IC級(jí)晶錠游離磨料電解磨削多線切割工藝（FAEMS）研究

康洪亮

【摘 要】本文簡(jiǎn)單的介紹IC級(jí)晶錠FAEMS的原理，及與FAMS[1]在硅片總厚度差 翹曲度 表面質(zhì)量的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證加入電解后，F(xiàn)AEMS可以更好的改善切割工藝，提高加工質(zhì)量和效率。

【關(guān)鍵詞】游離磨料；多線切割；電解；總厚度差；翹曲度；表面質(zhì)量

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

硅片游離磨料電解磨削多線切割（Freeabrasive electrochemical multi-wire sawing，F(xiàn)AEMS）是在機(jī)械磨削的基礎(chǔ)上復(fù)合了電化學(xué)作用，能夠顯著降低宏觀切削力，減少硅片表面損傷層，有利于實(shí)現(xiàn)大尺寸超薄硅片加工。本文將從材料去除機(jī)理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上，介紹FAEMS在加工尺寸精度和表面質(zhì)量等方面所取得的一些研究進(jìn)展。

2 實(shí)驗(yàn)原理

FAEMS是在現(xiàn)有游離磨料多線切割的基礎(chǔ)上，在硅錠與切割線間加上連續(xù)或脈沖電源，利用切削液的弱導(dǎo)電性產(chǎn)生微區(qū)鈍化或腐蝕，在機(jī)械磨削的同時(shí)復(fù)合電化學(xué)腐蝕，F(xiàn)AEMS屬于復(fù)合加工方法，該方法以機(jī)械磨削為主，電化學(xué)作用為輔。其中，電化學(xué)作用有利于機(jī)械切削力的減小，切割產(chǎn)物兼具磨料作用，可以降低斷絲幾率，提高硅片切割效率；機(jī)械磨削作用有利于電化學(xué)鈍化（或腐蝕）的持續(xù)進(jìn)行，硅片機(jī)械損傷層更薄，表面完整性好，減少了后續(xù)減薄量，提高了材料利用率。切割過程中，硅錠和切割線分別連接到電源的正極和負(fù)極，構(gòu)成電化學(xué)反應(yīng)的陽極和陰極，產(chǎn)生微弱的電化學(xué)反應(yīng)，在硅錠的表面形成鈍化膜。鈍化膜不斷被快速移動(dòng)的切割線夾帶的磨料刮除；露出新鮮表面后，繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)作用，材料去除過程不斷重復(fù)。鈍化膜是在陽極電場(chǎng)的作用下，硅基體材料和切削液中存在的氧元素發(fā)生陽極氧化反應(yīng)形成的，主要成分是硅的氧化物。其結(jié)構(gòu)疏松多孔，相比于新裸露的硅基體硬度較低，易于切割，降低了宏觀切削力，磨削加工更易進(jìn)行，殘余應(yīng)力更小。

試驗(yàn)時(shí)電源正極采用專用進(jìn)電方法連接到硅錠，負(fù)極通過碳刷或?qū)Ｓ眠M(jìn)電工具連接到切割線。在開展對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，F(xiàn)AEMS的各項(xiàng)工藝參數(shù)與FAMS保持一致。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

MWM442DM 多線切割機(jī)，5英寸N<111>硅錠若干，MS103測(cè)試儀一臺(tái)，導(dǎo)電碳/銀漿，導(dǎo)線若干， 貴金屬電鍍脈沖電源，導(dǎo)電塊，

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

硅片的表面完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括幾何加工參數(shù)TTV 、WARP、硅片表面質(zhì)量以及亞表面質(zhì)量等方面。采用單一變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 幾何加工參數(shù)

4.1.1 硅片厚度與 TTV

統(tǒng)計(jì)的FAMS（FAMS）的有效片數(shù)（572-584um，TTV≦20 μm，WARP≦40μm）是704 片，平均厚度為 581.62 μm，平均 TTV 為 4.26μm；統(tǒng)計(jì)的FAEMS（FAEMS）的有效片數(shù)（572-584um，TTV≦20 μm，WARP≦40μm）是683片，平均厚度為 580.62 μm，平均 TTV 為 3..54μm。FAEMS的TTV 相比于FAMS略有減小，且 TTV分布區(qū)間也有差異。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，F(xiàn)AMS的 TTV 值集中區(qū)間在 4-5 μm，而FAEMS的TTV 值集中于 3-4 μm 之間，比FAMS的厚度誤差范圍小。這是因?yàn)镕AEMS復(fù)合了電化學(xué)作用，生成易于切割的鈍化層，降低了宏觀切削力和切割負(fù)載，減小了因切割阻力大引起的切割線的震顫，進(jìn)而降低了 TTV。

