楊春明

（中國電子科技集團公司第四十六研究所天津300220）

碳化硅粒徑分布對單晶硅線切割的影響

楊春明

（中國電子科技集團公司第四十六研究所天津300220）

利用激光粒度儀和掃描電鏡對切割前后碳化硅粒徑的變化及切割后硅片的形貌進行表征，研究不同粒度分布的碳化硅磨料對線切割硅片表面損傷的影響。實驗結(jié)果指出粒度分布不均引起的局部切割堵塞而導(dǎo)致的垂直于切割方向的左右側(cè)滑振動，是導(dǎo)致表面損傷的主要原因，并且當碳化硅的粒度分布窄時，線切割硅片表面損傷層淺、表面粗糙度小。

磨料；碳化硅；粒徑分布；線切割

隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，硅片的需求量越來越大，同時對硅片的直徑、厚度和表面質(zhì)量等有了更高的要求，而硅片多線切割在整個加工過程中起著至關(guān)重要的作用。多線切割機用來切割晶體、陶瓷等硬脆性材料是硅片的主要切割設(shè)備。當前，多線切割中廣泛使用的線鋸，仍然以游離磨料線鋸為主。碳化硅微粉由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、硬度高、耐磨性能好等優(yōu)點，作為一種游離磨料廣泛應(yīng)用于多種硬脆材料的切片加工過程［1］。以碳化硅微粉作為主要切削介質(zhì)的游離磨料線切割技術(shù)在太陽能級硅片的加工領(lǐng)域應(yīng)用日益完善［2］。為了進一步提高硅片的成品率，碳化硅粒徑分布對單晶硅線切割的影響研究逐步引起了人們的重視。

多線切割中使用的是切割液和碳化硅混合成游離態(tài)穩(wěn)定懸浮劑——砂漿，其在切割過程中起主要作用。砂漿是被切割線的往復(fù)運動帶到切割區(qū)域，碳化硅顆粒在切割線高速運動下，通過滾壓、鑲嵌、刮擦過程完成切割。對于硅片表面的損傷機理研究，中外學(xué)者側(cè)重于切割線的振動、線的張力、液膜的厚度等方面，而沒有涉及到磨粒的粒徑分布影響。本文著重研究磨粒切割前后的粒徑分布變化，結(jié)合不同粒徑碳化硅切割實驗硅片的表面損傷結(jié)果，提出單晶硅片切割對碳化硅磨粒的具體要求。

圖1　線切割工藝過程及切割線夠造示意圖

1　多線切割工藝過程及切割原理

多線切割機的整個系統(tǒng)由供線輪、收線輪、供給張力滑輪、回收張力滑輪、供給載荷傳感器滑輪、線速傳感器滑輪、轉(zhuǎn)向輪和工作導(dǎo)輪組成，切割過程在工作導(dǎo)輪上完成。切割線在工作導(dǎo)輪上纏繞相互平行的線網(wǎng)，切割線以一定的速度往復(fù)運動，游離態(tài)砂漿在硅棒的兩側(cè)均勻供給到線網(wǎng)上，并在線網(wǎng)上形成一層液膜。液膜的表面張力使砂漿裹覆在線網(wǎng)上，在線網(wǎng)的高速往復(fù)運動下，砂漿被帶到切割區(qū)域，研磨顆粒碳化硅與硅棒表面高速磨削。碳化硅的硬度遠大于硅棒，所以硅棒與線鋸接觸區(qū)被逐漸磨削掉，磨掉的硅屑和產(chǎn)生的熱量被砂漿帶走，保持切割的持續(xù)進行和工作區(qū)的穩(wěn)定［3］。

2　實驗部分

2.1實驗設(shè)備及材料

實驗主要設(shè)備為NTC多線切割機、LS-pop（8A）型激光粒度儀和CF一35掃描電鏡（SEM）。實驗材料為水溶性聚乙二醇（PEG）切削液和1 500#綠色碳化硅。為了考察碳化硅粒徑分布對硅片切割質(zhì)量的影響。選取如表1中所示的兩種粒徑分布不同的碳化硅磨料做切割實驗。實驗的切割參數(shù)為：切割線徑為0.12 mm，單晶直徑為76 mm，送線速度為11 m/s，切割速度為0.32 mm/min，切割線張力為25 N，砂漿配比為1∶1.19。

