用于硅晶圆切割的金刚石线锯金刚石

用于硅晶圆切割的金刚石线锯金刚石

王光祖郑州磨料磨工具磨削研究所

1、引言

目前，硬脆材料切割技术主要有外圆切割、内圆切割和线锯切割。外圆切割虽然操作简便，但锯片刚性差，切割过程中锯片易跑偏，导致被切割工件的平行度差；而内圆切割只能进行直线切割，无法进行曲面切割。线锯切割技术具有切缝窄、效率高、切片质量好、可进行曲线切割等优点成为目前广泛采用的切割技术。内圆切割时晶片表面损伤层大，给CMP 带来很大磨削抛光工作量;刃口宽，材料损失大，晶片出率低;成本高，生产率低；每次只能切割一片。当晶圆直径达到300mm时，内圆刀片外径将达到1.18m，内径为410mm，在制造、安装与调试上带来很多困难，故后期主要发展线切割为主的晶圆片切割技术。

金刚石线锯是近十几年来获得快速发展的硬脆材料切割技术，包括自由磨料线锯和固结磨料线锯两类。根据锯丝的运动方式和机床结构，又可分为往复式和单向（环形）线锯。目前在光电子工业中使用最为广泛的是往复多线锯，如图1所示。

2、金刚石线锯的制造方法

到目前为止，硅晶体等半导体硬脆材料切割主要采用游离磨料线切割技术，但是这种技术存在明显的不足，线锯走丝速度低，锯丝使用寿命短，切割大尺寸坯料时一磨料难以进入到长而深的切缝，磨浆的处理和回收成本较高[8]。

固结磨料的金刚石线锯在很大程度上克服了以上问题。目前固结磨料金刚石线锯固结技术主要有：机械碾压法、钎焊法、树脂结合粘结法、电镀法。机械碾压法是直接将金刚石磨粒通过机械作用滚压或者冲压到钢丝基体中。这种方法成本低，但由于金刚石颗粒直接冲压进入钢丝线的表面，降低了钢丝的强度，而且金刚石磨粒容易脱落，因此在工业生产中并不常用。钎焊法是通过钎焊实现金刚石、钎焊合金材料和基体三者之间的化学冶金结合，具有较高的结合强度。这种金刚石线锯具有切削效率高，使用寿命长的特点，但是，由于钎焊温度较高，容易造成基体变质而降低其刚性甚至造成基体断裂。于是，本文将着重讲讲树脂结合剂粘结法和电镀法固结磨料金刚石线锯的制造方法。

2.1 树脂结合剂粘结法

采用树脂粘结法制造金刚石线锯具有成本低，线径小的特点。为提高锯丝的耐磨性和磨粒的保持强度，可在树脂中添加金属粉末。研究结果显示，最有效的添加剂是铜粉。

为改善磨粒在锯丝表面的把持强度，可以对磨粒进行表面处理，即在磨粒表面镀镍55%，可显著提高磨粒把持强度。

为降低树脂金刚石线锯的制造成本，人们研究开发出采用紫外线光固化树脂结合剂的金刚石线锯。

2.2 电镀法

电镀金刚石线锯就是以电镀金属为结合剂，以金刚石为磨料，通过电镀金属的电结晶作用，把高硬度、高耐磨性的金刚石磨料牢固地镀在钢丝基体上而制成的一种切割工具。电镀金刚石线锯具有制造成本低，线径小，耗材率低，耐热性和耐磨性良好等优点。

电镀金刚石线锯的一般制造过程是：镀前预处理，上砂，加厚和后处理。镀前预处理包括：碱洗去油，酸洗除锈和预镀镍，后处理主要为除氢处理，上砂过程是锯丝制造过程的关键工序，根据所要镀的金刚石磨料的粒度不同，上砂主要分为落砂法和埋砂法。由于钢丝为圆柱体形状，为保证在整个圆柱面上均匀地固结金刚石磨料，一般采用埋砂法。

孙建章等采用直径0.5mm的60A碳素弹簧钢为基体，用理砂法制造出了长度超过20m 的长锯丝。他们所确定的镀液组成及工艺条件见表1。

高伟等人以直径0.8mm的65Mn钢丝为基体，采用理砂法制造出了一种环形电镀金刚石线锯。当磨粒直径较小时，可采用落砂法，即将金刚石微粉直接放入镀液中，采用机械搅拌的方法使金刚石悬浮于镀液中，通电时靠静电吸附或刷镀的作用将金刚石磨料吸附于锯丝基体表面，并由电沉积的作用使磨粒固结在锯丝表面。采用传统的电镀方法，电镀效率非常低，其生长速度为1μm/min，为了提高电镀金刚石线锯的制造效率，千叶康雅(日)提出了一种用毡刷摩擦阴极表面的方法避免阴极表面离子浓度的降低，从而有效提高电流密度，提高电镀率。

