線鋸切技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r①

談耀麟

（中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林 541004）

線鋸切技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r①

談耀麟

（中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林 541004）

回顧線鋸切技術(shù)發(fā)展的歷史背景。分析了在半導(dǎo)體工業(yè)中鋸切硅晶錠使用的超薄金剛石內(nèi)圓鋸片的優(yōu)缺點(diǎn)。闡述游離磨料線鋸的產(chǎn)生及其與超薄金剛石內(nèi)圓鋸片的性能對比以及游離磨料線鋸在使用中的局限性。文章還介紹了固結(jié)磨料線鋸中磨料的一些固結(jié)方式，并詳細(xì)闡述當(dāng)前先進(jìn)的樹脂粘結(jié)金剛石線鋸和電鍍金剛石線鋸以及浸漬金剛石線鋸的技術(shù)規(guī)格和技術(shù)性能。

線鋸切技術(shù)；游離磨料線鋸；樹脂粘結(jié)金剛石線鋸；電鍍金剛石線鋸；浸漬金剛石線鋸；發(fā)展；技術(shù)規(guī)格

上世紀(jì)中葉，單晶硅作為半導(dǎo)體生產(chǎn)的基礎(chǔ)材料伴隨著半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明以及硅集成電路的研制成功引發(fā)了電子工業(yè)革命。當(dāng)初硅晶錠的鋸切主要使用超薄金剛石圓鋸片和超薄金剛石內(nèi)圓鋸片。直到上世紀(jì)90年代，隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，國際上為了解決大尺寸硅晶片的切割問題逐漸采用了錢鋸切技術(shù)。線鋸切技術(shù)起初用的是游離磨料線鋸，嗣后才發(fā)展了固結(jié)磨料線鋸。

1 超薄金剛石內(nèi)圓鋸片

上世紀(jì)60年代，在大規(guī)模半導(dǎo)體的生產(chǎn)鏈中，硅晶片的鋸切成了發(fā)展生產(chǎn)的瓶頸。為了減少切縫損耗，超薄金剛石內(nèi)圓鋸片逐漸取代了普通的薄型金剛石圓鋸片，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的超薄金剛石內(nèi)圓鋸片的內(nèi)徑為203mm，外徑為558mm，可同時(shí)切割兩個(gè)直徑為75mm的硅晶錠，鋸片基體厚度僅為0.1mm，以電鍍方法固結(jié)325／400目的天然金剛石，鋸縫寬度僅為0.22mm［1］。

直到上世紀(jì)末，大直徑超薄金剛石內(nèi)圓鋸片的切縫損耗可減少到300至500μm，鋸切的晶片的最小厚度可達(dá)到300μm。但是隨著晶錠直徑的不斷擴(kuò)大，鋸片的內(nèi)徑必須加大，一般須加大至晶錠直徑的3倍。鋸片直徑加大了就難以避免鋸切時(shí)產(chǎn)生顫振而降低切割質(zhì)量，所以內(nèi)圓鋸片切割硅晶錠的直徑通常不能超過200mm，從而使超薄金剛石內(nèi)圓鋸片的推廣使用受到了限制。

2 游離磨料線鋸

為了克服超薄金剛石內(nèi)圓鋸片的缺點(diǎn)，各國研制半導(dǎo)體與太陽能的大公司相繼致力于線鋸切技術(shù)的研究。上世紀(jì)80年代瑞士HCT Shaping System首先研制出用于光伏電池生產(chǎn)行業(yè)鋸切硅晶片的鋸床。其基本原理是以運(yùn)動著的細(xì)金屬線帶動含有磨料的懸浮液而產(chǎn)生鋸切作用。金屬的運(yùn)動速度在5～25m／sec之間，以碳化硅為磨料，由于這項(xiàng)技術(shù)的采用使光伏電池硅晶片的厚度從330μm減到了180～220μm。最初使用的高強(qiáng)度細(xì)鋼線的直徑為160～180μm，為了盡可能降低切縫損耗，目前這一直徑已降至120～140μm［2］。該技術(shù)后來即被稱為游離磨料線鋸切割。