表1　碳化硅粒徑分布表

2.2切割實驗步驟

（1）分別采用1#、2#砂，按照表中砂漿配比配成切割液，在砂漿罐中攪拌12 h，使砂漿分布均勻；

（2）砂漿送至NTC多線切割機臺切割硅棒，切割工藝參數(shù)按表2中設(shè)定，各切割5根硅棒；

（3）切割完畢，洗滌、檢測硅片幾何參數(shù)硅片厚度誤差δ、彎曲度ε、翹曲度σ，并統(tǒng)計成品率。

（4）使用激光粒度儀分別檢測切割前后兩種粒度分布不同碳化硅磨料的粒度分布及累積分布。

（5）對比1#、2#砂切割出的不合格硅片，進行掃描電鏡（SEM）觀察。

3　結(jié)果分析

圖2為切割前、后碳化硅砂漿的粒徑分布。可以看出：1#碳化硅粒徑分布較為集中，d50μm±2 μm區(qū)域累積了體積分數(shù)為91%的碳化硅顆粒，d0及d94和d50都較接近，整體砂漿中碳化硅顆粒大小比較均勻。2#碳化硅砂漿粒徑分布較為分散，大顆粒和小顆粒所占體積分數(shù)達30%左右，粒徑不均勻。從切割完畢檢測的碳化硅粒徑分布看：5～20 m區(qū)間為碳化硅顆粒粒徑分布，0.2～2.5 m區(qū)間為斷裂的碳化硅和切割過程中產(chǎn)生的硅粉顆粒的粒徑分布，2#碳化硅顆粒中大于12 m區(qū)域的顆粒累積分數(shù)明顯減小，0.2～1.5 m區(qū)域的顆粒累積體積分數(shù)高于1#碳化硅。1#、2#碳化硅切割后呈現(xiàn)非常相似的粒徑分布狀態(tài)，切割過程中2#碳化硅粒徑變化較大。結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析推測，2#碳化硅中大顆粒在切割過程中發(fā)生破碎，使其顆粒粒徑分布在切割后變窄。

圖2　切割前、后碳化硅的粒徑分布

表2為l#、2#砂漿切割晶片的幾何參數(shù)及成品率統(tǒng)計數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯涸谄渌懈顓?shù)相同，只改變砂漿粒徑分布的條件下，晶片的幾何參數(shù)和成品率都會發(fā)生變化，也就是說，在同等條件下，砂漿粒徑分布越集中，顆粒大小越均勻，切割出晶片的幾何參數(shù)越好，成品率越高。

表2　切割硅片的幾何參數(shù)及成品率

2#碳化硅磨料產(chǎn)生的次品硅片對比1#磨料主要現(xiàn)象是有大量重線痕和大的凹陷坑，由圖3硅片表面SEM圖像可看出。圖4是硅片局部放大的SEM圖像，可以看到大顆粒碳化硅在切割過程中發(fā)生斷裂，碎屑殘留鑲嵌在硅片上.這在圖4的重線痕處表現(xiàn)尤為突出。

圖3　碳化硅磨料切割硅片表面損傷SEM圖像

圖4　SiC斷裂嵌入硅片SEM圖像

4　結(jié)論

通過切割實驗前、后碳化硅粒徑的變化及切割后硅片的形貌表征分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）碳化硅粒徑分布對單晶硅片線切割有較為重要的影響，粒徑分布過寬，在切割過程中就會造成局部切割堵塞現(xiàn)象，硅片表面出現(xiàn)較重線痕。因此宜選擇粒徑分布集中的碳化硅顆粒來配制切割砂漿，完成切割過程。

（2）單晶硅片的切割過程中垂直于切割方向的左右側(cè)滑振動是造成硅片表面損傷的另一個重要原因。減少切割線切割過程的振動，可有效降低碳化硅顆粒及切割線對硅材料造成的局部硬損傷，提高硅片的成品率。

［1］SCOTT J F.Multiferroic memories［J］.Nat Mater，2007，（6）：256.

［2］夏海良.半導(dǎo)體器件制造工藝［M］.北京：電子T業(yè)出版社，1985.

［3］ZHENG H，WANG J，LOFLAND S E，et a1.Multiferroic BaTiO3-CoFe204 Nanostm～ures［J］.Science，2004，303：661.

［4］孫守振，王林勇，奚西峰.碳化硅粒徑分布對單晶硅線切割的影響［J］.中國粉體技術(shù)，2011，17（1）：52～54.

The Influence of SiC Particle Size Distribution on Monocrystalline Silicon Multi-wire Saw

YANG Chunming
（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220，China）

This paper mainly uses laser particle analyzer and SEM to characterize the SiC size changes and wafer surface topography，which could research the effect of SiC size distribution on the wafer surface damage.The results show that the main reason of surface damage is inhomogeneity of size distribution，which leads to wire shake in the vertical direction.The surface damage and roughness would be small when the SiC size distribution is narrow.

Abrasive；SiC；Size distribution；Multi-wire saw.

TN305.1

A

1004-4507（2016）01-0024-03

2015-10-18