为了进一步提高金刚石电沉积线锯的切割效率，延长其使用寿命，日本的研究者开发出一种芯线为绞合线的新型金刚石线锯，如图2所示。

芯线由两根极细钢琴丝捻成的绞合线，在其表面电沉积金刚石磨粒。具体做法为：使行星齿轮机构，让两条钢琴丝按一定方向旋转，便可制作绞合线。绞合线经除油、除锈处理后，在高速氨基磺酸镀镍槽中镀底层随后经上砂和加厚完成锯丝的电镀，制作条件见表2 。

传统金刚石线锯的运动方式多为往复式，由于机械惯性作用，锯切速度较低(约2~3m/s)，难以充分发挥金刚石磨粒的优越性能。为解决这一问题，国内有研究者研制了一种新型锯切工具----环形电镀金刚石线锯。即用电镀工艺将金刚石磨料固定在环形钢丝基体上，由于环形锯丝无惯性力，因此可以实现高速锯切。锯切速度高达15m/s以上，且设备结构简单，切割过程振动小，噪音低，可实现窄缝切割，大大提高出材率。

为了提高切割效率，降低成本，有人提出在环形线锯切割过程中，采用超声纵振动的加工工艺的实验研究，目的是研究环形锯丝切割表面质量，研究加工参数与表面粗糙度的关系，分析影响切割表面粗糙度的因素，为降低表面粗糙度，确定合适的工艺参数。

3、线锯的切割形式

金刚石线锯切割有三种形式：

第一种为绕线式，切割时锯丝从一个绞轮绕到另一个绞轮上，锯丝无焊缝，可实现较高速度的切割，但锯丝必须有足够的长度，锯丝张紧力的调节机构较繁琐。由于电子工业的发展，日本对这种金刚石线锯的研究较多，而且有广泛的实际应用，目前，这种金刚石线锯的最小直径可以达到0.22mm。

第二种为往复式线锯，多由曲柄机构驱动，锯丝上下往复运动。这种锯结构简单，适应性好，可以对各种硬脆材料进行内、外曲面的切割。但由于往复运动，锯丝的有效工作长度受到限制，锯丝利用率低。

一般往复式电镀金刚石线锯在锯切时，只是单面工作，磨损不均匀，为解决这一问题孙建章等人提出了一种住复自旋式电镀金刚石线锯数控切割机[20]。这种切割机有两个明显的特点：一是驱动装置采用气缸，利用气缸速度可调、恒定的特点，调整锯丝以稳定的锯切速度对不同材料进行切割加工。二是利用步进电机带动锯丝不断进行小角度转动，实现自旋，可使锯丝各面都参与切割，减小单向磨损，提高锯丝寿命，但该切割机平动机构的惯性限制了切割速度的提高，大的换向冲击容易造成锯丝断裂。

第三种为环形回转式线锯，将线锯焊接成环形，通过导轮实现循环切割。回转式线锯的整个长度内都可工作，使用寿命长，切割速度高。

4 结语与展望

4.1电子信息产业是国民经济发展的龙头，而集成电路（IC）则是电子信息产业的核心和基础，对国民经济的发展有着重要的战略意义。由于集成电路的发展又离不开基础材料硅片，全球90%以上的IC都要采用硅片。新一代IC制造将采用大直径（300mm以上）硅片，片厚也减小到100~200nm。硅片直径增大和芯片厚度的减小，给半导体加工制造技术带来新的挑战。

4.2固结磨料线锯切割技术可用于大尺寸硅晶体切片，且切片质量较高，最有前途的切割方法之一。随着在大直径半导体和光电池薄片切割中的应用和发展，固结磨料金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点，如加工表面损伤小、挠曲变形小、切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅锭，省材料、效益好、产量大、效率高等。固结磨料金刚石线锯作为下一代IC切割工具受到了人们的重视。

4.3在固结磨料金刚石线锯切割技术中，固结磨料金刚石线锯的制备，是这项关键技术的基础和前提。在固结磨料金刚石线锯制造中，现有的几种金刚石磨粒固结方法存在着生产成本高，生产周期长等种种不足，而电化学沉积（即电镀）方式具有制程成本低、线径小、耗材率低、耐热性和耐磨性良好等优势，对其电镀工艺的完善优化和制造成本的有效控制是未来研究的热点和趋势。