硅片切割技术的现状和发展趋势

硅片切割技术的现状和发展趋势

摘要:随着半导体行业的发展,硅片的切割成为半导体应用时的一个必要环节,本文简介多线硅片切割和太阳能级硅片切割的机理以及特点,介绍国内外硅片切割技术的研究现状,同时对这一领域的发展趋势作出展望。

关键词:半导体 硅片切割 太阳能级 1、引言

随着半导体技术的飞速发展,工业上或是实验室制造的半导体硅片不仅直径不断增大,而且对厚度有着越来越严格的要求。制造直径大而且超级薄的硅片是工业生产上和实验室研究中追求的目标。因此对于硅片的切割技术有着越来越严格的要求。切片是硅片的制备过程中一道至关重要的程序,切割的好坏直接会影响到硅片的表面晶向以及粗糙程度等,而且对于前文以及的硅片的厚度有着至关重要的影响。因而最终影响到硅片的品质以及成品率。

在这种对于硅片切割的高要求的驱动下,现今切割技术正在不断改进,很多新型的硅片切割技术陆续被提出并得到广泛应用,后文将提及的太阳能级硅片切割技术以及硅片多线切割技术就是应用很广的两种硅片切割重要手段。

2、硅片多线切割技术简介 2.1 宏观机理

从硅片多线切割设备的宏观机理简图看待切割的晶棒由玻璃板固定于不锈钢的工件上,然后放在切割机的相应部位上,导轮经过开槽工艺来对对精密线槽进行处理,钢线有序的缠绕在四个导轮上形成了上下两个互相平行的线网。当发动机带动导轮开始旋转时,导轮也带动线网移动,线速一般可达15m/s左右。当将砂浆均匀喷洒在线网上时,砂浆将随着切割线进入单晶棒,从而进行切割作业。切割晶棒的最大直径将会受到导轴之间的空间大小的限制,一般的这种切割装置的适用于切割7英寸左右的晶棒。

2.2 微观机理

硅片多线切割的微观机理看出碳化硅和砂浆的悬浮液填充于切割线和单晶表面,使得单晶棒向着切割线的方向移动,同时切割线也发生了弯曲,弯曲角度一般在5度以内。在接触的不同区域,由钢线造成的压力是不相同的,在其正下方可以达到最大值。在钢线的横向震动中,会使得晶棒受到来自钢线的横向压力,这将最终影响硅片切割好坏,因此,采取有效的方法来控制钢线张力,减小钢线震动是硅片的多线切割的一项重要指标。

2.3 工艺过程分析

硅片多线切割设备的控制方式主要有工业控制计算机、运动控制卡、控制放线电机、放线收线导向移动电机、启动和停止运转以及工作台驱动电机调节等。工作时,首先从张力传感器取样,之后进行测试和计算后得到输出指令用于控制各路的电机运转。设定切割模式,检测切割的条件并且调节各路电机的运转情况以及砂浆流量和温度。理论上计算切割过程主要涉及到槽距以及理论切片的数量,其公式为:

式中:D代表槽距,为钢线直径,表示金刚砂的直径,T为硅片的厚度,f是游移量。

从而得到理论切片数量:

其中L表示单位质量的单晶有效长度,D与上式相同,表示槽距。

3、太阳能级硅片切割技术 3.1 切面表面特征

用太阳能级硅片切割技术切割的硅片实物可以看到硅片的表面质量要优于其他技术得到的切割硅片,没有任何条纹之类的损伤,用粗糙度仪检测得到,小其表面的粗糙度在3.2,将用此方法得到的硅片进行抛光后表面全局平整度将小于2,硅片表面的翘曲度小于30。

3.2 切割效率

一般情况下,太阳能级硅片切割采用的是放电切割,而放电加工效率和平均加工电流成正比。用复合工作液作为工作介质进行试验,维持极板间良好的放电状态,使得放电过程稳定,试验结果显示,形成单片完整的切割硅片所用时间为145分钟左右,加工效率约为108mm2/min。

3.3 切片厚度

此种切割技术属于无宏观机械切削力的硅片切割工艺,所以从理论上来讲,切割硅片可以是无限薄的,具体试验中其厚度也一般在120一下,这是传统的切割工艺无法达到的。因而达到了太阳能级硅片的薄片切割,这样就节省了硅片原材料,使得太阳能电池的制造成本大大降低。

4、发展现状

随着工业应用上对硅片的越来越多的要求,硅片切割技术一直在不断的更新,上文提及的现在广泛使用的多线硅片切割和太阳能级硅片切割技术就是两个典型例子。

4.1 国外发展现状

由于这种切割设备是大型精密数控机床,存在着控制系统复杂、技术难度较大的特点。因而,现今目前知名的生产厂家主要分布在发达国家和地区,比如瑞士的Meyer Burger公司、HCT公司、日本的Takatori公司和NTC公司。

目前Brick Master系列采用了可拨出的切割单位,节省了大量的换线清洁的时间,使得效率大大提高,产能也随之提高了10%,是目前硅片多线切割的前沿产品之一。它所生产的多线切割技术设备主要有DS261,DS264,DS265,DS271。其中在半导体多线切割领域占有重要地位的是DS261,主要应用于获得12英寸的硅片。其优点有快速高效,良好的表面质量以及工件导向较为完整等。DS265的效率较高,质量也较好,并且操作简单,因而为用户增加了可供选择的功能。用户可以根据自己的需要来对金刚石线钜或是砂浆进行选择,而且这种机型还可以快速的转换为小批量的生产。DS271是DS系列的巅峰之作,它的装载长度可达1020mm,即可以同时对四根长度为250mm的晶棒进行切割,从而使得产量大大的提高,适用于光伏产业对于硅片的高质量、高产量的要求。

4.2 国内发展现状

我国的半导体切割技术的发展相对于国外起步较晚,现今国内这一领域领先的主要为四十五所自主研发的DXQ-601型多线切割机。这种设备具有手动和自动的功能模式;而且是用热交换机来控制砂浆的温度的,因而温度控制很准确,确保硅片能精确切割;运用张力传感器和伺服电机闭环控制使得加工精度进一步得到提高。我国正不断加紧这方面的研究和试验,争取早日与国际水平接轨。

参考文献

[1]王仲颖,任东明,高虎.中国可再生能源产业发展报告[R].北京:化学工业出版社,2009.

[2]张阙宗.硅单晶抛光片的加工技术[M].北京:化学工业出版社,2005,99-101.