美國和環(huán)太平洋諸國自上世紀(jì)90年代開始廣泛使用游離磨料線鋸，用相當(dāng)長的高強(qiáng)度細(xì)金屬線連接成閉合環(huán)形線，靠一系列心軸驅(qū)動的同時(shí)滴注含有碳化硅或碳化硼為磨料的研磨液以起鋸切作用。其優(yōu)點(diǎn)是切縫損耗小，鋸出的晶片厚度均勻、不扭曲，其與超薄金剛石內(nèi)圓鋸片的性能對比如表1［3］。

表1 游離磨料線鋸與金剛石內(nèi)圓鋸片的性能對比Table 1 Comparison of performances between the free abrasive wire saw and the diamond inside slicing disc

從表1可看出游離磨料線鋸與超薄金剛石內(nèi)圓鋸片相比可鋸切出更薄的晶片，更好的表面光潔度，而且產(chǎn)量也較高，所以廣泛用于半導(dǎo)體和光伏行業(yè)鋸切較大直徑的晶錠。游離磨料線鋸一般采用不銹鋼線，標(biāo)準(zhǔn)直徑為150～300μm，常用磨料為碳化硅或金剛石。目前較先進(jìn)的游離磨料線鋸鋸床有德國KUKA Systems公司2011年投放市場的AWSM 4800.2型線鋸鋸床［4］。特點(diǎn)是：

1）性能高，運(yùn)營成本低；

2）晶片切割面質(zhì)量好，無鋸切痕

3）采用CCD攝像裝置進(jìn)行鋸線導(dǎo)向定位，定位誤差±0.1μm

4）完全程序控制

5）直接測量鋸線張力

6）消耗材料用量少

7）故障遠(yuǎn)程診斷

8）各軸承設(shè)溫度穩(wěn)定裝置

9）設(shè)有工件裝卸機(jī)構(gòu)

10）自由操控工作臺進(jìn)給速度和研磨液流量

技術(shù)參數(shù)如下：

①鋸線直徑：120～220μm，長600km，張力15～43N

②最大鋸線速度：14m／s

③工作臺進(jìn)給速度：2～999μm／min

④最大晶錠直徑：Φ450mm（或2個(gè)Φ200mm晶錠）

⑤最大晶錠長度：800mm

⑥鋸切晶片厚度：950μm

⑦一次鋸切晶片數(shù)：357（每小時(shí)切割15片）

⑧外形尺寸：4500×3500×2400mm

⑨重量：15000kg

應(yīng)指出的是，一臺線鋸鋸床的生產(chǎn)能力取決于所鋸切晶錠的直徑與長度；切片的厚度；鋸線直徑；鋸切速度以及開機(jī)所需準(zhǔn)備工作時(shí)間等。

3 固結(jié)磨料線鋸

長期以來電子工業(yè)應(yīng)用的硬脆材料如硅、石英、砷化鎵和永磁材料等以及一些貴重的材料如藍(lán)寶石、紅寶石等的切割主要靠游離磨料線鋸。但是生產(chǎn)率還是比較低；單個(gè)晶錠的鋸切時(shí)間長；只有部分磨料得到充分利用，尤其是采用金剛石作磨料時(shí)回收困難；處理大量研磨液也是很大的環(huán)保問題。此外，隨著鋸線的磨損，切片厚度產(chǎn)業(yè)偏差，若磨料產(chǎn)生聚堆則鋸線容易折斷，特別是鋸切的晶錠直徑大于300mm時(shí)，鋸線承受的拉力往往大于其斷裂強(qiáng)度，而更換新鋸線很費(fèi)時(shí)間，若加大鋸線直徑則切縫損耗增加。隨著硅晶錠的直徑越來越大，為了提高鋸切效率，降低晶片生產(chǎn)成本，行業(yè)迫切需要更先進(jìn)的切割技術(shù)。因此在上世紀(jì)末各國開始研制固結(jié)磨料線鋸。

