硅片切割技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1、硅片切割技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)中國(guó)新能源網(wǎng) | 2008-7-30 9:31:00 | 新能源論壇 | 我要供稿特別推薦：生物質(zhì)能源技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集征訂摘要：隨著全球各國(guó)綠色能源的推廣和近年來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的超常規(guī)發(fā)展，硅片市場(chǎng)的供需已極度不平衡，切割加工能力的落后和產(chǎn)能的嚴(yán)重不足已構(gòu)成了產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸。作為硅片(晶圓) 上游生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)崛起的新型硅片多絲切割技術(shù)具有切割表面質(zhì)量高、切割效率高和可切割大尺寸材料、方便后續(xù)加工等特點(diǎn)。由于驅(qū)動(dòng)研磨液的切割絲在加工中起重要作用，與刀損和硅片產(chǎn)出率密切關(guān)聯(lián)，故對(duì)細(xì)絲多絲切割的研究具有迫切與深遠(yuǎn)的意義。關(guān)鍵詞：晶圓，多絲切割，細(xì)絲，產(chǎn)出率，切削量0

2、 引言： 硅片切割是電子工業(yè)主要原材料一硅片(晶圓)生產(chǎn)的上游關(guān)鍵技術(shù)，切割的質(zhì)量與規(guī)模直接影響到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的后續(xù)生產(chǎn)。在電子工業(yè)中，對(duì)硅片的需求主要表現(xiàn)在太陽(yáng)能光伏發(fā)電和集成電路等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上。 光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料光生伏打效應(yīng)原理直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。資料顯示，太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.61012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。隨著全球礦物資源的迅速消耗，人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，充分利用太陽(yáng)的綠色能源被高度重視（圖1.1為近年來(lái)全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量），發(fā)展勢(shì)頭及其迅猛。 晶體硅片是制

3、作光伏太陽(yáng)能電池的主要材料，每生產(chǎn)1MW的太陽(yáng)能電池組件需要17噸左右的原料。Clean Edge 預(yù)計(jì)，全球太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)的規(guī)模將從2005年的110億美元猛進(jìn)增到2015年的510億美元，以芯片著名的“硅谷”將被“太陽(yáng)谷”所取代。顯然太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展需要更多的硅原料及切割設(shè)備來(lái)支撐。 除太陽(yáng)能電池外，硅片的巨大需求同樣表現(xiàn)在集成電路等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上。硅占整個(gè)半導(dǎo)體材料的95%以上，單晶硅片是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的關(guān)鍵性基材，是當(dāng)之無(wú)愧的電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)支撐材料。2005年我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)消耗的電子級(jí)多晶硅約1000噸，太陽(yáng)能電池多晶硅約1400噸；2006年，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)消耗的電子級(jí)多晶硅約

4、1200噸，太陽(yáng)能電池多晶硅約3640噸。預(yù)計(jì)到2010年，電子級(jí)多晶硅年需求量將達(dá)到約2000噸，光伏級(jí)多晶硅年需求量將達(dá)到約4200噸。隨著全球各國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，綠色能源的推廣和近年來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的超常規(guī)發(fā)展，硅片市場(chǎng)的供需已極度不平衡。硅原料的供不應(yīng)求，切割加工能力的落后和嚴(yán)重不足構(gòu)成了產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)太陽(yáng)能和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，未來(lái)的3至5年間，將是中國(guó)晶硅產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的黃金時(shí)期。1硅片切割的常用方法： 硅片加工工藝流程一般經(jīng)過(guò)晶體生長(zhǎng)、切斷、外徑滾磨、平邊、切片、倒角、研磨、腐蝕、拋光、清洗、包裝等階段。近年來(lái)光伏發(fā)電和半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)硅片的加工提出了更高的要求

5、(圖1.2)：一方面為了降低制造成本，硅片趨向大直徑化。另一方面要求硅片有極高的平面度精度和極小的表面粗糙度。所有這些要求極大的提高了硅片的加工難度，由于硅材料具有脆、硬等特點(diǎn)，直徑增大造成加工中的翹曲變形，加工精度不易保證。厚度增大、芯片厚度減薄造成了材料磨削量大、效率下降等。 硅片切片作為硅片加工工藝流程的關(guān)鍵工序，其加工效率和加工質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)硅片生產(chǎn)的全局。對(duì)于切片工藝技術(shù)的原則要求是：切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋。提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗。提高切割速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割。 目前，硅片切片較多采用內(nèi)圓切割和自

