半导体材料线切割技术研究现状

1、半导体材料线切割技术研究现状,1, 半导体材料的性能与应用 放电切割加工研究现状 半导体材料的电火花切割 电火花线切割的伺服控制 半导体放电切割加工设备及检测装置的设计 半导体放电特性研究,2,一、半导体材料的性能与应用,目前定义半导体为导电性能介于金属和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数的物质。一般意义上认为半导体具有五大特性：掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。掺杂性是指在半导体材料中掺入特定的杂质元素，材料的导电性能具有可控性；热敏性和光敏性是指半导体材料受到光照和热辐射，材料的导电性能会有变化；负电阻率温度特性是指半导体材料随着温度的升高，电阻率反而下降；整流特性是指

2、半导体材料的单向导通性。由于这些特殊性质，半导体材料已经在航空航天、国防工业、通讯、电子工业、照明和太阳能等领域得到了广泛的应用，成为了不可或缺的基础材料。,3,二、放电切割加工研究现状,2.1 半导体材料的电火花切割 半导体材料难加工是因为它具有高脆性,低断裂韧性以及相近的弹性极限和强度的特点,当其所承受的载荷超过弹性极限时就发生断裂破坏,在已加工表面产生裂纹,严重影响其表面质量和性能。因此,若使用传统加工方法对半导体进行加工,其可加工性极差。 半导体晶体具有一定的导电性能,不需要形成辅助电极就能适应放电加工。但由于半导体晶体的电阻率较高,并且具有许多的特殊电特性,利用电火花线切割方法在半导

3、体方面的加工具有很高的技术难度,目前这一技术吸引了国外学者的大量关注。表 1.1 列举了半导体材料的几种切割方式,4,5,2.2 电火花线切割的伺服控制 2.2.1 伺服系统 伺服系统就是用来控制被控对象的某种状态,使其能自动地、连续地、精确地呈现输入信号的变化规律;伺服控制技术则是要求系统精确地跟踪控制指令、实现理想运动控制的过程，如图1.7所示。,6,2.2.2 线切割伺服进给控制系统 调节原理如图 1.8 所示,其中测量环节为系统检测得到的间隙平均电压信号,执行机构为步进电机,调节对象为电极丝与工件之间的距离;检测得到的间隙平均电压信号通过与给定值的信号进行比较,然后将差值经过放大环节和

4、压频转换电路,使得将差值电压信号转为一定频率的脉冲而控制步进电机的进给。,7,三、半导体放电切割加工设备及检测装置的设计,3.1 试验加工设备 本文介绍的是杭州华方数控机床有限公司生产的 HF400D 摇摆锥度快走丝电火花数控线切割机床(图 2.1)进行切割试验,其各项指标如表 2.1 所示，硅片放电切割加工系统原理如图 2.2所示。,8,9,3.2 检测装置的设计 弯丝过冲信号检测装置如图 2.3 所示,通过固定端螺钉固定于机床喷液装置上下方,调节固定端螺钉的位置,可以调节电极丝与检测电极前后距离,以适应不同的加工条件;调节检测电极则可以改变与电极丝之间的左右距离,调整检测精度。信号线从检测

5、电极尾端引出,便于信号的采集处理。实物图如图 2.4 所示。,10,11,四、半导体放电特性研究,半导体放电切割原理主要基于金属放电切割原理,具有一定的相似性,但存在不同之处,以 P 型晶体硅的正极性放电加工为例,其原理示意图可见图 3.3。切割工件为 P 型晶体硅,电极丝接脉冲电源负极,进电金属接电源正极,如果工件表面能够形成放电通道,则电流从电源正极分别经过进电金属、间隙工作液、硅、放电通道、电极丝和限流电阻流入电源负极而构成回路;当机床伺服控制系统控制电极丝进给,当其与晶体硅工件达到一定的极间间隙时,形成放电通道,产生火花放电。根据火花放电蚀除机理,放电过程中放电通道内形成高温热源区域,

6、在该区域的局部电丝及硅表面同时被加热,使局部硅材料熔化、气化;由于加热过程短暂,因此硅材料的熔化、气化及工作液的汽化都具有爆炸力,在爆炸力的作用下将蚀除的硅材料抛出,最终达到加工目的。同样,原理图中限流电阻主要是为了对过大放电电流的限制,防止电源功率元件的烧毁。,12,放电过程中半导体晶体材料具有一定的体电阻,并且受到温度等因素的影响使得该电阻值在放电过程中发生变化;半导体与进电金属接触可产生较高的接触电阻,因此 P 型晶体硅放电切割加工原理可由图 3.4P 型硅正极性放电加工等效电路模型表示。,13,在塑性裂缝自愈机制模式切割硅,On the cracks self-healing mech

