单晶硅线切割技术及切削液的分析研究

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２０ 年 １ 月 ０５ １
第十四届全国半导体集成电路、 硅材料学术会议
珠海
单晶硅线切割技术及切削液的分析研究
檀柏梅，牛新环， 赵青云，田建来，刘玉岭 （ 河北工业大学，天津 ３０３） ０１０ 摘 要： 本文对单晶硅衬底材料加工中的线切割工艺技术及切割液进行了讨论， 分析 了 线切割工艺技术相对于传统的内径切割工艺的优点以及线切割引入的问 题， 从理论上给 出了解决方案， 通过引入化学作用缓解机械作用，改善切割液悬浮性并保持硅片表面物理 吸附状态来获得较好的工艺效果，达到降低应力，易清洗。 关健词：线切割 切割液 应力 表面活性剂 清洗
术， 使用线切割技术加工的硅片的残余应力较小， 线切割工艺与使用刀具的切割工艺相比， 其在切割过程中物理机械作用要小很多，因此线切割工艺有潜力使其在切片加工中更加的 积极有效。 另外如果切割时的摩擦作用会使硅片与切割器材的接触部分温度升高， 从冶金 学角度来看， 这将会有可能引起硅片表面微结构的变化， 这种情况在切片加工中是不允许 出现的。因为线切割工艺中，由于线具在切割中与硅棒接触面积小，所以可以更好地保证 硅片表面结构一致性的良 好。 但线切割的硅片其最表面状态要比内径切割效果差， 表面损伤及应力也比 常规内圆切 割的大， 这可能是线切割时，线锯较软，由 于线锯的晃动和不稳定性， 产生较多的非晶多
表面吸附 状态达到易清洗〔 ４ ］ ０ 采用弱性切削液， 碱和硅片反应， Ｓ＋０ ＋２ Ｓ０一 ２： 另外也可钝化金属 ｉ２Ｈ Ｈ ０一 ｉ３ ＋Ｈ个 ｚ
表面起到防锈作用，可在一定程度上解决硅片表面的铁粒子沾污问题，同时可降低表面张 力有一定的润滑作用，缓解机械作用，减小了应力。 加入悬浮剂改善悬浮性能， 使切割液在线锯表面挂线均匀， 与其他试剂共同作用达到 降低表面应力的切割。 选用具有渗透，降低表面张力， 极性很强易溶于水的非离子界面活性剂 （ 河北工业大 学自 行研制的Ｆ／ 新 工 Ａ０ 型活性剂） ，不仅能增加切削剂在材料表面的吸附性和浸润性， 而 且它的极性很强，吸附膜很牢，且溶于水。 加入渗透性很好的活性剂，在切片过程中活性剂分子可渗透入切割临界层， 起到 “ 楔 劈”的作用，可以减弱金刚砂的机械损伤作用，碱性介质对设备有钝化作用，减少 Ｆ 离 ｅ 子的沾污。加入 Ｆ／ 复合活性剂，解决了 Ａ０ 颗粒吸附问 题，控制颗粒在硅片表面为物理吸 附状态，阻止其转化为难以去除的化学键合 加入水溶性、无金属离子、具有十三个以上鳌合环的 Ｆ／ Ａ０鳌合剂，有效阻挡金属离 子沾污 （９ 年获得国家发明奖） ９９ 。
现在的线切割设备可以 在从四个方向同时加工四根硅棒。 这样相比于内径切割， 线切 害技术大大提高了生产量。由于切割线很细，因此使用线切割所造成的切削损耗很小。 Ｊ 此 外，线切割非常适用于未来的大直径硅片加工，因为，线切割的加工能力对硅棒直径要求 的限制不是很明显，而仅取决于切割线网及整个传导系统中导线轴的间距。 线切割的成功率要求很高， 一旦发生断线， 会浪费整根单晶硅棒。 且线切割成本较高，
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抑制泡沫的方法。 （ ４ ）表面洁净度的控制
在半导体硅等材料切片中，晶 片表面常粘有大量的硅粉、 砂粒、 油等污物， 影响表面 光洁度； 尤其新切表面；新悬卦键力场很强，自 发从周围吸附一层物后， 而同质硅粉会很 快与表面键合， 难以 去除。 保持清洁的表面， 为了 在切削剂中， 加入渗透力很强， 表面张 力低的无离子活性剂， 使之在晶片表面形成一层保护膜， 它们之间作用力为分子间的色散
４ 线切割液的分析研究 ．
性能 的 切割液应具 下 优良 有以 特点〔 ５ ］
（ １ ）润滑作用 切削液应具有良 好的润滑作用和具有良 好地浸润性， 并能瞬间流入到切削材料与线具 表面形成高强度的吸附性润滑膜 （ 在高温、高压与强烈磨擦作用下不被破坏） ，以便有效 地减少材料表面与线具的直接接触， 减少磨擦；有效控制损伤层， 微裂， 减少机械应力和
需定期更换线锯及排线轮。
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图 １线切割工艺过程及切割线构造示意图
２ 线切割工艺的优点及存在问 ． 题
由于切片过程中以机械作用为主，常在硅片边沿造成微裂、破损和应力集中点，这将 在后序工艺中引起二次缺陷或造成芯片破裂。所以减少硅片表面损伤程度是非常重要的。 实践证明，用线切割技术加工的硅片其表面损伤深度及表面一致性都要好于内径切割技