4.1.2 WARP統(tǒng)計(jì)與分析

翹曲度（WARP）是反映硅片變形和殘余應(yīng)力的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其是隨著硅片尺寸的不斷變大，硅片彎曲和翹曲更加嚴(yán)重，所以對(duì)翹曲度的要求也越來越高。對(duì)FAEMS和FAMS硅片的WARP統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AMS硅片的平均Warp為 18.12 μm，Warp主要分布在 15～24 μm 之間，而FAEMS硅片的平均Warp為 14.38 μm，主要分布在 10～19 μm之間，其均值和分布區(qū)間均優(yōu)于FAMS。FAEMS對(duì)硅片Warp的改善與其加工機(jī)理密切相關(guān)。硅片的殘余應(yīng)力影響翹曲度，F(xiàn)AMS完全依靠機(jī)械磨削，在加工過程中極易發(fā)生加工硬化產(chǎn)生殘余應(yīng)力；而FAEMS的加工機(jī)理不同，在機(jī)械磨削的同時(shí)復(fù)合電化學(xué)加工，能有效的降低切割負(fù)載，減少加工硬化的出現(xiàn)，減少殘余應(yīng)力，所以FAEMS的硅片Warp有明顯改善。

4.2 表面質(zhì)量檢測(cè)與分析

切片后的硅片的表面質(zhì)量與缺陷主要包括：線痕、孔洞、裂紋、暗裂、顆粒剝落、崩邊，雜質(zhì)分布等等[2]。

4.2.1 對(duì)其進(jìn)行表面殘余雜質(zhì)分析

硅材料在制造過程中需嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，否則雜質(zhì)原子會(huì)與結(jié)晶學(xué)缺陷相互作用，形成少數(shù)載流子的復(fù)合中心，大大減小擴(kuò)散長(zhǎng)度。取清洗潔凈后的FAEMS硅片，對(duì)其表面進(jìn)行 EDS 檢測(cè)，從能譜圖中可以看出FAEMS硅片表面只含有 Si 一種元素，并未引入其他元素。

4.2.2 亞表面損傷檢測(cè)與分析

多線切割時(shí)切割線帶動(dòng)磨粒切削，引起硅片亞表層產(chǎn)生橫向裂紋和中位裂紋，形成損傷層。由于損傷層的存在，在硅片的亞表面會(huì)出現(xiàn)隱裂、凹坑、孔洞、劃痕等缺陷，而這些缺陷會(huì)對(duì)硅片后道工序產(chǎn)生不利影響。硅片在堿溶液中各向異性腐蝕，但是由于硅片表面存在的損傷區(qū)域反應(yīng)活性高，缺陷周圍存在的局部應(yīng)力場(chǎng)使腐蝕速度加快， 出現(xiàn)速率差，缺陷處與完美處形成明暗對(duì)比，硅片表面部分損傷層被去除后，暗裂、微裂紋、微溝槽等缺陷顯現(xiàn)出來。將FAMS的硅片和FAEMS的硅片置于 80 ℃恒溫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%的 NaOH 溶液中腐蝕 20 min，去除部分損傷層后在顯微鏡下觀察兩種樣片的微觀結(jié)構(gòu)。FAMS的硅片經(jīng)腐蝕處理后亞表面形貌，可以看到其表面存在微裂紋和較深的溝槽，這些缺陷既影響電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，又容易引起碎片，影響使用壽命。FAEMS的硅片經(jīng)腐蝕處理后亞表面形貌，其表面損傷基本平坦均勻勻，無明顯的溝槽和裂紋，在后續(xù)工序中也不易引起碎片。

5 結(jié)論

FAEMS方法加工的硅片的 TTV 和 WARP 均優(yōu)于FAMS的硅片。因?yàn)镕AMS是依靠機(jī)械磨削“冷”加工來制造硅片，屬于非剛性切割，在切割過程中切割線必然產(chǎn)生變形從而不斷產(chǎn)生瞬間的沖擊作用；而FAEMS屬于復(fù)合加工，能有效降低宏觀切削力，減少切割負(fù)載。FAEMS方法由于在機(jī)械磨削的同時(shí)復(fù)合了電化學(xué)作用生成了易于切割的鈍化層，對(duì)硅片表面的線痕、剝落以及損傷層都有一定的改善作用。此外 FAEMS法硅片的表面損傷層更薄。

在后續(xù)的工作中將結(jié)合游離磨料和固結(jié)磨料兩種切割方法，進(jìn)一步研究電解磨削多線切割對(duì)位錯(cuò)、殘余應(yīng)力的影響；同時(shí)，通過改進(jìn)切削液成分，提高切割過程中的電化學(xué)作用，施加磁場(chǎng)等進(jìn)一步完善工藝，提高質(zhì)量，降低成本。

【參考文獻(xiàn)】

[1]康自衛(wèi)，王麗.《硅片加工技術(shù)》化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]張厥宗.硅單晶拋光片的加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：張濤]