7、anism at ductile mode cutting of silicon,韧性模式切割加工硅已成为一项新兴技术,最初脆性材料由其被加工时产生塑性流动去除,产生韧性部位,因此留下了一个无裂口的光滑表面。然而,硅的韧性模式切割几乎只有在仔细选择工艺参数的情况下才能实现。实验表明，只有在部分韧性模式下，微裂缝，微裂纹和小剥落缺陷腔的自愈才更容易由金属硅填满实现。,14,研究发现，在硅被挤压时，半导体晶体的金相转变, 是韧性模式切割硅的物理基础。在金刚石工具(或硬度计压头)压入硅这一阶段，会发生金相的转变。卸压后,金相转换为无定形的阶段, 选择最佳的金刚石刀具和切削参数,使得硅的,切削表面光滑

8、,并被涂上一层薄薄的无定形层（20-100 nm）。 在这种情况下，材料表面没有缺陷。这是因为,切割过程中形成韧性部分，硅的塑性变形填补了微裂纹、微裂缝 。,15,16,Surface characteristics and damage of monocrystalline silicon induced by wire-EDM 电火花线切割后单晶硅表面特征和损伤情况,电火花线切割表现出与传统加工半导体材料过程的不同：不存在显著的碎屑。然而,电极丝和硅之间密集的电火花会有危害：影响表层和次表层的微观和纳米结构层面。本文介绍了电火花线切割过程中，主要工艺参数对切割面特征的影响和破坏。 一个n型

9、单晶硅晶片在不同能量密度、占空比和介质冲洗速度下切割，当火花能量密度低、小占空比和低介质冲洗速度导致切割面质量差，电极材料沉积多。此外, 低能量密度下，非晶态硅的晶体结构缺陷是明显的。电火花线切割参数对切割面特征的影响，可能对电火花加工技术的进一步发展有意义，并能得到良好表面特征的半导体材料。本文旨在清晰的表明电火花工艺参数对硅表面形态和硅破坏的影响,17,18,N型单晶硅晶片厚度：508微米电阻率：0.001 0.005 /厘米电火花切割设备：250 m铜丝电极开路电压、切割模式和介质冲洗速率是不同的,19,20,小占空比和低火花能量密度，回引发诱导陨石坑、小孔和裂缝，表面粗糙度高； 高能量

10、密度，低介质冲洗速度，电极丝上铜和锌剥离速度快，对丝的损耗大； 在本论文的实验当中，10%的碳和12%的氧会沉积在切割的表面； WEDM加工后，表面形成非晶硅和有缺陷的晶体结构。当低能量密度时，表现的更加明显。 本研究的意义在于：选择适当的加工参数，最大化提高表面质量，减少硅加工过程中的的损害。,结论：,21,在陶瓷材料模具上，制作三维微观结构, 如微凹坑,微沟槽和微通道, 制造超硬材料的刀具是关键的一步。在这个工作中,微放电加工(EDM)被用来制造高精度的多晶金刚石铣刀。通过利用电火花诱导石墨化的金刚石颗粒在极低的放电能量下加工，精度和边缘锐度在一个微米级别。在碳化钨硬质合金模具上加工微沟槽

11、和微小凹坑来检查刀具的切削性能。结果表明,使用EDM制造的刀具,在韧性模式下加工碳化钨，其表面粗糙度可达2nm ,与抛光类似。,Micro-cutting characteristics of EDM fabricated high-precision polycrystalline diamond tools 微细电化学加工制造多晶金刚石刀具,22,23,高能量密度,低能量密度,24,25,在EDM加工过程中，PCD上的金刚石逐步石墨化，而不是整个颗粒脱落,这对于提高锐度和加工表面质量是必不可少的； 使用RC电路的分布电容可以实现极低的放电能量,而不是使用蓄电器。 在优化条件下，用EDM加工

12、得到的微米级精度和边缘锐度的金刚石工具,其加工面表面粗糙度与细磨的类似。 EDM加工得到的铣刀可以应用于在碳化钨上制造高精度微小凹坑和沟槽。表面粗糙度可达2nm, 与塑性加工后经抛光处理差不多。 用EDM加工PCD刀具是很多加工效果的综合作用,刀具前刀面影响切削,刀具后刀面影响研磨。 加工碳化钨的时候，PCD铣刀的边缘微碎片明显少于单晶金刚石刀具。,结论：,26,Effect of metal coating on machinability of high purity germanium using wire electrical discharge machining 金属涂层对使用WE