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入口 一侧通过， 然后穿过一个可更换的导线轮缠绕在呈直角排列的固定轴上。 切割线均匀 缠绕在有几百个线槽的导线轮上。这样就形成了一张由许多平行线组成的切割线网， 通过 这张网然后再配以研磨液就可以对单晶硅棒进行切割加工了。 切割线的材料一般则使用钢
线， 直径在１０－ ０ 之间 ５＾３ ｝ ０ ｉ ｍ
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水类 油类 （）消泡 ３
汽化吸收的热量
比热
导热系数
（ 纯水） 标准状态下约 ５０ ４ 卡／
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克
１ 克度 卡／
００ 卡／ ．５ 厘米． 度 秒．
００－．０ 卡／ ．３００５ 厘米． ０４ ５ 克度 ．沁． 卡／ 秒． 度
由 于汽化时易产生泡沫， 尤其切削剂中活性剂的 存在， 更会产生大量的 泡沫， 泡沫中 又含有大量空气， 可降低热传导，因 此为了 提高冷却效果和防止污染， 消泡是必要的。 消 泡是使其他物质进入双分子定向 膜的 局部， 破坏定向 膜的力学平衡， 从而达到破坏泡沫或
晶及嵌镶块造成的。
３ 线切割液的作用 ．
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线切割过程中为获得良 好的表面结构，提高切割效率，常引入切割液，来改善不均匀 的机械作用并且有效的散发热量，从而降低应力。 为此常使用含有 Ｓｃ ｉ 或金刚石颗粒的切 割液进行研磨，同时也可作为润滑液和冷却液。 目 前切削剂多为乳化液， 含有对环境和人有害的亚硝酸钠、磷酸盐、苯骄三氮哇、苯 甲酸钠等，且这些盐类均含有钠离子， 切削高温处， 钠易向材料深处渗透， 并且由于粘度 大易吸附在硅片表面，难于清洗，导致硅片在清洗后出现花斑。而且国际上的切割液多为 酸性，对设备有腐蚀作用。 在切削中增加化学作用减缓机械作用，能极大的解决加工过程中的应力、 微裂、 损伤 等问题，为后序加工打下很好的基础。 这就要求切割液除具有润滑和冷却作用外，必须具 有良 好的悬浮性，保证切割过程中的作用一致性，改善表面状态，减少损伤、易清洗。
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力， 期 于易 洗的 理 附 态， 止 物 ， 持晶 清 对 步 洗 下 利 长 处 清 物 吸 巷 阻 污 粘结 保 面 洁 下 清 打 有
基础 。
为克服目 前切割液的缺点，实现切割过程的低损伤，高表面一致性， 采用水剂切削剂 （ 且有利于环保）并加入各种附加试剂来加强切割过程的化学作用，改善晶片表面状态： （）加入分散剂提高悬浮性；（）加入渗透剂提高渗透性；（）加入有机碱使切割液为 １ ２ ３ 碱性；（） ４ 加入不含有金属离子的鳌合剂去除金属离子；（） ５ 加入适宜的表面活性剂改善
线切割工艺技术 （ 简称线切割技术） 能够将大直径单晶硅棒加工出非常薄的硅片， 在 半导体工业的硅片加工生产工艺中 越来越受到重视。 与传统的内 径切割技术相比， 其优势 包括： 可以切割出切口 损失小而且很薄的硅片，同时产量和生产效率也都很高。 但还缺少 理论的指导且人们对其还缺乏认识， 而且没有一个固定的模式来进行模拟设计和控制。 虽 然如此， 在如今所采用的单晶硅切割技术中， 线切割技术在切割效果和生产效率等方面相
破损 。
（）冷却作用 ２ 切削剂的冷却作用是通过液体气化的对流， 汽化将切削产生的热量迅速从切削区带走 来实现的。从对切削冷却过程试验发现， 冷却效果与切削剂的导热系数， 汽化所吸收的热 量、比热、 汽化速度、液体流量、流速等密切有关。 而流速与液体粘度、压力有关。由于 水的导热系数和比热大、流速快、汽化吸收的热量多 （ 见表 １０ ） 表 １水基类 油类性质的对 比表
型的切削液意义重大。
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直径 １５ ） ７ ｕ 怎样从一 ｍ 图１ 是线切割技术工艺过程的示意图， 图中示意了一根单线 （ 载线器”的一种储线设备 个线轮到另一个线轮缠绕的情况。在中间部分，切割线从称为 “
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比 径切割都显示了 大的 内 其巨 优势和 潜力〔］ １０ － ３
切割是造成应力、 破损、 损伤、高应力的最主要工序，应力越大， 扩散越快， 击穿电
压一致性劣化； 应力越大， 金属杂质扩散快， 流增加。随着现代工业的发展， 漏电 对硅片 加工工艺的 精确度与生产效率提出了 更高的要求，因此， 进一步完善线切割工艺， 研制新