變速切割速度曲線對硅片翹曲度的影響

馬玉通

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220)

隨著IC制造技術的突飛猛進，硅底襯片幾何參數(shù)對IC制造過程中的經(jīng)濟效益的發(fā)揮影響愈發(fā)明顯。所以對硅襯底片的參數(shù)要求也就越發(fā)嚴格。同時由于多線切割機具自動化程度高、加工效率高、切割質(zhì)量穩(wěn)定、切割應力小等優(yōu)點，近幾年在IC級硅單晶的加工中得到了普及應用。翹曲度（WARP）、彎曲度、總厚度變化、厚度偏差等參數(shù)既是重要的硅片幾何參數(shù)，也是表征線切割機加工精度的特殊參數(shù)。直徑125 mm單晶硅棒切割溫度變化的有限元分析因素表明，單晶硅的溫度在切入25 mm處的增長趨勢最為明顯，而影響單晶硅溫度變化的主要因素是熱流量和傳熱系數(shù)，而熱流量隨切割線的接觸長度增長而增加，傳熱系數(shù)卻隨之減小[1]。切割過程中單晶直徑變化造成鋼線接觸面積變化，所以產(chǎn)生熱量也隨之變化，使硅片受熱變形，產(chǎn)生翹曲。

1 線切割機加工原理

多線切割機的原理是通過伺服電機控制的放線輪拉出的鍍銅拉絲繞過幾個起轉(zhuǎn)向作用滑輪，然后經(jīng)過控制張力的張力控制器，在切割室內(nèi)連續(xù)纏繞在2～4個主導輪上，形成一個在水平面上彌補的平行線網(wǎng)。而在線網(wǎng)的上方，單晶的兩側布置有砂漿噴灌提供穩(wěn)定的砂漿流量。鋼絲繞過線網(wǎng)后再通過滑輪和張力回到收線輪上，在切割時高速運動的鋼線攜帶附著在鋼絲上的SiC磨料對硅棒進行研磨從而達到切割的效果。

在切割過程中鋼線通過滑輪的引導，在導輪上形成一張線網(wǎng)，而待加工硅棒通過工作臺的下降或上升實現(xiàn)工作的供給，把硅晶棒按一定晶格方向切割成片。

切片是硅晶棒加工工藝中最重要的工序之一，在IC級硅晶棒的切割中需要保證其品相偏離度、厚度、總厚度變化（TTV）、彎曲度(BOW)、翹曲度(warp)等公差要求和表面質(zhì)量。

2 120 mm硅單晶線切割過程中的翹曲控制

2.1 120 mm硅片的切片幾何參數(shù)要求

晶向及晶向偏離度：<100>±1.0°

總厚度變化（TTV）:≤15 μm

彎曲度：≤20 μm

翹曲度：≤:25 μm

2.2 切片加工流程及加工設備

加工流程：單晶定向粘接——線切割——脫膠——清洗——檢測

加工設備：YX-2D6型X光定向儀；中國電子科技集團公司第四十五研究所產(chǎn)DXQ-601A型線切割機

2.3 控制方法研究

設備準備：（1）砂漿出口溫度控制在25℃；

（2）冷卻水溫度控制在12℃。

單晶準備：（1）按照規(guī)格要求定向粘接在單晶托上，并完全固化；

（2）取出粘接后多余的膠。

切割工藝準備：（1）配置砂漿，要求砂漿密度為1.62 g/cm3，攪拌十小時以上確保充分混合；

（2）砂漿流量供給方式設為圖表，流量70—90—70 L/min，分五管從單晶兩側噴射；

(3)砂漿進口溫度設定為25℃；

(4)鋼線速度680 m/min；

(5)鋼線直徑0.12 mm，設定耗線量80—110—95 m/min；

(6)切割速度采用變速切割（調(diào)整后的最終速度）。

實驗采用的切割速度變化見表1、圖1。

表1 實驗采用的切割速度變化表

實際切割實驗：使用以上工藝參數(shù)并進行反復切割實驗，得到以下數(shù)據(jù)（抽檢15片）。見表2、圖2。

實驗分析：理想的切割方式是單位時間內(nèi)鋼線的切割面積相等，所以在切割過程中隨著單晶直徑的變化鋼線接觸單晶的面積將由小變大再變小。在這種變化過程中鋼線與單晶的接觸面積越大，如果切割速度保持不變，則在切割過程中鋼線受到的阻力也就越大，摩擦生熱量也就越大，因而造成硅片翹曲度變大。所以在不考慮其他因素影響的情況下，切割速度變化應隨著鋼線接觸單晶面積的變化，做成曲線應為兩邊高中間低的對稱弧形。