目前，將金剛石磨料固結(jié)到金屬母線上有4種方法：1）機(jī)械固結(jié)法（mechanical bond）。即以壓入方式將金剛石磨料壓入高強(qiáng)度鋼線的軟金屬外包層中；2）冶金固結(jié)法（metallurgical bond）。以銅鋅合金焊或錫焊方式將金剛石磨料固結(jié)到母線上；3）樹脂粘結(jié)法（resin bond）。一般采用熱固結(jié)樹脂將金剛石磨料粘結(jié)到母線上；4）電解或無電鍍固結(jié)法（electrolytic or electroless fixation）［5］。電解固著即俗稱的電鍍固結(jié)。無電鍍指的是化學(xué)鍍，即在活化處理后的基體表面上，從鍍液中金屬離子催化還原形成金屬鍍層。在生產(chǎn)實(shí)踐中比較完善的固結(jié)方法是樹脂粘結(jié)和電鍍。

3.1 樹脂粘結(jié)金剛石線鋸

多年以來日本住友電工公司一直在研究精密線鋸切割技術(shù)。為了降低太陽能電池和其它半導(dǎo)體器件的制造成本，硅晶片的直徑不斷向大尺寸發(fā)展。由于多線鋸床切割效率高而且切割損耗小，因此逐漸成為切割硅晶片的主要技術(shù)裝備。多線鋸床早期采用游離磨料線鋸，因存在許多缺點(diǎn)從而引發(fā)了樹脂粘結(jié)金剛石線鋸的研制。該公司旗下的Allied Material公司采用連續(xù)樹脂涂敷方法成功制造出樹脂粘結(jié)金剛石線鋸。在鋼琴琴線上連續(xù)涂敷含有樹脂、金剛石磨料和溶制的混合物然后進(jìn)行熱固化處理。采用的是普通樹脂粘結(jié)砂輪用的酚醛樹脂和鍍鎳金剛石。母線為標(biāo)準(zhǔn)的鋼琴琴線。起初制造的樹脂粘結(jié)金剛石線鋸用的母線直徑為0.180mm，磨料為40～60μm金剛石，線鋸?fù)鈴綖?.245mm，切縫損耗為0.26mm。嗣后為了降低切縫損耗，已研制出直徑更細(xì)的樹脂粘結(jié)金剛石線鋸，其技術(shù)規(guī)格見表2。

表2 樹脂粘結(jié)金剛石線鋸技術(shù)規(guī)格Table 2 Specifications of the resin bond diamond wire saw

上述樹脂粘結(jié)金剛石線鋸的樹脂粘結(jié)層厚約20μm，切割試驗(yàn)時(shí)線鋸的拉力為9.8N，切縫損耗可降低到0.19mm，相當(dāng)于游離磨料線鋸的切縫損耗。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，磨料粒徑越大切割速度越快，因此，在盡量降低切縫損耗的條件下，采用0.130mm直徑的母線和30～40μm的磨料粒徑較為理想［6］。

樹脂粘結(jié)金剛石線鋸的最大優(yōu)點(diǎn)是撓性好，對鋸切面的損傷較小，從而使晶片有較好的表面光滑度，減少了后續(xù)加工量，缺點(diǎn)是對金剛石磨料的包持力不夠大，因而限制了鋸切速度。不過，樹脂粘結(jié)金剛石線鋸用于鋸切較薄的晶片是比較適合的。

最近，A.L.M.T公司研制的PWS-R型樹脂粘結(jié)金剛石線鋸所采用的鋼琴琴線直徑可細(xì)到0.12mm，金剛石磨料粒徑為10～20μm，線鋸拉力可達(dá)到25N，可以說是當(dāng)前比較先進(jìn)的樹脂粘結(jié)金剛石線鋸。這種線鋸已應(yīng)用于稀土永磁材料的切割，可獲得很好的表面切割質(zhì)量。不過用于切割硬度較大的脆性材料如藍(lán)寶石等，其切割效率與電鍍金剛石線鋸相比還略遜一籌。

