單晶硅切片加工技術(shù)研究進(jìn)展*

葛培琪， 陳自彬， 王沛志

(1. 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061) (2. 山東大學(xué)， 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗室， 濟(jì)南 250061)

集成電路是推動現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全具有重大意義，其制造水平?jīng)Q定了新一代移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志[1]。光伏發(fā)電因其清潔、安全、便利、高效等特點(diǎn)，已成為世界各國普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，在國家長期能源戰(zhàn)略中具有重要地位[2]。單晶硅由于其優(yōu)良的半導(dǎo)體性能而在集成電路產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。全球以單晶硅片作為襯底材料的集成電路占比高達(dá)90%以上[3]；同時，單晶硅型太陽能電池板的出貨量已超過多晶硅型太陽能電池板。其中，集成電路產(chǎn)業(yè)對單晶硅片加工的質(zhì)量要求更高，單晶硅晶圓襯底上任何質(zhì)量的缺陷都會對集成電路造成嚴(yán)重影響，晶圓襯底表面必須滿足超平整、超光滑、低損傷等高質(zhì)量要求[4]。以目前主流的300 mm單晶硅晶圓襯底為例，先進(jìn)制程的晶圓襯底要求純度達(dá)到99.999 999 999%，總厚度變化不超過0.3 μm，平整度要低于40 nm等。

單晶硅晶圓襯底制備需要經(jīng)過拉單晶、切片、研磨、拋光等主要加工工序，其加工過程如圖1所示。單晶硅切片加工是晶圓襯底制造的粗加工工序，是在力、熱的作用下實(shí)現(xiàn)脆性單晶硅材料的切片加工，獲得有一定表面粗糙且表層殘留裂紋損傷的單晶硅晶片。切片后的晶片表面及亞表面質(zhì)量直接決定了后續(xù)研磨和拋光加工的成本和效率。此外，切片加工的晶片表層裂紋損傷降低了晶片的斷裂強(qiáng)度，限制了晶片厚度的進(jìn)一步減薄。因此，切片加工作為晶圓襯底機(jī)械加工的第一步，對晶圓襯底和芯片制造總成本影響顯著，其加工工藝和設(shè)備受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注且發(fā)展十分迅速。早期的單晶硅切片加工主要為內(nèi)圓切片技術(shù)和外圓切片技術(shù)，隨著單晶硅尺寸的增大，內(nèi)、外圓切片技術(shù)逐漸被線鋸切片技術(shù)所取代。因此，開展單晶硅切片加工技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)單晶硅高效、精密、低裂紋損傷的切片加工，對提高單晶硅的晶片出片率、降低晶圓襯底和太陽能電池板的制造成本、增強(qiáng)我國集成電路產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的國際競爭力具有重要意義。

圖1 單晶硅晶圓襯底加工過程

1 線鋸切片技術(shù)分類

目前，單晶硅的主流切片加工技術(shù)為線鋸切片技術(shù)，其切片加工過程示意圖如圖2所示：將鋸絲以一定的方式纏繞并張緊在導(dǎo)輪上，從而組成相互平行的線網(wǎng)，在切片加工過程中，導(dǎo)輪及收、放線輪驅(qū)動鋸絲進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，工件垂直于線網(wǎng)進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)單晶硅的多片切割[5]。

圖2 線鋸切片加工過程示意圖[6]

根據(jù)磨粒施加方式不同，線鋸切片技術(shù)分為游離磨料線鋸切片技術(shù)和金剛石線鋸切片技術(shù)，如圖3所示。

1.1 游離磨料線鋸切片技術(shù)

游離磨料線鋸切片技術(shù)主要靠光滑的金屬絲驅(qū)動研磨液中的磨粒(金剛石或碳化硅微粉)對單晶硅做滾壓釬入作用從而實(shí)現(xiàn)材料去除，如圖3a所示，此時材料的去除機(jī)理是三體磨粒磨損[7]。磨粒的滾壓釬入會在晶片表面造成大量的裂紋和凹坑，加工后的硅片面型精度難以保證；且磨粒對單晶硅滾壓釬入的同時，對金屬絲(鋸絲)也具有相同的材料去除作用，嚴(yán)重影響鋸絲的使用壽命。當(dāng)鋸切大尺寸工件時，鋸縫深、窄，磨粒難以進(jìn)入?yún)⑴c硅片去除，使鋸切加工效率降低；且磨粒在鋸切加工區(qū)域分布不均，易引起較大的晶片厚度偏差。此外，游離磨料線鋸切片技術(shù)還存在磨料回收困難，容易造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)[8]。