13、DM加工高纯锗的切削加工性能的影响,用WEDM切削n型高纯锗。WEDM需要工件有足够的电导率使放电发生。由于高纯锗的电阻率非常高，使得WEDM效率低下。为了暂时提高传导率，在高纯锗的1或2面溅射沉积不同厚度(1.0,2.0,and3.0m)的金属(铝和镍)。这减小了高纯锗与和线切割放电丝之间的电导率，也可以触发放电。通过各种放电能量(电压:150、200、250和300 V和电容:1,3.3,5.5,9.9和21.4 nF)的实验，确定切削速度与不同局部镀层高纯锗之间的关系。结果如下, 铝涂层 最大切割速度是7.7平方毫米/分钟 (2面镀,1.0 微米厚度)，高能量密度(300 V,21.4

14、nF),是没有镀层高纯锗的27倍。在没有微裂纹的情况下，最快切削速度为1.12平方毫米/分钟，能量密度(150 V,9.9nF)。还进行其他切削实验，在反极性(正极性丝和负极性工件)，条件为：150 V和各种电容大小。实验证明,在金属镀层表面存在整流接触。实验发现，在相同的EDM设备下,高速切割由于横向放电能量更少，还显示减少切口大小。使用扫描电子显微镜(SEM),能量色散x射线能谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)来研究微裂隙并分析表面杂质。,27,28,29,30,31,32,在高纯锗的外表面涂镀金属层，制造了一个较短的放电电流的传导路径，有效增加材料的传导率。提高了切割的效率与速度。

15、 高速电极丝进给会造成频繁断丝，提高机床的不稳定性。在这种情况下，应该使用更高强度和融化温度的电极丝。通过涂覆金属层提高切割速度是非常有意义的一件事情。 切口的大小随着电压与电容的增大而增大。同样的放电能量密度，切割速度的提高可以有效的减小切口的大小。,结论：,33,Assessmen t of abrasion-assisted material removal in wire EDM,图中钢丝线和工件之间的间隙是可以伺服控制的，并且钢丝芯是导电的，固结磨料是不导电的。金刚石磨料突出的高度ph要比电火花工作间隙大。电火花产生在钢丝芯和工件之间，并且通过电腐蚀去出材料，同时金刚石磨料也磨削工件

16、。材料去除的范围由gw和ph决定，这两者是随机变化的，并且跟金刚石磨料的分布有关。,34,加工速度和表面质量一直都是当前电火花线切割研究中的焦点。这篇文章中，用概念验证的方式对电火花线切割复合不带电的固结磨料线切割进行研究。材料去除不仅有电腐蚀，并且其主要作用的是二体磨削。这对材料的去除率是一个很大的进步与改善，并且产生了一个很小的重铸材料表面。,35,Comparison of slicing-induced damage in hexagonal SiC by wire sawing with loose abrasive,wire sawing with fi xed abrasive,

17、 and electric discharge machining,36,图2、切片时4H-SIC在g/3g弱束暗场条件下的横截面图像。左上角图像展示了透射电子显微镜的测量放样。相同区域固结磨料线切割在(a) g 1100and (b) g = 0001条件下观察。右上角展示了游离磨料线切割4H-SIC时的横截面图解。图（c）是用游离磨料切割时的横截面图像。在明亮场中半环式条纹束能够被观察到。图d和e是在g 1100 and (e) g = 0004的条件下弱电子书暗场下观察到的半环式条纹。,SIC的晶体损伤用透射电子显微镜和拉曼散射展示出来。游离磨料线切割导致堆叠断层、分散的三角晶体无序区和

18、位置错乱的半环式条纹束。固结磨料线切割导致堆叠断层、晶体层错乱和位置错乱的半环式条纹束。电火花线切割最主要的就是通过6H-SIC的分解形成3C-SIC、硅和碳。切片机制产生的晶体损伤在文中有特性描述。,37,Effect of reciprocating wire slurry sawing on surface quality and mechanical strength of as-cut solar silicon wafers,图2、硅片用往复式砂线切割和单项式砂线切割的不同表面形态：（a）短周期（b）长周期（c）单项式砂线切割 往复式砂线切割最突出的特点就是硅片表面两条由丝正反向运