3.2 電鍍金剛石線鋸

電鍍金剛石線鋸的最大優(yōu)點(diǎn)是對金剛石磨料的包持力比樹脂粘結(jié)金剛石線鋸的大得多，可實(shí)施較快的鋸切速度，極少發(fā)生金剛石脫落，而且可降低金剛石用量，有利于降低成本。從實(shí)踐效果來看，電鍍金剛石線鋸適合于鋸切目前太陽能電池所用的硅晶片，可達(dá)到較高的效率，而且切縫損耗較小，切割面較平滑，可減少研磨等后續(xù)加工量。

在美國，最早研制金剛石線鋸的是DMT公司。該公司成立于1963年，起初以研制紅寶石激光器為主，后來為了切割紅寶石薄片之需研制金剛石線鋸。從此該公司一直從事金剛石線鋸及其鋸切工藝的研究。其產(chǎn)品已被國際上生產(chǎn)線鋸切割設(shè)備的主要廠商所采用，廣泛用于各種晶體薄片切割、晶片切方（bricking）、切料頭（cropping）和成形切割（shaping）。2003年以來，該公司與瑞士精密線切割機(jī)床制造公司Meyer Burger合作一直在對太陽能硅材料切割用金剛石線鋸進(jìn)行研發(fā)。Meyer Burger是國際一流的高精線鋸切割技術(shù)與設(shè)備的研究制造公司，生產(chǎn)的設(shè)備廣泛用于硅晶錠、藍(lán)寶石等硬脆晶體薄片的切割，并且供應(yīng)薄片和棱柱等異形晶體產(chǎn)品。在國際太陽能、光學(xué)和半導(dǎo)體工業(yè)所用的硬脆材料薄片線鋸切割設(shè)備中，Meyer Burger和HCT Shaping Systems公司占了市場68%的份額。至2008年，Meyer Burger的生產(chǎn)能力擴(kuò)大了好幾倍。2009年，Meyer Burger收購了DMT公司的所有資產(chǎn)。最初幾年，金剛石線鋸主要應(yīng)用于紅寶石、藍(lán)寶石等的切割，后來廣泛用于太陽能硅晶片的切割，從而使太陽能電池的制造成本大幅度降低。

太陽能是目前世界上發(fā)展最快的新能源。全球?qū)μ柲艿男枨笈c日俱增。當(dāng)前全球80%以上的太陽能電池的生產(chǎn)均采用了硅晶片。因此目前國際上切割硅晶片的高精線鋸與切割設(shè)備的研制競爭十分激烈。目前國際上研究與生產(chǎn)金剛石線鋸及其配套技術(shù)裝備較先進(jìn)的廠家主要有以下幾家。

3.2.1 DMT（Diamond Wire Material Techuologies）公司

該公司是美國較早研制與生產(chǎn)金剛石線鋸的廠商，積45年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品行銷光伏、光學(xué)和半導(dǎo)體等行業(yè)。生產(chǎn)的金剛石線鋸直徑為0.140mm（140μm），采用專門拉制的高強(qiáng)度鋼線，直徑為0.12mm（120μm）。產(chǎn)品強(qiáng)度和質(zhì)量均采用電子儀器檢測。實(shí)踐證明，其金剛石線鋸與Meyer Burger的切割設(shè)備配套使用，切割硅晶片的速度比游離磨料線鋸切割提高了一倍，切割出來的晶片較平整，降低了后續(xù)加工費(fèi)，與游離磨料線鋸切割相比，減少了許多輔助設(shè)備和工序，投資回報(bào)率較高。