1.2 金剛石線鋸切片技術(shù)

金剛石線鋸切片技術(shù)是將金剛石磨粒固定在高強(qiáng)度金屬絲表面，形成固結(jié)磨粒線鋸，通過線鋸上固結(jié)的磨粒對單晶硅進(jìn)行刮擦、耕犁來實(shí)現(xiàn)其材料去除，如圖3b所示，此時材料的去除機(jī)理是二體磨粒磨損。金剛石線鋸切片技術(shù)切縫小、晶體材料的出片率高、切片表面質(zhì)量好，其鋸切加工效率大約是游離磨料線鋸切片技術(shù)的2.5倍。同時，水基切削液的使用也使其對環(huán)境更友好[9-10]。因此，金剛石線鋸切片技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的單晶硅切片加工技術(shù)。

按照磨粒在鋸絲基體(高強(qiáng)度金屬絲)上固結(jié)方式的不同，工程上常用的線鋸分為電鍍金剛石線鋸和樹脂金剛石線鋸[11]，2種線鋸的表面形貌如圖4所示。

電鍍金剛石線鋸是采用復(fù)合電鍍方法，通過鍍鎳層將金剛石磨粒固結(jié)在高強(qiáng)度金屬絲基體上[12]，其具有鍍鎳層耐磨性好、磨粒把持力大、鋸切能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。樹脂金剛石線鋸是利用樹脂作為黏結(jié)劑，將金剛石磨粒黏結(jié)在高強(qiáng)度金屬絲基體表面。與電鍍金剛石線鋸相比，樹脂金剛石線鋸的制造工藝簡單，磨粒出露高度的一致性較好。由于樹脂結(jié)合劑具有一定彈性，在切片加工中，磨粒受到較大鋸切力時會產(chǎn)生彈性避讓，因而其晶片創(chuàng)成表面更光滑，凹坑數(shù)量更少，表層裂紋損傷深度也更小[13]，切片加工的晶片斷裂強(qiáng)度更高[9]。

為減少由切片加工造成的鋸縫損耗，提高晶體的出片率，進(jìn)而降低硅片的制造成本，金剛石線鋸正不斷向著細(xì)線化方向發(fā)展。由于電鍍金剛石線鋸的耐磨性強(qiáng)，磨粒把持力大，其在細(xì)線化方面具有較好的發(fā)展?jié)摿?，電鍍金剛石線鋸的芯線直徑已經(jīng)降至50 μm[15]。在光伏硅晶體切片加工中，已開始使用芯線直徑為47 μm的電鍍金剛石線鋸。

2 金剛石線鋸切片加工機(jī)理研究

單晶硅的金剛石線鋸切片加工是分布在金剛石線鋸表面上的多磨粒對單晶硅的復(fù)合刻劃過程。因此，通常采用納米刻劃試驗來探究金剛石線鋸切片加工的材料去除機(jī)理及晶片創(chuàng)成表面的裂紋損傷機(jī)制。納米刻劃試驗的原理是利用金剛石磨粒或具有一定形狀的標(biāo)準(zhǔn)壓頭在試件表面沿著一定方向刻劃，分析刻劃過程中材料的脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)制、刻劃力和刻劃深度變化及刻劃后劃痕的形貌和亞表面損傷等[16]。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)壓頭刻劃加工研究

標(biāo)準(zhǔn)壓頭刻劃被廣泛應(yīng)用于超精密加工機(jī)理的探究中，標(biāo)準(zhǔn)壓頭可以分為玻式壓頭、維式壓頭、圓錐形壓頭和球型壓頭等[17]。在脆性材料的納米刻劃試驗中，通常采用玻式壓頭和圓錐形壓頭。

