电火花线切割加工半导体晶片质量控制
作者：苏州中航长风 | 来源：www.szcfedm.com | 浏览次数：
根据线切割机的工作原理，切片过程中硅片因机械作用造成的刀痕、损伤、破损产生包括机械应力和热经理在内的应力，进而产生滑移位错。当机械应力和热应力在高温处理过程中的作用程超过晶体滑移临界应力时，会产生硅片的破碎。对于翘曲度、弯曲度、总厚度误差、中心厚度误差等方法的质量控制，通过调整线张力、进给速度、冷却剂流量等一系列工艺措施可达到目的及要求，大大降低了生产成本，提高了生产效率。实验证明，线切割机切出的硅片的厚度和质量都很好的满足了下一道工序的要求。
1 引言
在切片过程中硅片因机械作用造成的刀痕、损伤、破损会导致产生包括机械应力和热应力在内的应力，进而产生滑移位错，当机械应力和热应力在高温处理过程中的作用超过晶体滑移临界应力时，会产生硅片的破碎[1]。对于翘曲度、弯曲度、总厚度误差、中心厚度误差等方面的质量控制，可以通过调整线张力进给速度，冷却剂流量等一系列工艺操作来达到目的及要求，它大大降低了生产成本，提高了生产效率，实验证明，线切割机切出的硅片的厚度和质量都很好的满足了下一道工艺的要求[2]。
在硅片加工的过程中，人们越来越多认识到ULSI硅衬底加工过程中消除损伤和应力，去除微粒、边沿和表面的完美性及表面状态等已成为微电子进一步发展的十分重要的因素[3]。
随着改革开放和经济建设的发展，以及竞争激烈的国际市场的需求状况，对硅片加工实现科学控制、确保硅片质量，提高成品率，降低生产成本，增强竞争能力，提高经济效益。加速产品更新技术换代，促进我国工业的技术改造和国民经济向质量效益型转变有着重要的现实意义[4]。
2 实验研究
2.1 线切割机的加工原理
实验设备是MWS－610型线切割机，线切割系统的磨削原理是使用自由研磨剂而非固定的研磨剂，因此往复式切削系统比传统的单向切削系统具有一定的优势。对于同种材料来说，系统可以有更大的行程和线的移动速度，只有通过线的往复运动，才能达到理想的研磨效果。连续的供线系统和旧线回收系统，可以避免线的破损，还可促使线的张紧以保证切削线的刚性，这有利于保持切片精度，同时，最大限度的利用切削线可以有效降低消耗。
金属线和工件间近似点接触状态，成圆弧状进行切割，由于拉力都集中加在接触部，可以进行高精度、高速度切割。金属线从供线轮通过伺服马达控制张力，经过多个导向轮转到摇动头。在槽轮上卷上设定好圈数后，经过多个导向轮，再通过伺服马达控制回收侧张力，由回收拉杆将金属线整齐排在回收轮上。实际转动时，供线轮、槽轮、回收轮一起高速运转。在金属线运行的同时，摇动头带动槽轮作周期性重复摇摆，进行切割。另外加摇摆作用可使旧的砂浆也顺切割线滑出，同时有新的砂浆进入以及也起到了不断研磨硅表面的效果。
2.2 工艺操作步骤
把粘接好的工件固定到机器的工作台上；打开砂浆泵，察看砂浆流量；按照工作台上的回原点键。使工作台、主轴头等回原点；转换到自动切割模式，按自动键开始切割，机器会自动完成整棵单晶的切片工作；最后按停止键停机。
现今线切割的典型翘曲度水平，晶片的"切割翘曲度"参数是受切割设备控制能力所应该，晶片其他参数则和耗材的质量（砂浆和钢线）以及工具等（例如导论开槽精度）有密切关系。
对于太阳能晶片，有两个重要参数：中心厚度误差（TV）和总厚度误差（TTV）；其他重要参数是反映晶片表面质量的表面粗糙度和损伤层。TV是指一批晶片的厚度分布情况（测量每片晶片厚度），而TTV是一片晶片最后和最薄的误差（标准测量是取晶片的边缘上下左右和中心点这5个点。）TV变化通常是因为导轮槽口磨损或机械进给误差造成，TTV变化则可能是导轮磨损或切割效率局部变化引起。
说明改进工艺和优化设备对切割薄片有令人鼓舞的可行性，但是太薄的晶片，在切割时或切割后容易破裂，只有晶片碎片率不增加，或碎片损失不超过切割薄片所节省的材料价值时，才值得推广。
2.3 实验结果
（1）线切割硅片表面的损伤层包括镶嵌层和应力层两部分，晶片表面是镶嵌层，下层为具有较严重损伤的损伤层和应力层。它们的厚度为15～25μm，这是对于整棵单晶切片平均值而言。
（2）线切割的硅片表面损伤层的厚度小于常规内圆切割的硅片表面的损伤层的厚度。
（3）切割各种厚度晶片其对应的TTV变化，全部TTV低于20μm，切割100～200μm薄片和切割大于300μm厚片，TTV并没有显著增加，但是切割薄片时片厚分散度有轻微增加。
（4）半导体晶片关键质量指标：总厚度误差（TTV），翘曲度，弯曲度，以及中心厚度误差（TV）都可以在高成品率下达到生产稳定性和重复性。
3 线切割机工艺改进的几点设想
（1）改进温度控制技术（不仅是砂浆或导轮冷却），以降低机床和晶棒因切割产生热量造成"微量膨胀"的影响。
（2）加强设备刚性和切割区的整体对称性，使"微量膨胀"能够均匀分布，使切出的晶片无论是翘曲度、平整度以及弯曲度这几种常见标准要求在规定范围内。
（3）使用精度更高的轴承系统，增强晶棒锁紧系统，设备振动控制更加有效，以及改进砂浆嘴设计和砂浆供应系统，避免砂浆进入两侧滑轮厢内而导致导向轮的寿命缩短的缺陷，有效控制砂浆嘴的喷砂流量，确保在±1L/min。
（4）主轴头加上摇摆，依据晶棒不同，直径大小，摇摆角度应有所不同，同时线切割的张力依据切割材料以及片厚和直径的不同而应有所改变。
（5）MWS－610线切割机应界面汉化，以利在中国市场的推广。
（6）线切割机的配套材料应尽量国产化，以取代进口，降低成本。