3.2.2 Laser Technology West公司

該公司成立于1983年，總部在美國，生產(chǎn)的金剛石線鋸有Superwire和Superlok（商標(biāo)名），特點(diǎn)是在高強(qiáng)度鋼線上以電解沉積法涂敷著一層銅包皮均勻鑲嵌20～120μm金剛石磨料。線鋸?fù)鈴匠叽鐬?27～376μm。Superlok金剛石線鋸的特點(diǎn)是電鍍時(shí)加入鎳以加強(qiáng)對金剛石磨料的包持力。

該公司批量生產(chǎn)的普通電鍍金剛石線鋸?fù)鈴綖?76～508μm，母線直徑不大于304μm，用銅或鎳電鍍金剛石磨料后的外徑約為406μm，電鍍金剛石磨料層厚度一般不超過50.8μm。［7］

3.2.3 A.L.M.T公司

該公司新近研制的PWS－E型電鍍金剛石線鋸的母線直徑小至0.12mm，采用10～20μm金剛石，進(jìn)行鋸切單晶硅試驗(yàn)時(shí)，線鋸拉力可達(dá)到25N，線鋸最大速度可達(dá)1000m／min，線鋸消耗量為25m／晶片。

另一種用于鋸切較硬晶體材料的電鍍金剛石線鋸的母線直徑為0.18mm，采用30～40μm金剛石，進(jìn)行鋸切藍(lán)寶石試驗(yàn)時(shí)，線鋸拉力達(dá)到35N，線鋸最大速度為400m／min，線鋸消耗量為20m／晶片［8］。

上述兩種電鍍金剛石線鋸在目前國際上是比較先進(jìn)的。

3.2.4 Bekaert Group

是著名的比利時(shí)專業(yè)拉制細(xì)鋼線的廠家。自1985年開始研發(fā)線切割技術(shù)，后來成為全球最大的光伏行業(yè)硅晶錠切片用線鋸母線的供應(yīng)商。該公司生產(chǎn)的用于堅(jiān)硬結(jié)晶材料切割的線鋸母線為冷拔高碳鍍銅高抗拉強(qiáng)度鋼線，其技術(shù)規(guī)格見表3［9］。

表3 冷拔高碳鍍銅高抗拉強(qiáng)度鋼線技術(shù)規(guī)格Table 3 Specifications of the steel wire

從表3可看出該公司生產(chǎn)的線材的抗拉強(qiáng)度已達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)稱，該公司還掌握超高抗拉強(qiáng)度線材的拉制技術(shù)，可生產(chǎn)出直徑小至100μm的線材，將使線鋸的切縫損耗進(jìn)一步降低。該公司稱，2006年國際上細(xì)線材市場需求的90%是直徑為150μm的，而目前該公司供應(yīng)的線材直徑為110μm或更細(xì)的，占其產(chǎn)量的30%以上。

該公司已在中國江陰市設(shè)立其在亞洲的研究與發(fā)展中心（Bekaert Asia T＆D Centre）。

4 浸漬金剛石線鋸

浸漬金剛石線鋸（diamond-impregnated wire）是一種無電鍍固著法制造的金剛石線鋸。

美國Kerf Industries公司一向從事碳化硅、藍(lán)寶石和其它半導(dǎo)體硬脆材料切割技術(shù)的研究。自上世紀(jì)60年代起，由于線切割可降低切縫損耗并保持嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以在各種硬脆材料的薄片切割中得到了很好的應(yīng)用。此后線鋸切割技術(shù)逐漸向越來越細(xì)的鋸線直徑發(fā)展，并采用了更精確的鋸線進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

