硅片线切割设备现状与发展综述

硅片线切割设备现状与发展综述

摘要：硅片切割是半导体应用过程中的重要环节，本文介绍现今主流技术已经发展成熟的，应用相当广泛的一种硅片切割技术，即线切割工艺，首先简单介绍一下线切割的相关机理，再讲述现今国内外这种技术的发展现状，然后分析其发展趋势，为从事这方面研究的人员提供一些参考

关键词：硅片线切割钢线

1、引言

硅片多线切割技术是目前世界上先进的硅片切割加工方法之一，它是与传统的切割方式，如刀锯、砂轮片等不同的，也与先进比较先进的切割技术，如激光切割或是内圆切割有差别。总体来讲，它是用一根高速传动的钢丝线来带动附着在其上的切割刃料高速的走动，使得与待切割硅棒进行摩擦，从而完成切割。下文将详细介绍其原理和简单工作流程。

2、硅片线切割技术原理简介

2.1 宏观机理

从硅片多线切割设备的宏观机理简图看待切割的晶棒由玻璃板固定于不锈钢的工件上，然后放在切割机的相应部位上，导轮经过开槽工艺来对对精密线槽进行处理，钢线有序的缠绕在四个导轮上形成了上下两个互相平行的线网。当发动机带动导轮开始旋转时，导轮也带动线网移动，线速一般可达15m/s左右。当将砂浆均匀喷洒在线网上时，砂浆将随着切割线进入单晶棒，从而进行切割作业。切割晶棒的最大直径将会受到导轴之间的空间大小的限制，一般的这种切割装置的适用于切割7英寸左右的晶棒。

2.2 微观机理

硅片多线切割的微观机理看碳化硅和砂浆的悬浮液填充于切割线和单晶表面，使得单晶棒向着切割线的方向移动，同时切割线也发生了弯曲，弯曲角度一般在5度以内。在接触的不同区域，由钢线造成的压力是不相同的，在其正下方可以达到最大值。在钢线的横向震动中，会使得晶棒受到来自钢线的横向压力，这将最终影响硅片切割好坏，因此，采取有效的方法来控制钢线张力，减小钢线震动是硅片的多线切割的一项重要指标。

2.3 工艺过程分析

硅片多线切割设备的控制方式主要有工业控制计算机、运动控制卡、控制放线电机、放线收线导向移动电机、启动和停止运转以及工作台驱动电机调节等。工作时，首先从张力传感器取样，之后进行测试和计算后得到输出指令用于控制各路的电机运转。设定切割模式，检测切割的条件并且调节各路电机的运转情况以及砂浆流量和温度。理论上计算切割过程主要涉及到槽距以及理论切片的数量，其公式为：

式中：D代表槽距，为钢线直径，表示金刚砂的直径，T为硅片的厚度，f 是游移量。

从而得到理论切片数量：

其中L表示单位质量的单晶有效长度，D与上式相同，表示槽距。

3、硅片线切割技术发展现状

3.1 国外线切割技术和设备发展现状

由于像多线硅片切割设备对其切割精度的严格要求，设备制造过程中技术难

度相当大，现今也只有国内外一些比较知名的企业能生产出精度高、控制系统完善的大型多线硅片切割设备。在这些企业当中，瑞士的Meyer Burger公司、HCT 公司以及日本的Takatori和NTC公司都是在这一领域很知名的企业。

日本的HTC公司生产的多线切割设备主要有E300G-6/E400G-6、E450E-12H、E500SD-N/E500S-6N等几个系列。在这设备中，其可加工工件的长度极值呈上升趋势，总体上是从300系列的300mm增加到了500系列时的500mm。其中300系列的功能基本上都是较为基础的部分。到450系列之后，开始具备完整的温度控制功能，并且可以通过进行机械结构的优化进行热分析，从而减少热变形，并且提高翘曲的准确度。500系列的机型开始具有了双工作台结构，其中的E500SD-N系列可以同时加工四根工件，E500S-6N则可以同时加工2根单晶硅棒，使得在工业上很受欢迎，适合批量生产。

3.2 国内线切割技术发展现状

相较于国外的半导体切割技术的发展历史，我国在这一领域的起步较晚，现今，在我国由四十五所自主研制的DXQ-601型线切割设备处于优势地位，这归功于其突出的优势，列举如下：（1）提供手动和自动两种操作模式供用户选择，控制菜单的界面上直接显示了线速、张力以及即时切割位置和砂浆的流量等参数。是用户对当前的设备运行状态有个全面了解，从而更有利于用户根据自己的实际要求来设置参数，灵活使用设备。（2）该设备采用了热交换器实现对温度的控制，使得温度可以被控制的相当精确，从而使得切割精度很高。（3）设备采用主轴电机变频控制方式，而且采用了张力传感器和伺服电机闭环来进行操作控制，参数变换灵活，操作简单。

4、发展趋势

现今，一些主流的切割技术已近乎成熟，但是工业应用和实验室所需硅切片的厚度的要求是无止境的，这就使得线切割技术面临着巨大挑战，这也是促进线切割工艺技术不断向前发展的巨大动力，总体来说，以后线切技术的发展方向集中在以下几点：（1）操作更加的简单，用户能从控制面板获得尽可能多的信息，比如设备的当前运行状态、记录的数据等，用户也可以进行参数的设置和修改。（2）加工的精度不断得到提高，深入研究割线张力大小、走线的速度以及割线的震动对硅片的表面质量的影响，来使硅片的切割质量得到有效提高。（3）割线用钢线来进行升级，由于磨料的多线切割技术虽然获得的切片质量较好，切割的效率也比较高，但是这个切割过程损耗的能量较多，而固着磨料的多线切割过程能有效的减少磨料传输过程中的能量损耗，提高了切割效率。

综上所述，在未来的几年里，随着硅片的市场需求的不断增大以及对品质的不断要求严格，多线切割技术将会朝着进一步提高加工的精度和加工能力的方向发展，已达到提高切割效率的要求。近期应用的新型硅片切割技术如电火花切割技术很有效的提高了单晶硅片的表面切割质量，有着巨大应用和发展前景。

参考文献

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