圖5為單晶硅刻劃過程。隨刻劃深度的增加，單晶硅的材料變形和去除機(jī)制會經(jīng)歷圖5中的不同階段。當(dāng)刻劃深度較小時，材料表面僅產(chǎn)生彈性變形，不會形成材料的去除；增大刻劃深度，材料產(chǎn)生塑性變形，此時單晶硅在磨?；驂侯^的耕犁作用下形成塑性切屑，表現(xiàn)為材料的塑性域去除；當(dāng)刻劃深度超過單晶硅塑脆轉(zhuǎn)變的臨界深度時，中位裂紋開始產(chǎn)生，磨?；驂侯^劃過加載區(qū)域后，橫向裂紋和位于硅片表面上劃痕兩側(cè)的徑向裂紋開始出現(xiàn)；當(dāng)刻劃深度繼續(xù)增大，橫向裂紋將擴(kuò)展到硅片表面，產(chǎn)生脆性切屑從而實(shí)現(xiàn)材料的脆性去除[18]。采用玻式壓頭并保持棱邊向前，在單晶硅(100)晶面上沿著[010]晶向方向，開展刻劃速度為1 μm/s的變法向載荷刻劃加工試驗，發(fā)現(xiàn)其脆塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷為26 mN，對應(yīng)的臨界刻劃深度為353 nm[19]。由于玻氏壓頭是正三棱錐結(jié)構(gòu)，沿三棱錐不同方向刻劃，可以體現(xiàn)刀具結(jié)構(gòu)對刻劃加工的影響[20]。

2.2 高速刻劃加工研究

圖5 單晶硅刻劃過程示意圖[21]

傳統(tǒng)的納米刻劃試驗大多是在納米壓痕儀上進(jìn)行，由于試驗裝置的限制，只能實(shí)現(xiàn)較低速度的刻劃，刻劃速度與切片加工中的走絲速度(20～30 m/s)相差較大。因此，為分析刻劃速度對單晶硅刻劃加工的影響，開展單晶硅的高速刻劃研究是十分必要的。

在一定條件下，單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的臨界切削深度受刻劃速度影響，在較低的刻劃速度(0.5～4.0 mm/s)下，單晶硅的臨界切削深度為358.75 nm，在中等刻劃速度范圍(0.1～0.3 m/s)下，臨界切削深度下降為198.75 nm，當(dāng)刻劃速度處于較高范圍(1.88～22.60 m/s)時，臨界切削深度又增大為437.00 nm[22]。

此外，刻劃速度會影響刻劃過程中單晶硅的相變機(jī)制及其對應(yīng)的材料體積變化。當(dāng)刻劃速度為1 mm/min時，劃痕表面存在Si-Ⅲ相和Si-Ⅻ相；當(dāng)刻劃速度更高時，劃痕表面只存在a-Si相和Si-Ⅳ相；在劃痕中心處，a-Si相和Si-Ⅳ相的拉曼強(qiáng)度比隨刻劃速度的增大而增大，由于a-Si相變伴隨材料的體積膨脹，在相同的刻劃深度下，殘余劃痕深度隨著刻劃速度增大而呈現(xiàn)減小的趨勢。[23]

2.3 多磨粒復(fù)合刻劃加工研究

在金剛石線鋸切片加工過程中，金剛石線鋸表面的多個磨粒會同時參與切片加工，最終的晶片創(chuàng)成表面是在多道劃痕的相互作用下形成的。為了更真實(shí)地反映切片加工過程，需要對不同劃痕之間的相互作用進(jìn)行探究。

圖6為磨粒復(fù)合刻劃表面劃痕形貌。當(dāng)劃痕間距較小時，2道劃痕形成的橫向裂紋和徑向裂紋會互相干涉，從而加劇材料的脆性剝落，使材料去除率大大增加。劃痕間的相互干涉程度受刻劃深度和刻劃間距影響，刻劃深度越大，由劃痕產(chǎn)生的橫向裂紋和徑向裂紋越密集，裂紋間的干涉越頻繁；隨著刻劃間距的增大，劃痕間的材料去除量先增大后減小，當(dāng)刻劃間距足夠大時，劃痕間的相互作用消失[24-25]。