該公司最近研制成功一種浸漬金剛石線鋸（diamond-impregnated wire），其直徑在76～127μm之間，最細(xì)者有如頭發(fā)絲，可根據(jù)切割不同材料的需求來選用。不過該公司目前可提供的金剛石線鋸有兩種：一種采用20μm金剛石，外徑為270～300μm；另一種采用40μm金剛石，外徑為250μm。據(jù)稱這種以金屬基質(zhì)（metal matrix）固結(jié)金剛石的線鋸，固結(jié)強(qiáng)度大于環(huán)氧樹脂（epoty）固結(jié)的強(qiáng)度，而成本低于電鍍（electroplating）固結(jié)的，用戶可以有各種選擇來調(diào)整線鋸切割性能以利于進(jìn)行快速鋸切，或者延長線鋸使用壽命或者提高切割面平整度或者盡量降低切縫損耗［10］。

5 展望未來發(fā)展

縱觀線切割技術(shù)的發(fā)展，固結(jié)磨料線鋸無疑是發(fā)展方向。在現(xiàn)有的固結(jié)磨料線鋸中，樹脂粘結(jié)磨料線鋸與電鍍或無電鍍磨料線鋸各有千秋，應(yīng)根據(jù)所鋸切材料的物理特性對其技術(shù)性能與使用經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面的對比分析。

就線鋸的技術(shù)規(guī)格而言，其外徑顯然是向著超細(xì)方向發(fā)展，對母線截面幾何形狀及其尺寸偏差，對磨料粒徑的優(yōu)化與均一性都有待深入研究；而就線鋸的技術(shù)性能而言，母線原材料的選擇、處理工藝、磨料的性質(zhì)、固結(jié)的強(qiáng)度化技術(shù)措施以及其它固結(jié)方式均有待研發(fā)與創(chuàng)新。

［1］ S.A.Herbert，Micron diamond-an advancing techuology，Ultrahard Materials Application Technology Volume 2［M］.Pal Doniel，1983，112-125.

［2］ Wafer Slicing Technology For Solar Photovoltaic Cells，Wafer slicing Technology Primer-Applied Materials［C］..

［3］ I.Kao（PI）and V.Prasad，J.Li，M.Bhagavat，Department of Mchanical Engineering，SUNY Stony Brook，NY11794－2300，Wafer Slicing and Wire saw Manufacturing Techuology［C］..

［4］ KUKA Flexible Manufacturing Systems-AWSM 4800.［C］..

［5］ FIXED ABRASIVE SAWING WIRE WITH REMOVABLE PROTECTIVE COATING，WIPO Patent ApplicationWO／2011／138192.［C］..

［6］ Sugawara Jun，Hara Hiroshi，Migoguchi Akira.Development of Fixed-Abrasive Grain Wire Saw with Less Cutting Loss［J］.Sumitomo Electric Technical Review，2003，（163）：43－47.

［7］ John B.，Hodsden etal.Wafer slicing diamond wire saw technology，Continuous Wire saw loop and method of manufacture ther of［J］.U.S.Patent 6，065，462，May 23，2000.

［8］ N.Nakaru ma et al.Development of precision fixed diamond wire PWS［J］.DTJ 2011，（3）.

［9］ www.bekaert.com.

［10］ Kerf Industries LLC.Precision Wire Saw Technology［M］.

State-of-the-arts of wire sawing technology

TAN Yao-lin
（China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin541004，China）

Historical background of wire sawing technology development was reviewd.Advantages and disadvantages of ulrta-thin diamond annular sawblade used for cutting silicon ingots in semiconductor industry were analysed.The emergence of loose abrasive wire saw and the performance comparison between it and ultra-thin diamond annular sawblade，along with its limitation in applications were described.As for the fixed abrasive wire saw some fixation methods of the abrasive particles were introduced in this paper，and the technical performance and technical specifications of the advanced resinoid diamond wire saw，electroplated diamond wire saw and diamond-impregnated wire saw were also described in detail.

wire sawing technology；loose abrasive wire saw；resinoid diamond wire saw；electroplated diamond wire saw；diamond-impregnated wire saw；development；technical specification

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0044－05

2013－04－10

談耀麟（1936－），男，高級工程師，長期從事超硬材料科研和情報(bào)方面的工作。