游离-固结复合磨料多线切割硅片的方法及设备与流程

本发明属于半导体材料加工技术领域，具体涉及游离-固结复合磨料多线切割硅片的方法及设备。

背景技术：

硅材料为主体的半导体加工技术是集成电路、电子信息和太阳能光伏等高新技术产业发展的关键技术条件。硅晶体切片是半导体加工产业链的前端工序，其加工能力直接决定后续流程和终端产品的性能品质。为了不断提高终端产品的性能和经济效益，要求硅晶体切片加工技术向大直径、小厚度、高质量、高产能、高效率和低消耗的方向发展。在加工硅晶体直径300mm及以上，和切片切缝120μm及以下的量级上，当前广泛应用游离磨料多线切割技术和金刚石固结磨料多线切割技术。

游离磨料多线切割技术，是利用多道平行金属丝施加锯切动力，悬浮在研磨液中的磨粒作为锯切工具，对硅晶锭进行切片加工。

金刚石固结磨料多线切割技术，是利用多道表面固结金刚石或碳化硅磨粒的平行金属丝直接对硅晶锭进行锯切，同时利用冷却液冷却。

对于游离磨料多线切割技术，因为磨粒游离悬浮在研磨液中，有效切割接触界面很小，致使切割时间长，切割效率相对较低；受锯丝直径的大小、张紧力大小、研磨液密度和粘性等因素的影响，游离磨料切割的硅片表面粗糙度大；使用更细的直径120μm锯丝切割的硅片尺寸偏差往往要高于使用直径140μm的锯丝；游离磨料以脆性模式切割硅晶锭，加工的硅晶体切片表面为各向同性的形貌；而且受研磨液的弹流效应影响使切缝入口、中间和切缝出口磨削程度参差，导致硅晶体切片不同位置质量不一，硅晶片的翘曲度、弯曲度和ttv等面形误差变化较大；这些问题限制了游离磨料线锯切割的应用和发展。

对于固结磨料多线切割技术，磨粒与硅晶锭直接刚性接触，虽然切割效率增加，并且随着锯丝磨损的增加，表现出更好的塑性去除效果，表面裂纹较少，但是表面裂纹较深，晶片的平均断裂强度较低，且锯丝的寿命缩短；另外，固结磨料切割硅片为脆-塑性混合的模式切割，硅晶体切片表面易出现明显平行、深浅参差的切痕；固结磨料锯切硅片弹性模量在平行于线痕的方向更强，垂直于线痕的方向更弱；金刚石固结磨料多线切割锯切的硅片比游离磨料切割的硅片有不可接受的高破损率；固结磨料切割硅晶体切片沿垂直切割纹方向的临界断裂性能是游离磨料切割硅晶体切片的57%，引起固结磨料切割硅片极端脆弱的具体原因现在还不明确；由于这些本质性的弊端，固结磨料多线切割技术无法完全代替游离磨料线锯切割加工。

总体来说，硅片多线切割技术一直向增大加工工件尺寸，切片薄，提高硅片质量的方向发展。对硅晶片产业的主要目标是通过减少总厚度变化和表面缺陷，以改善硅片的表面质量，并通过减少晶片厚度提高生产率。硅晶锭越大，切槽越细，锯丝与硅晶锭的细切缝加长加深，研磨液越不均匀甚至发生断流，将严重影响研磨液作用的充分发挥。半导体硅片产业的发展需求愈发给制造技术带来更大难度，硅片的直径逐渐加大，厚度不断减小，目前的加工方法不能满足硅片的发展要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决硅晶体切片存在的上述问题，提供了一种游离-固结复合磨料多线切割硅片的方法及设备，其技术方案如下：

游离-固结复合磨料多线切割硅片的方法，它包含采用固结磨料多线切割的方法对硅晶锭进行锯切，同时将含有悬浮金刚石磨粒的研磨液喷洒到切割区域；表面固结金刚石磨粒的金属丝在走丝过程中将含有悬浮金刚石磨粒的研磨液带入硅晶锭的切缝中，形成游离磨粒和固结磨粒共同作用，共同对硅晶锭进行锯切，在一次加工过程中将硅晶锭切割成数片。

游离-固结复合磨料多线切割硅片的设备，它包含游离磨料多线切割设备，在游离磨料多线切割设备的全部金属丝表面固结金刚石磨粒。

本发明的有益效果为：本发明融合游离-固结两种磨粒磨削加工的优点，相互弥补了各自的不足；在研磨液流动压力场、速度场的影响下，大幅无序运动的游离磨粒呈现一定的运动规律；硅晶锭具有脆性材料的性质，游离磨粒和固结磨粒对硅晶锭进行双重摩擦耦合磨削，增大金钢石磨粒与硅晶锭的接触面积，增强宏观有效切割性能；加工过程中，游离和固结金钢石磨粒对硅晶锭的接触形式的差异，导致其与硅晶锭撞击方式和次数的差异。降低切削深度是脆性材料提高塑性域加工、减少脆性域加工，从而提交脆性材料加工质量的关键方法。内部能量存储和释放的总和与周期是金钢石磨粒磨削硅晶材料切削深度的成因。固结磨粒对硅晶锭的受力均匀且方向单一，磨削的使用率更高，粘性研磨液的流体性能减少固结磨粒对硅晶锭的平行切割裂纹，增强微观塑性切割性能，并增加断线保护，从而更容易进行有效切割；两种磨粒的耦合切削作用互补，磨粒分布密度更均匀，锯丝使材料去除速率增加，提高切削能力。降低游离磨粒对硅晶锭脆性切割，增加固结磨粒对硅晶锭的塑性切割，使晶片表面裂纹减少，加工精度显著提高，表面质量更好，硅片的破损率降低；