圖1 實驗采用切割速度變化曲線

表2 實驗的翹曲度

圖2 實驗的翹曲度分布圖

按照以上理論，我們將實驗中的工作臺速度變化曲線改為兩邊高中間低的對稱弧形進行切割實驗，實驗采取表3所示的切割速度進行，得到圖3所示的翹曲分布。實驗所得到的數(shù)據(jù)見表4、圖4。

通過對比試驗的數(shù)據(jù)可以看出，如果僅考慮鋼線與單晶的接觸面積，得到的硅片翹曲水平極差，分布在25～40之間，不能滿足2.1中所提出的120 mm切片翹曲度要求。

表3 對稱弧形切割速度變化表

圖3 對稱弧形切割速度變化曲線

表4 實驗數(shù)據(jù)

圖4 實驗的翹曲度分布圖

上海大學程志華等人認為切割加工的關鍵在于切割液中的磨粒，而磨粒的綜合力學行為在相當程度上取決于硅工件和切割線之間切割液的流體力學行為，從機理上來說，在自由磨料切削加工過程中按摩粒與切割液薄膜相對厚度的大小，有滾動-嵌入、滾動——刮擦、刮擦3種情況，根據(jù)程志華等人的理論，滾動——刮擦加工過程中魔粒容易破碎，從而磨粒大小分布不均，因而在不同的磨削階段，實際參與加工的磨粒大小不同，也就會造成在工件不同部位加工表面質(zhì)量不一致。另外滾動——刮擦加工還會把帶動磨粒加工的切割線的表面形貌反映在加工工件上。因此針對其不利方面為了提高晶片切片加工表面質(zhì)量，最好是以滾動—嵌入為主導的加工方式[2]。

在實際切割過程中，隨著磨削作用的不斷進行SiC顆粒在不斷的破碎，粒徑減小，導致磨削能力下降，在實際切割過程中，硅粉持續(xù)性的被磨削掉，并混入砂漿中，使砂漿的黏度不斷增大，導致由鋼線帶入磨削區(qū)域的SiC數(shù)量減少，也導致了切割能力的下降，所以在切割過程中的切割速度變化應是逐漸降低的。

由于單晶直徑大，SiC磨削路線長，所以為確保鋼線的帶砂能力以及在單晶邊緣和芯部磨削效果的一致性，需要提高鋼線速度和耗線量。

大直徑單晶切割過程中磨削發(fā)熱嚴重，由于磨削線路長，PEG的降溫效果不如小直徑單晶，在切割過程中單晶芯部容易產(chǎn)生熱積累，，從而造成硅片存在較大的熱應力，在極大熱應力的作用下，硅片翹曲度將變大，所以在切割過程中要嚴格控制砂漿溫度和流量，是切割過程中磨削產(chǎn)生的熱量及時被PEG帶走，減小熱應力的影響，從而降低硅片的翹曲度。

通過以上理論，最終確定了試驗參數(shù)，并且通過表2顯示的實驗數(shù)據(jù)顯示。采用這種工藝切割的硅片翹曲度分布可以滿足2.1中所提出的125 mm硅切片翹曲度要求。

3 結 論

125 mm硅片翹曲度受到砂漿切割能力、單晶直徑變化、鋼線的帶砂能力的影響，所以要想達到理想的翹曲度水平，需要結合調(diào)整砂漿的流量和溫度，、線速度和耗線量、切割速度等，只有將多方面的條件調(diào)整到最佳，才能切割出理想的硅片。同時由于線切割工序涉及因素多，只有將設備調(diào)整到穩(wěn)定的狀態(tài)，并且具備科學的管理水平，才能保證切片水平的穩(wěn)定發(fā)揮。

[1]舒繼干，魏昕，袁艷蕊.單晶硅游離磨粒線切割技術研究[J].2009,43（1）：31-35.

[2]袁艷蕊，魏昕，丁寅.游離磨料線切割的切割液行為綜述[J].金剛石與磨料磨具工程，2009,6:43-48.