圖6 磨粒復(fù)合刻劃表面劃痕形貌[25]

圖7為磨粒復(fù)合刻劃截面形貌，Ds為間隔距離。單磨粒2次刻劃時，第1道劃痕會對第2次刻劃中位裂紋的產(chǎn)生起到抑制作用；以中位裂紋產(chǎn)生的臨界載荷進(jìn)行刻劃時，第1次刻劃能夠產(chǎn)生中位裂紋，與其相鄰的第2次刻劃卻沒有中位裂紋形成，直到2次刻劃的間距足夠大時，該抑制作用才會失效[21]。

圖7 磨粒復(fù)合刻劃截面形貌[21]

3 金剛石線鋸切片加工過程分析

將單磨粒和多磨?？虅澋牟牧先コ龣C(jī)理和裂紋損傷機(jī)制應(yīng)用到金剛石線鋸切片加工中，需要對金剛石線鋸切片加工過程進(jìn)行分析，得到切片加工時金剛石線鋸上磨粒的刻劃加工深度，并進(jìn)一步分析切片加工質(zhì)量。

3.1 金剛石線鋸三維形貌建模

對金剛石線鋸的切片加工過程進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，首先需要建立綜合考慮磨粒形狀、大小及位置分布的金剛石線鋸三維形貌模型。圖8為金剛石磨粒尖端形貌。

對金剛石磨粒尖端的三維形貌掃描結(jié)果表明：94%的磨粒尖端為三棱錐形，如圖8所示，中心線與棱邊夾角均值α為76°，中心線與面的夾角均值β為66°，棱邊之間的夾角均值γ為112°[26]。在建模時，磨粒尖端通常被等效簡化為圓錐形，圓錐半錐角大小為45°～85°[27]。對于確定粒度的金剛石磨粒，其粒徑尺寸在一定的范圍內(nèi)變化，且服從正態(tài)分布。

圖8 金剛石磨粒尖端形貌示意圖[27]

磨粒在金剛石線鋸上的位置服從均勻分布，其在三維形貌模型中的常用分布有2種，如圖9所示。圖9a的橫截面法是根據(jù)磨粒密度，用若干個橫截面將金剛石線鋸沿軸向等間距劃分，令每個橫截面上僅存在1個磨粒，磨粒在截面上的位置隨機(jī)且可以用極坐標(biāo)來描述[28]；圖9b的網(wǎng)格劃分法是對金剛石線鋸表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)磨粒密度隨機(jī)選取相應(yīng)數(shù)量的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置作為磨粒位置，并且使軸向和徑向上的單位網(wǎng)格長度相等，從而保證磨粒在2個方向上分布概率相同[29]。與第1種建模方法相比，第2種建模方法能夠更好地反映金剛石線鋸的真實(shí)形貌。

3.2 金剛石線鋸的磨?？虅澕庸ど疃?/h3>

假定磨?？虅澕庸ど疃妊劁徑z圓周嚴(yán)格遵循正弦函數(shù)分布以及材料被塑性去除，利用磨?？虅澋牟牧先コ颗c鋸絲進(jìn)給量的平衡關(guān)系，可得到金剛石線鋸切片加工過程中磨粒的最大刻劃加工深度[30]。最大刻劃加工深度值隨著磨粒密度和走絲速度的增大而減小，隨著進(jìn)給速度的增大而增大。

利用金剛石線鋸三維形貌模型，結(jié)合刻劃過程中材料的脆性、塑性去除機(jī)理，可對切片加工過程中磨粒的刻劃加工深度進(jìn)行精準(zhǔn)分析。金剛石線鋸表面參與加工的有效磨粒數(shù)占比極小，且越靠近鋸縫底部，有效磨粒數(shù)越多，磨粒的刻劃加工深度越大。當(dāng)進(jìn)給速度和走絲速度成比例增大時，可以在保證切片加工表面質(zhì)量的前提下，提高切片加工效率[28]。

