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单多晶硅片切割线痕难题研究

单多晶硅片切割线痕难题研究

断线

断线后的晶棒即使能够挽救回来,但是由于停机,硅片上也会产生线痕。产生断线的原因主要有:张力问题。收放线端排线不均匀,造成“一侧坑一侧包”的状况,钢线运动到两侧时张力急剧跳动,造成断线;张力臂由于长时间未清理,粘附砂浆过多,造成张力臂过重,调节灵敏度降低;张力臂转轴部分被砂浆堵塞,造成摆动不畅,都可以导致断线;钢线生产时产生线头穿错,也称为压线,极易造成断线;张力检测设备故障或由于长时间使用,张力检测值形成偏差,从而形成断线;钢线走线导轮磨损严重,造成钢线剧烈波动,张力不稳,导致断线。

钢线本身质量问题

钢丝强度偏低;钢丝存在表面缺陷,当受力时这些表面缺陷处成为应力薄弱部位,易于断裂。切割工艺问题。张力设定过大,钢线运行速度过高,砂浆粘度过低,砂浆流量过低,新线供给过少,造成带砂浆能力下降,钢线磨损量过大,形成断线;工作台进给速度过快,造成钢线弯曲度过大,形成断线。由此可见,控制断线问题首先要控制好张力,张力臂系统要定时清洗,保证其运行灵敏,导线轮要定期更换,张力检测装置要定期校正,校正完成后用手动张力计进行校对,保证其张力检测无偏差;其次要购买品质好的钢线,否则会大大增加断线率;最后要使用成熟的切割工艺,其中砂浆配置是一个关键环节。碳化硅微粉在包装、运输、存放过程中挤压结团,这就要求工人在配制沙浆倒料过程中要特别注意:倒料时应慢倒,控制在25~3min一袋,避免猛倒造成微粉沉底结块搅拌不均,造成与实际配比不一致,影响切割。碳化硅微粉具有较强吸水性,在空气中极容易受潮结团,应避免微粉裸露在空气中时间过长。砂浆在配制过程出现了许多的人为因素,很多参数因人为而改变。如果改为自动投料,减少人为因素效果会更好。最好把碳化硅微粉在80~90℃烘箱里,烘8h以上,来优化碳化硅微粉的各项指标。一般来说,手动调配的砂浆需要搅拌6h以上,全自动雾状投入磨粉的,只需搅拌1~2h即可使用。

跳线

跳线的线痕一般集中在硅棒某一段,但也有全线网跳线的,造成硅棒各段都有线痕。导致线网跳线的原因主要有:上次切割完的线网没有清理干净,或者硅片碎片、砂浆的杂质没有过滤完全,进入线槽引起跳线;张力设定过小,造成钢线绷紧不够引起跳线;导轮使用时间过长,造成钢线振动过大,引起跳线;主辊线槽磨损严重,钢线在相邻线槽间移动,造成跳线。由此可见,为了避免跳线,每次切割前要严格检查线网和主辊状况,保证其杂质都被清理干净;钢线张力要根据钢线直径和工作台进给速度合理设定;定期检查更换导轮,保证其导线槽磨损量在合适范围内。

粘胶问题

硅棒与玻璃板粘接时,由于抹胶过多或者刮胶不彻底,导致钢线带胶切割,造成钢线携带砂浆能力下降,形成线痕。此类线痕一般在靠近粘胶面的倒角处。因此抹胶量要严格控制,可以用纸胶带粘于倒角处,待硅棒与料板压紧稳定后,再将胶带撕下,这样就可以防止胶水粘附在硅棒上。

收线弓时产生线痕

在切入玻璃的时候,正在拉线弓,这个时候钢线在两种介质中切割,由于硬度和结构的不同(以金刚石硬度10为准,玻璃硬度为6,单晶硅硬度略逊于金刚石),导轮跳动过大,哪怕一瞬间,产生侧移,就会产生线痕。因为玻璃是非晶体,在600℃左右就会变软。钢线切割到玻璃的时候在玻璃表面会产生大量的热,软化,黏附钢线,砂浆就不易被带入,降低了切割能力,这时也容易产生线痕。

进刀口钢线波动。由于刚开始切割,钢线处在不稳定状态,钢线的波动产生进刀口线痕,进线点质硬,比如多晶的切割一般会有此问题,加垫层(导向条,如石墨,玻璃等)可以使钢线容易切入,消除线摆,消除进刀口线痕。

硬质点线痕

单晶没有硬质点,多晶在铸锭过程中会形成硬质点,切割时会产生硬质点线痕。硬质点的成分为SiC和Si3N4,主要聚集在顶部10mm之内,一般情况下,硬质点线痕比其它线痕有较高的线弓。此线痕与硅片切割的工艺和辅料无关,主要取决于多晶铸锭的原料和工艺。多晶铸锭前须先对坩埚进行氮化硅涂层,若涂层黏结不牢则会在铸锭过程中由于热对流作用而进入硅液,产生硬点,而铸锭多晶回用料处理不净也会有此问题。多晶炉石墨热场配件即为碳部件,铸锭时碳进入硅料,如果某区域碳富集在一定温度下反应则生成了碳化硅,当然也不能排除部分是由于硅原料的问题。减少多晶硬质点的解决方法:在装料后执行严格的开炉程序以排除氧和水分,因为他们可以和石墨反应生成CO溶于硅熔体,使得碳含量增加。将石英坩埚和石墨托隔开或选取适当的气流方式使CO不能到达熔硅表面,减少晶体生长过程中的碳污染。尽量缩短硅锭生长周期,以抑制SiC的长大和聚集,他们在较细小、未聚集的情况下不会对硅片切割造成危害。热场采用二氧化钼涂料进行覆盖。

均匀线痕

此类线痕的表现形式为硅片整片或部分区域的密集线痕。造成此类线痕的原因主要有:沙浆黏度不够、钢线圆度不够、线速过高、钢线张力太大,导致钢线带砂浆能力降低。碳化硅微粉切割强度不够或者圆度系数过高,导致砂浆切割能力下降。工艺参数不合理,砂浆流量过低。由此可见,为了避免此类线痕产生,切割前要仔细检查钢线质量、碳化硅微粉硬度和圆度,切割时使用成熟的切割工艺,确保钢线张力、线速、砂浆流量合理配置。此外,目前很多厂家为了节约成本使用回收砂浆,由于回收砂浆的碳化硅微粉硬度、圆度不稳定,导致重新配比后的砂浆中碳化硅微粉之间、微粉与悬浮液之间存在配合性问题。这种使用回收砂造成的均匀线痕可以通过加大砂浆密度,降低工作台速度,减少使用回收砂的比例和加大砂浆更换量在一定程度上得到控制。

多线切割工艺非常复杂,硅片线痕产生的原因也是多种多样,为了减少线痕片的产生,必须严格保证切割线和碳化硅微粉的质量,砂浆的配置和搅拌要严格按照配置工艺进行,保证其黏度、密度、切割力符合要求;粘胶时注意胶水使用量,避免胶水在硅棒倒角处残留;切割前仔细检查线网和主辊,保证没有杂质附着;砂浆要充分过滤,滤净其杂质;检查张力系统和每个导线轮状态,不过度使用导轮;使用成熟的切割工艺,使钢线走线速度、工作台速度、砂浆流量、钢线张力合理配合。只有这样才能避免或减少线痕片的产生,切出质量合格的硅片。

本文作者:江国中,蒋云龙,王学军本文单位:中国电子科技集团公司第四十五研究所

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