，通常直徑在100至200微米之間，以盡量減少切割時的硅損耗。

抗拉強度：鋼絲必須承受切割過程中的張力而不斷裂。

耐用性：鋼絲還需能長時間耐受磨料漿的作用，并保持在高速度下通過硅錠的運動。

4.2. 磨料漿

用于線鋸切割的漿料含有實際進行切割的磨料顆粒。常見的磨料包括碳化硅（SiC）和金剛石顆粒，它們都極為堅硬，能夠高效研磨硅。

碳化硅（SiC）：碳化硅是最常見的磨料之一，因其硬度（莫氏硬度9.5）能夠高效切割硅。

金剛石顆粒：金剛石硬度比碳化硅更高（莫氏硬度為10），用于對切割損耗和表面質量要求更高的應用場景。

載體液：磨料顆粒懸浮在載體液中，如乙二醇或油，以潤滑切割表面、去除碎屑并冷卻切割區域。

4.3. 鋸切機

線鋸切割機是一種高度精密的設備，它控制鋼絲的運動、漿料的涂敷以及硅錠的進給速度。現代切割機配備有傳感器和反饋系統，用以監控鋼絲張力、切割速度和漿液流動。

5. 工藝參數及其影響

多個參數會影響線鋸切割過程的結果，熟練的工藝工程師需要理解如何優化這些變量以達到最佳效果：

5.1. 鋼絲速度

鋼絲速度是決定切割效率和質量的最重要因素之一。更快的鋼絲速度可以提高切割速率，但也可能增加鋼絲的磨損并降低表面質量。通常的鋼絲速度范圍為每秒5至15米，大多數應用中常見的是10米每秒。

5.2. 硅錠進給速度

硅錠進入鋼絲網的進給速度必須得到精確控制。較快的進給速度可以提高產量，但可能導致硅片厚度不均勻且表面質量較差。相反，較慢的進給速度會產生更薄且更高質量的硅片，但產量降低。

5.3. 漿液成分

漿液中磨料顆粒的類型和濃度會影響切割速度和表面光潔度。高濃度的大顆粒磨料可以提高切割速度，但也可能增加表面損傷；而更細的顆粒則可以產生更光滑的表面，但切割速度會減慢。

5.4. 鋼絲張力

保持正確的鋼絲張力對于獲得均勻切割至關重要。如果鋼絲張力過低，鋼絲可能會下垂，導致硅片厚度不均；如果張力過高，鋼絲可能斷裂或過早磨損。

6. 切割后的處理工藝

在線鋸切割后，切割出的硅片還不能直接用于半導體制造。它們需要進一步加工，以改善表面質量并去除切割過程中造成的機械損傷。關鍵的后處理步驟包括：

6.1. 研磨

研磨通過使用磨料墊來平整硅片表面，去除切割留下的粗糙表面。這一步通常會去除硅片每側約50微米的材料。

6.2. 蝕刻

濕法化學蝕刻用于去除殘留的表面缺陷和晶格損傷。常用的蝕刻劑包括氫氟酸、硝酸和醋酸的混合物，這些酸能進一步精加工硅片表面。

6.3. 拋光

拋光是硅片準備的最后一步，目的是使表面非常光滑和平整。通常采用化學機械拋光（CMP）工藝，這種工藝結合了化學蝕刻劑和機械磨料，以達到理想的表面質量。

7. 線鋸切割中的挑戰與解決方案

線鋸切割過程并非沒有挑戰，以下是一些常見問題及其解決方案：

7.1. 切口損耗

切口損耗指的是由于切割寬度（即切縫）造成的材料損失。在線鋸切割中，切口損耗由鋼絲直徑和磨料顆粒大小決定。為了盡量減少切口損耗，使用更細的鋼絲和更細的磨料顆粒，但這會導致切割速度減慢。

7.2. 表面損傷

磨料顆粒的機械作用可能會在硅片上引入表面損傷和晶體缺陷。通過研磨、蝕刻和拋光等后續工藝，可以減輕這種損傷。

7.3. 鋼絲斷裂

在線鋸切割過程中，鋼絲受到高張力和磨料的持續作用，容易斷裂。為了降低鋼絲斷裂的風險，現代設備配備有張力控制系統，能夠實時監測和調整鋼絲張力。

8. 結論

線鋸切割是硅片制造中的關鍵工藝，要求對多個參數進行精確控制，以實現理想的結果。了解工藝的工作機制以及所使用的材料和工具，對于從事半導體制造的工藝工程師至關重要。通過優化鋼絲速度、進給速度、漿液成分和鋼絲張力，可以最大化產量，同時減少材料浪費和表面缺陷。

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