6、由磨粒的多絲切割(固定磨粒線鋸實(shí)質(zhì)上是一種用線性刀具替代環(huán)型刀具的內(nèi)圓切割)。內(nèi)圓切割是傳統(tǒng)的加工方法（圖1.3a），材料的利用率僅為4050左右；同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)限制，內(nèi)圓切割無(wú)法加工200mm以上的大中直徑硅片。（a）為內(nèi)圓切割 （b）為多絲切割 圖1.3 多絲切割與內(nèi)圓切割原理示意圖 多絲切割技術(shù)是近年來(lái)崛起的一項(xiàng)新型硅片切割技術(shù)，它通過(guò)金屬絲帶動(dòng)碳化硅研磨料進(jìn)行研磨加工來(lái)切割硅片（圖1.3b）。和傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割相比，多絲切割具有切割效率高、材料損耗小、成本降低(日進(jìn)NWS6X2型6” 多絲切割加工07年較內(nèi)圓切割每片省15元)、硅片表面質(zhì)量高、可切割大尺寸材料、方便后續(xù)加工等特點(diǎn)(見表1

7、.1)。特點(diǎn)多絲切割內(nèi)圓切割切割方法研磨磨削硅片表面特征絲痕斷裂&碎片破壞深度(um)5-1520-30生產(chǎn)效率（cm2/hr）110-20010-30每次加工硅片數(shù)200-4001刀損(um)180-210300-500硅片最小厚度(um)200350可加工硅碇直徑(mm)300Max 200表1.1：內(nèi)圓切割與多絲切割的對(duì)比2 切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)： 作為一種先進(jìn)的切割技術(shù)，多絲切割已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割成為目前硅片切片加工的主要切割方式，目前，瑞士HCT公司，Meyert Burger公司，日本Takatori（高鳥）等少數(shù)著名制造廠商先后掌握了該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并推出了相應(yīng)的多絲切割機(jī)床

8、產(chǎn)品，尤其是大尺寸的切割設(shè)備。圖1.4：線鋸切割斷面的幾何參數(shù)在上游原材料加工產(chǎn)能受限的今天，一方面由于多絲切割的刀損（圖1.4）在材料加工損耗中占有較大的比例（有時(shí)可達(dá)到50%以上），且材料的切屑粒微小、共存于研磨液中，造成切割效率下降。另一方面由于將研磨粒與其分離成本較高，實(shí)施較難。故減小晶片的厚度（提高單位材料的產(chǎn)出率），減小切割的刀損（提高原材料的利用率），提高磨粒的利用率（降低加工成本），已成為迫切的要求。EPIA國(guó)際委員會(huì)統(tǒng)計(jì)分析后給出的預(yù)言指出，未來(lái)的15年內(nèi)，晶片的厚度和切割絲直徑將減少一半（表1.2）。表1.2： EPIA國(guó)際委員會(huì)統(tǒng)計(jì)分析后給出的預(yù)言如以目前用的切割絲直徑d

9、分析（設(shè)刀損為2*d，硅碇總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，晶圓厚度為H），可得以下計(jì)算公式：1硅片產(chǎn)出率：ld mm鋼絲：切割晶片數(shù)=mm鋼絲：切割晶片數(shù)=單一硅錠的產(chǎn)出率變化：2硅片切削量：ldmm鋼絲：切削量=切割晶片數(shù)mm鋼絲：切削量=切割晶片數(shù)單一硅錠的切削量變化：3切割鋼絲張力：ldmm鋼絲：鋼絲截面積mm鋼絲：鋼絲截面積由于鋼絲張力比=鋼絲截面積比；張力變化： 得到結(jié)論：鋼絲的張力-75% 以NISSIN的NWS62型多絲切割機(jī)為例，可同時(shí)并列一次切割2支6”（152mm x 230mm）的硅晶棒或1支12” 的硅晶棒，采用0.16mm的鋼絲，實(shí)際加工測(cè)得的絲損約為0.02mm，切割晶片厚度為0.2m

10、m共900余片（或450余片）。如將鋼絲由0.16mm 減至0.08mm（刀損設(shè)定為直徑*2），根據(jù)上述公式，可得如下結(jié)果：?jiǎn)我还桢V的產(chǎn)出率變化：?jiǎn)我还桢V的切削量變化：張力變化： 由此可見，當(dāng)切割硅碇的鋼絲直徑減半后（由原來(lái)的0.16mm 減至0.08mm），單一硅碇的硅片產(chǎn)量將提高44.4%，切削量將下降27.8%，切割絲控制張力按要求下降75，單位硅材料的損耗將大幅下降，晶圓的產(chǎn)出率大幅提高。因此細(xì)絲線鋸是眾多學(xué)者努力的方向，對(duì)細(xì)絲多絲切割的研究具有迫切與深遠(yuǎn)的意義。3 結(jié)論： 硅片切割是電子工業(yè)主要原材料一硅片(晶圓)生產(chǎn)的上游關(guān)鍵技術(shù)，切割的質(zhì)量與規(guī)模直接影響到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的后續(xù)生產(chǎn)。在電子工業(yè)中，對(duì)硅片的需求主要表現(xiàn)在太陽(yáng)能光伏發(fā)電和集成電路等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上。隨著全球各國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，綠色能源的推廣和近年來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的超常規(guī)發(fā)展，硅片市場(chǎng)的供需已極度不平衡。 多絲切割作為一種