精细切割之道：如何减少单晶硅切割中的脆性裂纹

DT半导体材料 2024-10-31 18:02

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单晶硅作为一种主流半导体材料，广泛应用于大规模集成电路（IC）、高效太阳能电池、微机电系统（MEMS）以及高性能半导体器件等领域。由于其脆性、高硬度和低韧性，单晶硅的加工难度较大。目前普遍采用电镀金刚石线锯（DWS）进行切割，如下图所示：单晶硅棒沿垂直方向进给，由锯线切割成薄片。锯线拉力将金刚石颗粒嵌入单晶硅，通过锯线的运动实现材料去除。切割过程中，不同角度的金刚石颗粒受力差异明显，导致材料去除效果不一，产生大量微裂纹，形成次表面损伤（SSD），不仅影响晶片表面质量，还可能加剧裂纹扩展，导致晶片损耗。

电镀金刚石线切割单晶硅示意图，(a)多线切割硅棒示意图，(b)锯丝切割截面示意图图源：公开网络

在DWS生产中，锯切工艺参数对单晶硅表面质量起着关键作用。这些参数包括锯线速度、进给速度和颗粒半角等。研究人员对此进行了大量研究。Wang等人在单晶硅（110）晶面上进行了高速划痕实验（1 mm/min ≤ vs ≤ 25 m/s），发现较高速度能减少韧-脆转变深度，但更易产生缺陷。Zhang等人通过有限元模拟分析了划痕过程中韧-脆转变深度，并确定了适用于延展性加工的最佳工具半角。Yao等人建立计算模型，研究不同晶向划擦Si（100）平面的应力分布，并分析了裂纹的成核与扩展模式。Liu等人建立数学模型评估次表面裂纹损伤深度，实验表明锯线速度（0.8至1.5 m/s）和进给速度（6.25至12.5 μm/s）对微裂纹深度有显著影响。T Rabczuk等人提出了无网格粒子法模拟裂纹扩展，利用局部丰富的符号函数模拟裂纹生成，适用于大变形及非线性材料。

尽管这些研究在特定方面取得了重要成果，但其研究条件与当前工业切割参数仍存在一定差距，且对金刚石颗粒角度的影响分析较少。为进一步优化单晶硅的切割工艺，河北工业大学的研究人员首次研究了金刚石颗粒角度对晶片的影响，探讨了不同角度的金刚石颗粒在切割过程中的内部应力作用。通过采用最新的多线切割工艺参数，结合SEM观察分析不同切割工艺对硅片损伤规律的影响。

单晶硅切割实验

为验证不同切割工艺对硅片表面形貌和裂纹的影响，科研人员在JSG生产的多线切割机上进行了金刚石线锯切割硅片的实验，如下图所示。为减少其他因素的干扰，实验过程中仅改变进给速度，其他参数保持不变。线锯的最大速度设置为35 m/s，并保持一段时间，而进给速度范围在2.5 mm/min至3.5 mm/min之间。金刚石线沿单晶硅（100）晶面切割，冷却液温度设定为22℃，使用线径为45 μm、颗粒密度为120/mm²的钢丝，线张力为2.6 N，硅棒尺寸为210 mm×210 mm的方形棒材。

单晶硅多线切割实验设备：(a) 切割实验设备，(b) 参数操作界面图源：公开网络

切割完成后，采用线速35 m/s和不同进给速度下的硅片样本进行取样。使用S-4800扫描电子显微镜对样品表面形貌进行观察，放大倍率为20,000倍。同时，对切割过程中出现异常的硅片及切割前后的锯线进行扫描电子显微镜分析，以获得表面形貌信息。

结论

1.当颗粒半角从50°增加到75°时，单晶硅在拉应力和压应力作用下的区域减小，有助于抑制裂纹扩展。随着颗粒半角增大，单晶硅的最大压应力逐渐减小，而最大拉应力逐渐增大。在55°至65°的范围内，半角的整体增长趋势较为平缓，有利于抑制裂纹扩展。

2.当锯线速度从29 m/s增加到41 m/s时，裂纹长度逐渐减小；同样，进给速度减小时，裂纹长度也呈下降趋势。在41 m/s的锯线速度和2.82 mm/min的进给速度下，裂纹损伤最小。当磨料颗粒半角为75°时，裂纹长度约为50 nm，并且随着速度的变化，裂纹长度的增长或减少接近线性变化。不同进给速度的切割实验也验证了，当进给速度降至2.5 mm/min时，硅片表面损伤最小。在提高锯线速度并降低进给速度的情况下，有助于实现材料的韧性去除。

3.随着颗粒密度增加，裂纹长度逐渐减小；当颗粒密度达到200颗/mm²时，裂纹长度最小。当磨料颗粒半角为75°时，颗粒密度对裂纹长度的影响最小。因此，增加颗粒密度和磨料颗粒半角有助于降低裂纹损伤。然而，随着颗粒密度的进一步增加，裂纹长度的减少趋势趋于平缓，裂纹影响降低。此外，考虑到实际加工中排屑的不利影响，颗粒密度不宜过大。

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