19、行方向变化产生的交替变化的切割条纹。图2显示了往复式砂线切割和单项式砂线切割的硅片表面形态的不同。图中很明显，在丝正向运行时切割条纹的宽带要比丝反向运行时宽的多。另外，单项式砂线切割的硅片表面要更为均匀光滑。,38,图7、硅片用往复式砂线切割和单项式砂线切割的扫描电子显微镜截面图 （a）台阶转变 （b）波谷 （c）平滑的表面 硅片表面形态变化也导致了硅片厚度的变化。图7三个典型的硅片界面图像。两处切割区域 是显而易见的。硅片厚度是不均匀的，在两个切割区域的交界处有台阶或者有波峰。交界区域也不是精确地在同一个位置，表明在相邻切割区域的切割过程也是不均匀的。相对而言，单项式砂线切割则要均匀整齐的多

20、。,39,四连杆摇摆结构的金刚石线切割设备切割硅材料的研究,实验中可以看出使用摇摆切割机构可以明显提升切割效率并且同时不加剧丝损#因为使用摇摆机构切割可以使金刚石线与工件之间的接触由传统的直线接触变为更接近于点接触减少线与被切割材料之间的接触面积增加金刚石颗粒尖端与被切割材料之间的压力从而提高效率和降低丝损#而丝损的降低又从一个方面提高了晶片的表面平整度。,40,具有绞合芯线的金刚石线锯及其制造方法,41,本发明提出一种具有绞合芯线的金刚石线锯，包括多股金属丝组成的绞合芯线、缓冲层一级带有金刚石磨粒的磨料层。本发明提出的具有绞合芯线的金刚石线锯具有可靠性好，切割速度快，不易断裂，使用寿命长，易

21、于回收等特点。,42,电火花线切割加工掺杂镓的锗实验 利用电火花线切割加工（WEDM）作为一种替代方法，加工锗减少甚至消除表面损伤。从以前的一些电火花加工的硅中发现，除了熔化和蒸发，热剥落也在材料去除机理中起着重要作用。同时还发现，放电能量低于1.8uJ，能在表面观察到无微裂纹。然而，当有更高的放电能量，裂缝开始出现在加工表面。用电火花线切割加工锗的可行性首先是由阿诺德等人证明。阿诺德用电火花加工酸技术加工掺杂镓的锗和掺杂硒的砷化镓。在这种情况下，电火花切割机是用于之后蚀刻去除加工表面外围的污染电荷。由于电火花线切割加工参数，包括线型和线径，以及火花电压和电容，详细讨论了分层速率工作，表面粗糙

22、度，表面污染和损伤，从而确定放电的能量,Experimental investigation of wire electrical discharge machining of gallium-doped germanium,43,切片率实验是在图3中，x轴代表电容器设置，范围从3.5到68.8 nF的结果。这一系列的电容被一些初步的实验表明，钢丝直径不同的50至200米，在这个范围内获得最大切割速度。从图3可以观察到，最大切割速度不同线径在不同的场景中实现。,实验结果：,44,在使用三维光学轮廓仪五个不同的位置测量表面粗糙度。这一分析的结果如图4所示。很明显，表面粗糙度在很大程度上是由电容器

23、的尺寸确定，而电压对表面质量的影响很小。最大表面粗糙度为50，75和100米的钼丝3.31，3.48和3.54MRA，分别在68.8 nF的电容处达到150 V电压。最小的表面粗糙度是1.09，1.21和1.17MRA，分别在最低电压（130 V）使用最小的电容器（3.5 NF）。,45,结论： 电火花线切割机可用于加工单晶锗的电阻率为0.01厘米，并且可以不使用任何手段提高锗锭的电导率。使用一套合适的加工参数，即使极端的脆性，锗也可以被切割而不引起任何损伤。锗的切片率不仅取决于电压的函数和电容，而且与导线类型和直径有关。另一方面，表面粗糙度主要是由电容确定。 电火花线切割加工的横截面分析样品

24、在扫描电镜下显示，高达0.111焦耳的放电能量，使得100米的黄铜线不产生裂缝，可以用扫描电镜检测。在50米的钼丝，这种放电能量极限为0.181 MJ。增加放电能量超越这些限制导致裂纹出现。 电火花线切割加工过程中产生一层薄的材料，这层材料是被污染的线材以及电介质流体。这一层可以很容易地用一个简单的蚀刻，也提高了表面光洁度为亚微米级的表面粗糙度。,46,Investigation of silicon wafering by wire EDM 电火花线切割硅晶圆的调查 自上世纪80年代开始，放电加工（EDM）已被提议作为加工硬脆性非金属材料的一种解决方案。电火花切割工具电极是金属丝直径0.3-