3.3 金剛石線鋸的鋸切力

金剛石線鋸的法向鋸切力直接決定了磨粒的刻劃加工深度，對材料去除方式、鋸絲磨損和鋸切熱的產(chǎn)生有重要的影響。此外，張緊在導(dǎo)輪上的金剛石線鋸具有很好的柔性，受法向鋸切力作用時會產(chǎn)生撓曲[31]。

通過對切片加工過程中單顆磨粒的受力分析，將磨粒的刻劃力疊加即可得到其法向和切向鋸切力。理論分析表明：金剛石線鋸的鋸切力與進(jìn)給速度、工件接觸長度和鋸絲直徑成正比，而隨著走絲速度的增大，鋸切力呈減小趨勢[32]。此外，鋸切力受進(jìn)給速度的影響最大，走絲速度對鋸切力的影響大于鋸絲張緊力[33]。

4 切片加工裂紋損傷及其抑制措施

切片加工過程產(chǎn)生的裂紋損傷殘留在晶片表層，會降低晶片的斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致破片率增大。晶片的裂紋損傷需要通過后續(xù)的磨拋加工去除，這不但降低了晶圓襯底的加工效率，也增加了晶圓襯底的制造成本，因此控制切片加工裂紋損傷十分關(guān)鍵。

在切片加工過程中，金剛石線鋸上不同位置、尺寸、形狀的磨粒刻劃加工深度不同。在理想情況下，鋸縫底部位置的磨?？虅澕庸ど疃茸畲?，更容易引起材料的脆性去除，而在鋸縫兩側(cè)的磨粒加工深度最小，更容易實(shí)現(xiàn)材料的塑性域去除[34]。單晶硅切片加工裂紋損傷形成機(jī)理如圖10所示。

圖10 單晶硅切片加工裂紋損傷形成機(jī)理

當(dāng)磨粒所在位置角θ值較大時，由磨粒脆性去除引起的裂紋位于待加工區(qū)，這部分裂紋會在后續(xù)的切片加工中去除，不會對切片加工的創(chuàng)成表面產(chǎn)生影響；而當(dāng)磨粒位置θ值較小時，該區(qū)域的磨粒脆性去除引起的橫向裂紋和中位裂紋將擴(kuò)展到晶片的創(chuàng)成表面，從而導(dǎo)致晶片表層的裂紋損傷。

大量理論分析與試驗研究表明，減小進(jìn)給速度與走絲速度的比值可以降低晶片表層的裂紋損傷[35-36]；與電鍍金剛石線鋸相比，使用磨粒出露高度更好的樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸，更易獲得較淺的裂紋損傷層；在相同切片工藝參數(shù)下，適當(dāng)增大磨粒密度，使得更多磨粒參與切片加工，能夠減小單顆磨粒的刻劃加工深度，有利于減小切片加工的裂紋損傷深度。

5 結(jié)語

單晶硅切片加工是集成電路產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，其加工方式和加工質(zhì)量直接影響到晶體的出片率、晶圓襯底和太陽能電池板的生產(chǎn)成本。目前，單晶硅的主流切片加工技術(shù)為線鋸切片技術(shù)，與游離磨料線鋸切片技術(shù)相比，金剛石線鋸切片技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，具有更好的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前對金剛石線鋸切片技術(shù)的研究多基于納米刻劃試驗結(jié)果，分析了切片加工過程中金剛石線鋸上磨粒的刻劃加工深度、鋸切力及其相關(guān)的切片加工質(zhì)量。其中，切片加工引起的裂紋損傷問題仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

未來，單晶硅片將向著大尺寸和薄型化的趨勢發(fā)展，這一發(fā)展趨勢對單晶硅切片加工技術(shù)提出了更高的要求，深入研究單晶硅低裂紋損傷甚至無裂紋損傷的精密切片加工技術(shù)，具有十分重要的理論和實(shí)用價值。此外，為提高硅晶體的出片率、減少鋸切加工的材料損耗，單晶硅的窄縫、薄片切片加工是金剛石線鋸切片加工技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。