多线切割工艺对研磨去除量的影响
康洪亮
【摘 要】本文简单的介绍IC级晶锭FAEMS的原理，及与FAMS[1]在硅片总厚度差 翘曲度 表面质量的对比试验，验证加入电解后，FAEMS可以更好的改善切割工艺，提高加工质量和效率。
【关键词】游离磨料；多线切割；电解；总厚度差；翘曲度；表面质量
1 实验简介
硅片游离磨料电解磨削多线切割（Freeabrasive electrochemical multi-wire sawing，FAEMS）是在机械磨削的基础上复合了电化学作用，能够显著降低宏观切削力，减少硅片表面损伤层，有利于实现大尺寸超薄硅片加工。本文将从材料去除机理和实验验证上，介绍FAEMS在加工尺寸精度和表面质量等方面所取得的一些研究进展。
2 实验原理
FAEMS是在现有游离磨料多线切割的基础上，在硅锭与切割线间加上连续或脉冲电源，利用切削液的弱导电性产生微区钝化或腐蚀，在机械磨削的同时复合电化学腐蚀，FAEMS属于复合加工方法，该方法以机械磨削为主，电化学作用为辅。其中，电化学作用有利于机械切削力的减小，切割产物兼具磨料作用，可以降低断丝几率，提高硅片切割效率；机械磨削作用有利于电化学钝化（或腐蚀）的持续进行，硅片机械损伤层更薄，表面完整性好，减少了后续减薄量，提高了材料利用率。切割过程中，硅锭和切割线分别连接到电源的正极和负极，构成电化学反应的阳极和阴极，产生微弱的电化学反应，在硅锭的表面形成钝化膜。钝化膜不断被快速移动的切割线夹带的磨料刮除；露出新鲜表面后，继续发生电化学作用，材料去除过程不断重复。钝化膜是在阳极电场的作用下，硅基体材料和切削液中存在的氧元素发生阳极氧化反应形成的，主要成分是硅的氧化物。其结构疏松多孔，相比于新裸露的硅基体硬度较低，易于切割，降低了宏观切削力，磨削加工更易进行，残余应力更小。
试验时电源正极采用专用进电方法连接到硅锭，负极通过碳刷或专用进电工具连接到切割线。在开展对比试验时，FAEMS的各项工艺参数与FAMS保持一致。
3 实验设备与材料
MWM442DM 多线切割机，5英寸N<111>硅锭若干，MS103测试仪一台，导电碳/银浆，导线若干， 贵金属电镀脉冲电源，导电块，
4 实验数据与结果
硅片的表面完整性评价指标主要包括几何加工参数TTV 、WARP、硅片表面质量以及亚表面质量等方面。采用单一变量法进行实验。
4.1 几何加工参数
4.1.1 硅片厚度与 TTV
统计的FAMS（FAMS）的有效片数（572-584um，TTV≦20 μm，WARP≦40μm）是704 片，平均厚度为 581.62 μm，平均 TTV 为 4.26μm；统计的FAEMS（FAEMS）的有效片数（572-584um，TTV≦20 μm，WARP≦40μm）是683片，平均厚度为 580.62 μm，平均 TTV 为 3..54μm。FAEMS的TTV 相比于FAMS略有减小，且 TTV分布区间也有差异。从统计结果可以得出，FAMS的 TTV 值集中区间在 4-5 μm，而FAEMS的TTV 值集中于 3-4 μm 之间，比FAMS的厚度误差范围小。这是因为FAEMS复合了电化学作用，生成易于切割的钝化层，降低了宏观切削力和切割负载，减小了因切割阻力大引起的切割线的震颤，进而降低了 TTV。
4.1.2 WARP统计与分析
翘曲度（WARP）是反映硅片变形和残余应力的一个重要指标，尤其是随着硅片尺寸的不断变大，硅片弯曲和翘曲更加严重，所以对翘曲度的要求也越来越高。对FAEMS和FAMS硅片的WARP统计发现，FAMS硅片的平均Warp为 18.12 μm，Warp主要分布在 15～24 μm 之间，而FAEMS硅片的平均Warp为 14.38 μm，主要分布在 10～19 μm之间，其均值和分布区间均优于FAMS。FAEMS对硅片Warp的改善与其加工机理密切相关。硅片的残余应力影响翘曲度，FAMS完全依靠机械磨削，在加工过程中极易发生加工硬化产生残余应力；而FAEMS的加工机理不同，在机械磨削的同时复合电化学加工，能有效的降低切割负载，减少加工硬化的出现，减少残余应力，所以FAEMS的硅片Warp有明显改善。
4.2 表面质量检测与分析
切片后的硅片的表面质量与缺陷主要包括：线痕、孔洞、裂纹、暗裂、颗粒剥落、崩边，杂质分布等等[2]。
4.2.1 对其进行表面残余杂质分析
硅材料在制造过程中需严格控制杂质含量，否则杂质原子会与结晶学缺陷相互作用，形成少数载流子的复合中心，大大减小扩散长度。取清洗洁净后的FAEMS硅片，对其表面进行 EDS 检测，从能谱图中可以看出FAEMS硅片表面只含有 Si 一种元素，并未引入其他元素。
4.2.2 亚表面损伤检测与分析
多线切割时切割线带动磨粒切削，引起硅片亚表层产生横向裂纹和中位裂纹，形成损伤层。由于损伤层的存在，在硅片的亚表面会出现隐裂、凹坑、孔洞、划痕等缺陷，而这些缺陷会对硅片后道工序产生不利影响。硅片在碱溶液中各向异性腐蚀，但是由于硅片表面存在的损伤区域反应活性高，缺陷周围存在的局部应力场使腐蚀速度加快， 出现速率差，缺陷处与完美处形成明暗对比，硅片表面部分损伤层被去除后，暗裂、微裂纹、微沟槽等缺陷显现出来。将FAMS的硅片和FAEMS的硅片置于 80 ℃恒温质量分数为 20%的 NaOH 溶液中腐蚀 20 min，去除部分损伤层后在显微镜下观察两种样片的微观结构。FAMS的硅片经腐蚀处理后亚表面形貌，可以看到其表面存在微裂纹和较深的沟槽，这些缺陷既影响电池片的光电转换效率，又容易引起碎片，影响使用寿命。FAEMS的硅片经腐蚀处理后亚表面形貌，其表面损伤基本平坦均匀匀，无明显的沟槽和裂纹，在后續工序中也不易引起碎片。
5 结论
FAEMS方法加工的硅片的 TTV 和 WARP 均优于FAMS的硅片。因为FAMS是依靠机械磨削“冷”加工来制造硅片，属于非刚性切割，在切割过程中切割线必然产生变形从而不断产生瞬间的冲击作用；而FAEMS属于复合加工，能有效降低宏观切削力，减少切割负载。FAEMS方法由于在机械磨削的同时复合了电化学作用生成了易于切割的钝化层，对硅片表面的线痕、剥落以及损伤层都有一定的改善作用。此外 FAEMS法硅片的表面损伤层更薄。
在后续的工作中将结合游离磨料和固结磨料两种切割方法，进一步研究电解磨削多线切割对位错、残余应力的影响；同时，通过改进切削液成分，提高切割过程中的电化学作用，施加磁场等进一步完善工艺，提高质量，降低成本。
【参考文献】
[1]康自卫，王丽.《硅片加工技术》化学工业出版社，2010.
[2]张厥宗.硅单晶抛光片的加工技术[M].北京：化学工业出版社，2005.
[责任编辑：张涛]