25、0.05 RAM的金属线。电介质流体不断进入走丝火花隙。这个过程的许多优势在于超过内径锯机械性质。例如，引起破损的边缘和锯切痕迹的表面可以很容易地防止。80克和100 TM薄晶圆厚度的窄缝宽度可以达到节省宝贵的材料或满足特殊要求，薄（ 200克）切片可以从晶体切割在（ 1 1 1 ）平面和（100）平面。大的硅锭（直径150毫米）可以被电火花线切割加工。多层硅片切片的例子显示了技术上杰出的壁龛。电火花加工刀具，蜿蜒的细钼丝（100-300米塘），比内径锯切成本更低，即锯片电镀金刚石镍穿孔（304）不锈钢芯。此外，电火花切割还可以很方便地改变各种加工性能。,47,该技术的结果取决于切削率（CR，

26、2毫米min-1）和表面质量。因此，实际的切削速度高于定义的切削率。切割速度与介电液和丝率（TR，M S - 1）有关。图4显示了在CR实验时使用煤油和乳液进行比较。加工条件如切削宽度（CW，RAM），脉冲持续时间（Ti，P，S），脉冲区间（，LAS）也显示在图上。当煤油作为电介质流体，火花区应浸没在液体中防止火灾。根据实验，在平均工作电流相同下，煤油的切割速度大于乳液的。不同的材料需要不同的介质流体。实验证明，大约增加50%的乳液可以用煤油乳化得到。图5显示了CR实验变丝率和切削宽度下。切削速度和切削宽度之间呈非线性关系，提供其他加工条件不变。如果切削宽度太窄，放电电流将减少。另一方面，切削

27、宽度太宽，疏散过程将变得更糟。最佳的切削宽度为70-90毫米。运丝率随着走丝速度和切削速度的提高而变化，尤其是当切削宽度较宽或较厚时。这并不奇怪，因为疏散过程改善，运丝率增加。由于切削速度等加工参数之间的相关性，如钛，几乎保持相同的切削工件时，和切割速度正比于脉冲电源。对于高切削率的原因是低热量的能力，导热系数低和密度低的材料。,48,49,结论： 基于目前的调查结果确定的n型单晶硅锭切片用电火花线切割加工的可行性，可以得出以下结论： 阻碍放电电流的 表面势垒可以克服硅表面换向正常极性连接和化学镍。一个相当大的切割速度可以很方便的实现。 如果硅锭切割相同的平均工作电流下，切割速度比在煤油乳液更

28、好。切割速度可以通过增加运丝率进一步增加。 当在硅切片时电极丝正耦合，电极丝的寿命可以通过倾斜的放电电流脉冲上升前沿延长。 当切削率高时，电火花线切割加工过程中可能造成的破坏和污染的表面面积变大。受影响的表面层可以通过后续的研磨过程中去除。用电火花线切割硅片切割更薄的硅片时，小的损失和更大的晶圆尺寸可以实现。,50,Study of Wire Electrical Discharge Machining for Poly-silicon 电火花线切割加工对多晶硅的研究 本研究讨论了线切割加工多晶硅的影响，采用多晶硅加工用在作为加工材料的太阳能电池上，提供了一种新的加工方法，是对硅片切割和加工过

29、程中比较常见的线锯。多晶硅是一个新的被切割材料，它是通过铸造单晶材料不同电阻率的形成，如图1所示。在本实验中，由于多晶硅中含有高电阻，采用线切割加工困难。P型多晶硅工件贴两导电板连接到电源和线电极的导电块负极正极之间，如图2所示。电极丝直径0.2毫米，表1显示的黄铜加工条件。本文初步研究多晶硅材料的电火花线切割加工的特点，包括切削速度（mm/min），加工槽的宽度（mm）和表面粗糙度（Ra，m）。切削速度的试验结果表明，电极丝不断裂，不与工件接触的多晶硅加工过程。其次，本研究测定被加工槽宽的多晶硅工件采用光学显微镜（OM）、电火花线切割形成的扫描电子显微镜（SEM）观察的钢丝锯与在工件表面缺陷的形态有关。第三，实验测得的多晶硅由一个精确的轮廓，平均中心线为代表的表面粗糙度来评估电火花线切割加工参数如何影响表面光洁度。,51,52,53,结论： 本研究讨论影响多晶硅加工的电火花线切割加工参数。结论如下： 增加的脉冲电压时间和开放电路对切割速度的影响最大。增加能源供应，也增加了它们两个。材料去除率相应上升。然而，在两个峰值电流的增加下进一步提高加工表面粗糙度和槽宽度