本发明相对与现有加工方法的优势在于：比传统游离磨料硅切片加工的磨粒分布更均匀，有效降低切槽入口处磨粒密度大，摩擦严重，硅片材料各位置加工不均匀的情况；比传统固结磨料硅切片加工中锯丝与工件和磨料的之间粘结材料的接触面积增大。由于粘性研磨液的作用，会使锯丝接触压力下降，防止损断，增加锯丝的寿命；由于加工精度显著提高，所以加工能力增大，可以切割直径300mm以上，厚度120μm以内的硅片；通过磨削参数的匹配与设置，获得切割系统的可控制性，更是硅片切割系统稳定加工的基本保障。

具体来说，浆料中的游离磨粒和在锯丝上固结的磨粒各自以及耦合作用下共同对硅晶冲击、破损、压入、滚切等作用。游离磨粒的轨迹更有序性，增加有效切割力，提高材料切割效应。由此通过研磨液的作用，在固结磨粒对硅晶体进行的脆性与塑性混合切割中，增大塑性域微观加工成分。

晶硅材料切片加工中硅片裂纹损伤和表面质量密切相关，切缝底部和切缝侧面的亚表面裂纹形式和分布的不同，两处硅晶片表面损伤程度有差异。切割槽底部的亚表面损伤裂纹分布密集，而切割缝侧面的亚表面裂纹分布很少。线锯上的金刚石磨粒对硅晶体进行挤压与滑擦，将晶体以脆性方式去除掉。在实际切割中，切缝底部最底处材料去除厚度最高，切缝边界处材料的去除厚度极小，此位置脆性域材料去除可转变为塑性域材料去除。切缝底部是通过材料的脆性去除产生的裂纹，切割缝侧面材料大部分为塑性材料去除方式。还有一部分横向长度大的裂纹在切割缝侧面保留下来，加之切割系统内部微振动，造成晶体侧面的二次去除，在切缝表面形成新的裂纹，并且将原有裂纹扩展，减少切缝侧面塑性域材料去除的比例。浆料流体行为使固结磨粒造成的硅片表面微型沿垂直于切割方向的切割纹减少。固结磨料硅片切割中，锯丝侧面的磨粒使晶体硅形成平行条状且深浅不一的周期分布切割纹，这主要是固结磨料切割硅片表面应力存在张力和压力，以至于其断裂强度低。研磨液浆料对这种现象形成保护作用，通过游离磨料的替代作用，减少硅片表面的裂纹。

硅片游离-固结复合磨料多线切割加工技术属于复合加工，能有效降低宏观切削力，减少切割负载。该方法中硅片表面的线痕、剥落以及损伤层和残余应力有所改善。通过改进切削液成分，提高切割过程中工具载体的作用。进一步优化工艺参数，获得提高硅片加工质量的最佳工作范围，提高加工能力和产品质量，降低成本。

附图说明：

图1是本发明的原理示意图。

具体实施方式：

参照图1，游离-固结复合磨料多线切割硅片的方法，它包含采用固结磨料多线切割的方法对硅晶锭3进行锯切，同时将含有悬浮金刚石磨粒的研磨液2喷洒到切割区域；表面固结金刚石磨粒的金属丝1在走丝过程中将含有悬浮金刚石磨粒的研磨液2带入硅晶锭3的切缝中，形成游离磨粒和固结磨粒共同作用，共同对硅晶锭3进行锯切，在一次加工过程中将硅晶锭3切割成数片。

游离-固结复合磨料多线切割硅片的设备，它包含游离磨料多线切割设备，在游离磨料多线切割设备的全部金属丝1表面固结金刚石磨粒。

游离-固结复合磨料多线切割硅片的方法，所使用的钢丝直径在50至250μm之间；固结在钢丝上的金刚石磨粒的平均粒径为5至30μm之间；固结在钢丝上的金刚石磨粒的间距为其平均粒径的一倍左右，通过镀或焊的参数来调节；受限于切片表面材料移除速度以及磨粒本身大小导致的切削量的影响，锯丝的走丝速度为20m/s左右；所使用的含有悬浮金刚石磨粒的研磨液2，是将平均颗粒直径为5至30μm的金刚石磨粒与聚乙二醇液体按照质量比20%至30%的浓度配比混合，搅拌环境温度大于20℃，小于40℃，搅拌1至2小时，搅拌停止5分钟内浆料没有分层现象，形成均相混合液，是粘性聚乙二醇的金刚石磨粒悬浮液。