如何把单晶硅锭切成硅片？

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-10-08 10:05:35 652

1. 硅片制造

高质量硅片的生产从单晶硅锭开始，经过多道工艺步骤，包括切片、表面处理和精加工。其中，线锯切割是将大尺寸的圆柱形硅锭切割成薄片（即硅片）的关键步骤。

线锯切割是确保硅片具有所需厚度和平整度的关键步骤，同时还能尽量减少材料损耗和缺陷。这一过程需要在切割速度、精度和表面质量之间找到平衡。

2. 硅锭准备概述

在上一篇文章中，我们介绍了硅锭通常通过直拉法（CZ法）或区熔法（FZ法）生长。无论采用哪种方法，最终都会得到一个直径从100毫米到300毫米不等的圆柱形单晶硅锭。在半导体应用中，必须将硅锭加工成厚度只有几百微米的薄片。这一从硅锭到硅片的转变从硅片分离过程开始，线锯切割技术正是在这一过程中发挥作用的。

3. 线锯切割工艺：基本原理

线锯切割工艺旨在通过高精度和最小化浪费将硅锭切割成多个硅片。这个过程使用细钢丝或钨丝，丝线连续以环路方式移动并切割硅锭。钢丝上涂覆或湿润着含有碳化硅（SiC）或金刚石颗粒的磨料浆，浆料以乙二醇或油为载体液。线锯切割原理图示如下：

线锯切割的关键步骤：

硅锭安装：圆柱形硅锭被牢固地安装在锯框上，确保其精确对齐，以避免切割过程中出现角度误差。
钢丝张紧：一根长而细的钢丝（通常直径在100至200微米之间）通过一系列滚轮编织成网格状，从而允许同时切割多个硅片。钢丝始终保持在恒定的张力下，以确保平稳切割。
磨料浆液涂敷：钢丝持续被涂覆含有磨料颗粒（碳化硅或金刚石）的浆液，这些颗粒通过研磨作用对硅进行切割。
钢丝运动：钢丝以与硅锭进给方向相反的方向运动，通常速度为每秒10米左右。这种高速运动有助于最大化切割效率并尽量减少切口宽度（切割过程中损失的材料）。
切割动作：随着钢丝穿过硅锭，磨料浆逐渐磨掉硅材料，形成单独的硅片。此过程受到高度控制，以确保厚度和平整度的均匀性。
浆液循环：浆液被不断循环，确保切割区有新鲜的磨料颗粒供应。

4. 关键组件和所用材料

线锯切割过程中涉及多个关键组件和材料，它们协同工作以实现精确的硅片切割。以下是最重要的组成部分：

4.1. 锯线

线锯使用的钢丝通常由钢或钨制成，具有很高的强度和耐久性。钢丝非常细，通常直径在100至200微米之间，以尽量减少切割时的硅损耗。

抗拉强度：钢丝必须承受切割过程中的张力而不断裂。

耐用性：钢丝还需能长时间耐受磨料浆的作用，并保持在高速度下通过硅锭的运动。

4.2. 磨料浆

用于线锯切割的浆料含有实际进行切割的磨料颗粒。常见的磨料包括碳化硅（SiC）和金刚石颗粒，它们都极为坚硬，能够高效研磨硅。

碳化硅（SiC）：碳化硅是最常见的磨料之一，因其硬度（莫氏硬度9.5）能够高效切割硅。

金刚石颗粒：金刚石硬度比碳化硅更高（莫氏硬度为10），用于对切割损耗和表面质量要求更高的应用场景。

载体液：磨料颗粒悬浮在载体液中，如乙二醇或油，以润滑切割表面、去除碎屑并冷却切割区域。

4.3. 锯切机

线锯切割机是一种高度精密的设备，它控制钢丝的运动、浆料的涂敷以及硅锭的进给速度。现代切割机配备有传感器和反馈系统，用以监控钢丝张力、切割速度和浆液流动。

5. 工艺参数及其影响

多个参数会影响线锯切割过程的结果，熟练的工艺工程师需要理解如何优化这些变量以达到最佳效果：

5.1. 钢丝速度

钢丝速度是决定切割效率和质量的最重要因素之一。更快的钢丝速度可以提高切割速率，但也可能增加钢丝的磨损并降低表面质量。通常的钢丝速度范围为每秒5至15米，大多数应用中常见的是10米每秒。

5.2. 硅锭进给速度

硅锭进入钢丝网的进给速度必须得到精确控制。较快的进给速度可以提高产量，但可能导致硅片厚度不均匀且表面质量较差。相反，较慢的进给速度会产生更薄且更高质量的硅片，但产量降低。

5.3. 浆液成分

浆液中磨料颗粒的类型和浓度会影响切割速度和表面光洁度。高浓度的大颗粒磨料可以提高切割速度，但也可能增加表面损伤；而更细的颗粒则可以产生更光滑的表面，但切割速度会减慢。

5.4. 钢丝张力

保持正确的钢丝张力对于获得均匀切割至关重要。如果钢丝张力过低，钢丝可能会下垂，导致硅片厚度不均；如果张力过高，钢丝可能断裂或过早磨损。

6. 切割后的处理工艺

在线锯切割后，切割出的硅片还不能直接用于半导体制造。它们需要进一步加工，以改善表面质量并去除切割过程中造成的机械损伤。关键的后处理步骤包括：

6.1. 研磨

研磨通过使用磨料垫来平整硅片表面，去除切割留下的粗糙表面。这一步通常会去除硅片每侧约50微米的材料。

6.2. 蚀刻

湿法化学蚀刻用于去除残留的表面缺陷和晶格损伤。常用的蚀刻剂包括氢氟酸、硝酸和醋酸的混合物，这些酸能进一步精加工硅片表面。

6.3. 抛光

抛光是硅片准备的最后一步，目的是使表面非常光滑和平整。通常采用化学机械抛光（CMP）工艺，这种工艺结合了化学蚀刻剂和机械磨料，以达到理想的表面质量。

7. 线锯切割中的挑战与解决方案

线锯切割过程并非没有挑战，以下是一些常见问题及其解决方案：

7.1. 切口损耗

切口损耗指的是由于切割宽度（即切缝）造成的材料损失。在线锯切割中，切口损耗由钢丝直径和磨料颗粒大小决定。为了尽量减少切口损耗，使用更细的钢丝和更细的磨料颗粒，但这会导致切割速度减慢。

7.2. 表面损伤

磨料颗粒的机械作用可能会在硅片上引入表面损伤和晶体缺陷。通过研磨、蚀刻和抛光等后续工艺，可以减轻这种损伤。

7.3. 钢丝断裂

在线锯切割过程中，钢丝受到高张力和磨料的持续作用，容易断裂。为了降低钢丝断裂的风险，现代设备配备有张力控制系统，能够实时监测和调整钢丝张力。

8. 结论

线锯切割是硅片制造中的关键工艺，要求对多个参数进行精确控制，以实现理想的结果。了解工艺的工作机制以及所使用的材料和工具，对于从事半导体制造的工艺工程师至关重要。通过优化钢丝速度、进给速度、浆液成分和钢丝张力，可以最大化产量，同时减少材料浪费和表面缺陷。

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