3.4.3 切片

硅片切片是指将硅单晶棒切成具有精确几何尺寸和所需厚度的薄硅片的加工工艺。20世纪90年代前的切片机采用内圆刀具对硅单晶棒进行单片切割，称之为内圆切片机，其工作原理如图3.13所示。内圆切割刀片是厚度仅为0.12～0.15mm的不锈钢圆环，内环涂有镀金刚石的磨料，以固结磨料的形式形成内圆刃口；内圆切割刀片外端通过内圆切片机上、下刀盘夹持和张紧形成具有一定刚度的刀片，随刀盘高速旋转。单晶棒料黏结在单晶棒装夹头上并安装在送料装置上，送料装置按照预定厚度相对于内圆切割刀片分度运动一个切割距离（z向进给）后，内圆切割刀片相对于单晶棒料往下端方向（y向）运动，形成切割。切割完成后，内圆切割刀片退回到切割初始位置。

内圆切割刀片刃口为金刚石磨料涂镀层，其厚度为0.29～0.35mm，切制硅片时切口处的材料损耗较大。同时由于硅片直径的增大，内圆切制后的硅片厚度变化、弯曲度变化、翘曲度变化、硅片表面损伤层均较大，这都增大了硅片后续加工的难度和成本。20世纪90年代后出现的多线切割机已经成为目前主流的硅片切割设备。

多线切割机最早形成应用的是采用游离磨料加工原理的游离磨料多线切割机，其工作原理如图3.14所示。所用的切割钢线（直径约为0.12mm）按照排列间距均匀缠绕分布在轴辊上（主轴辊的数量为2～4个）形成切割线网框（见图3.15）。网框的切割边呈水平状态，随着轴辊的高速旋转做高速缠绕运动，单晶棒沿长度方向呈水平状黏结在进给装置上，并相对于网框切割边做低速进给运动。高速运动的钢线与单晶棒料发生摩擦，同时SiC等磨料砂浆被浇注在摩擦区域，切割钢线裹挟着SiC磨料，SiC磨料对所切材料进行细微的切割运动，直到切割出一组具有预设厚度的硅片。

图3.13 内圆切片机的工作原理

多线切割机由于使用了SiC等磨料砂浆，工作环境恶劣，因此钢线切割区需要封闭。21世纪初，出现了镀制金刚石磨料的钢线，用金刚石钢线替代普通钢线进行切割，相应的设备称为固结磨料多线切割机或金刚石多线切割机，技术又回到了固结磨料技术时代。在金刚石多线切割工艺过程中，以去离子水为主要成分的冷却液对切割区域进行冷却，极大地改善了工作环境。金刚石多线切割机的工作环境较好，对环境污染小，加工效率高，是硅片切割设备发展的主要方向。

图3.14 多线切割机的工作原理

图3.15 切割线网框