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半导体知识专题

2022.12.19
半导体知识专题(6):多线切割

   上一期我们为大家详细介绍了晶棒的截断以及外周滚磨。晶棒经过漫长的“长晶”过程生长出来以后,往往是头尾各带有尖端,较为粗壮且长大的状态。这个状态当然是不能直接进入下一道工序的。需要通过截断去除两头的尖端以及检测出来的不合格部分。随后以前道工艺的产品-晶圆的尺寸为基准,需要把晶棒的横截面直径缩小到相同的尺寸范围,达到一定的公差范围要求。这便需要利用磨轮在晶棒的外周进行打磨(滚磨)。

那么,以上的工序都完成的话,这一期我们就接着为大家介绍下一步工序,晶棒的多线切割啦!


什么是晶棒的多线切割?

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   晶棒的多线切割相信大家看上面这个动图就能明白啦。用高刚性的极细切线接触晶棒外周,机器的传动轴带动切线往复运动,从而达成一个精密切割的效果。其实这个过程有些类似于截断,只不过需要把晶棒切得更薄,薄得像一张纸(一般是微米级的),并且切割出来的这张“纸”的表面损伤,异物残留,粗糙度等指标都需要控制在指定范围之内。这便是晶圆最初的样子啦。

 下面咱们专业一点来说 ~ 

 多线切割技术是目前先进的切片加工技术,其原理是切割线通过一组槽轮形成具有不同间距的钢丝网,利用切割线的高速往复运动把磨料带入待切割材料(比如硅棒)的加工区域进行研磨,而待切割工件通过工作台的升降实现垂直方向的进给,以此将工件同时切割成若干个所需尺寸形状的薄片(比如晶圆)。通常多线切割过程中所采用的磨料优选为砂浆,不仅能够帮助研磨,而且还能够在多线切割过程中起到冷却作用。

 随着晶圆尺寸的增加以及切割线线径的减少,在多线切割过程中会出现锯切路径增加、锯口变窄,其切割下来的锯屑(如硅粉等)也很难排除,致使砂浆很难进入切割槽,导致在多线切割过程中所产生的热量无法有效排出,从而晶圆局部过热而产生翘曲,甚至发生断线现象。

 此外,在切割的过程中,切割的深度和横截面都会经历晶棒的最大直径,并且断线现象出现也都是大概率的在晶圆的最大直径的附近位置。

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多线切割的要点

   多线切割目前主流的技术分为砂浆线切割和金刚石线切割。砂浆线切割目前主要应用于硅材料等。而金刚石线切割既可以切割硅材料,也可以用于Sic晶棒的切割。大家知道,Sic是以硅和碳元素为主的第三代化合物半导体材料,碳元素是自然界中已知的元素中第二硬的,第一就是金刚石,所以理论上只有金刚石线可以切割Sic晶棒。

 在2013年之前,光伏硅片切割大多采用游离磨料砂浆切割工艺来切割硅棒。然而,随着金刚石线切割技术的兴起,金刚石线切割快速取代砂浆切割,成为主流的晶棒切割技术工艺。当前,最受光伏行业欢迎的丝绳是钨基金刚石线,那它与砂浆的切割区别是什么呢?

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  从切割方式来看,钨基金刚石线切割是切削加工,类似于磨,即是将金刚石采用粘接和电镀的方式固定在直拉钨丝上进行高速往返切削;砂浆的切割方式是游离式的切割模式,靠悬浮液中的悬浮金刚石粒等,再通过线网的带动,进行磨削切割。

 从切割速度来看,金刚石线的切割速度更快,主要原因是:与砂浆磨料相比,金刚石参与磨削切割的机会更大,而且还能减少了磨料之间的相互作用;金刚石线的金刚石的运行速度与切割线一致,而砂浆的运行速度低于切割线;金刚石的硬度较高,切割能力较强。

 从成品率来看,钨基金刚石线的出片率更高,主要是因为其线径小和破断力高,更不会损伤硅片,同时能降低硅片的损失率。而砂浆在切割硅片时,游离磨料很容易出现聚集的情况,进而导致硅片破碎率和损失率升高。

 从产品质量上来看,使用钨基金刚石线切割的硅片比使用砂浆切割的硅片的质量更高,主要体现在硅片的表面更光滑和厚度更均匀。

 随着光伏硅片薄片化需求不断增加,钨丝金刚石线的发展已成为了必然的趋势。

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多线切割的市场情况

  目前在国内主流的多线切割设备主要来自于三家海外的公司,市场占有率高达95%。由此可见高精度线切机的核心技术目前国内并没有完全掌握,还处在研发和试错的阶段。

 这三家公司分别是瑞士的Meyer Burger(梅耶博格)公司,瑞士的HTC公司以及日本的小松NTC公司。其中,小松NTC公司也是本协会的主要会员之一。

小松NTC多年来为国内外汽车、半导体为代表的各个行业,提供机床、线切割机、车载电池制造设备等多种产品,是全球经济增长不可或缺的力量。作为综合加工设备厂家,小松NTC不懈地追求 “品质与可靠性”,敏锐感知碳中和与半导体需求的时代脉搏,提供用户满意的技术与商品。


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