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摘要：隨著全球各國綠色能源的推廣和近年來半導體產業的超常規發展，硅片市場的供需已極度不平衡，切割加工能力的落后和產能的嚴重不足已構成了產業鏈的瓶頸。作為硅片(晶圓) 上游生產的關鍵技術，近年來崛起的新型硅片多絲切割技術具有切割表面質量高、切割效率高和可切割大尺寸材料、方便后續加工等特點。由于驅動研磨液的切割絲在加工中起重要作用，與刀損和硅片產出率密切關聯，故對細絲多絲切割的研究具有迫切與深遠的意義。

關鍵詞：晶圓，多絲切割，細絲，產出率，切削量

0 引言：

     硅片切割是電子工業主要原材料一硅片(晶圓)生產的上游關鍵技術，切割的質量與規模直接影響到整個產業鏈的后續生產。在電子工業中，對硅片的需求主要表現在太陽能光伏發電和集成電路等半導體產業上。

     光伏發電是利用半導體材料光生伏打效應原理直接將太陽輻射能轉換為電能的技術。資料顯示，太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×1012千瓦小時，相當于目前世界上能耗的40倍。隨著全球礦物資源的迅速消耗，人們環保意識的不斷增強，充分利用太陽的綠色能源被高度重視（圖1.1為近年來全球太陽能電池產量），發展勢頭及其迅猛。

      晶體硅片是制作光伏太陽能電池的主要材料，每生產1MW的太陽能電池組件需要17噸左右的原料。Clean Edge 預計，全球太陽能發電市場的規模將從2005年的110億美元猛進增到2015年的510億美元，以芯片著名的“硅谷”將被“太陽谷”所取代。顯然太陽能產業的迅猛發展需要更多的硅原料及切割設備來支撐。

      除太陽能電池外，硅片的巨大需求同樣表現在集成電路等半導體產業上。硅占整個半導體材料的95%以上，單晶硅片是半導體器件生產的關鍵性基材，是當之無愧的電子產業的基礎支撐材料。2005年我國集成電路產業消耗的電子級多晶硅約1000噸，太陽能電池多晶硅約1400噸；2006年，我國集成電路產業消耗的電子級多晶硅約1200噸，太陽能電池多晶硅約3640噸。預計到2010年，電子級多晶硅年需求量將達到約2000噸，光伏級多晶硅年需求量將達到約4200噸。隨著全球各國能源結構的調整，綠色能源的推廣和近年來半導體產業的超常規發展，硅片市場的供需已極度不平衡。硅原料的供不應求，切割加工能力的落后和嚴重不足構成了產業鏈的瓶頸，嚴重阻礙了我國太陽能和半導體產業的發展。因此，未來的3至5年間，將是中國晶硅產業快速發展的黃金時期。

1硅片切割的常用方法：

      硅片加工工藝流程一般經過晶體生長、切斷、外徑滾磨、平邊、切片、倒角、研磨、腐蝕、拋光、清洗、包裝等階段。近年來光伏發電和半導體行業的迅速發展對硅片的加工提出了更高的要求(圖1.2)：一方面為了降低制造成本，硅片趨向大直徑化。另一方面要求硅片有極高的平面度精度和極小的表面粗糙度。所有這些要求極大的提高了硅片的加工難度，由于硅材料具有脆、硬等特點，直徑增大造成加工中的翹曲變形，加工精度不易保證。厚度增大、芯片厚度減薄造成了材料磨削量大、效率下降等。

      硅片切片作為硅片加工工藝流程的關鍵工序，其加工效率和加工質量直接關系到整個硅片生產的全局。對于切片工藝技術的原則要求是：①切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。②斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋。③提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗。④提高切割速度，實現自動化切割。

      目前，硅片切片較多采用內圓切割和自由磨粒的多絲切割(固定磨粒線鋸實質上是一種用線性刀具替代環型刀具的內圓切割)。內圓切割是傳統的加工方法（圖1.3a），材料的利用率僅為40％～50％左右；同時，由于結構限制，內圓切割無法加工200mm以上的大中直徑硅片。

                          （a）為內圓切割                      （b）為多絲切割
                                 圖1.3 多絲切割與內圓切割原理示意圖

      多絲切割技術是近年來崛起的一項新型硅片切割技術，它通過金屬絲帶動碳化硅研磨料進行研磨加工來切割硅片（圖1.3b）。和傳統的內圓切割相比，多絲切割具有切割效率高、材料損耗小、成本降低(日進NWS6X2型6” 多絲切割加工07年較內圓切割每片省15元)、硅片表面質量高、可切割大尺寸材料、方便后續加工等特點(見表1.1)。

圖1.4：線鋸切割斷面的幾何參數[NextPage]

      在上游原材料加工產能受限的今天，一方面由于多絲切割的刀損（圖1.4）在材料加工損耗中占有較大的比例（有時可達到50%以上），且材料的切屑粒微小、共存于研磨液中，造成切割效率下降。另一方面由于將研磨粒與其分離成本較高，實施較難。故減小晶片的厚度（提高單位材料的產出率），減小切割的刀損（提高原材料的利用率），提高磨粒的利用率（降低加工成本），已成為迫切的要求。EPIA國際委員會統計分析后給出的預言指出，未來的15年內，晶片的厚度和切割絲直徑將減少一半（表1.2）。

表1.2： EPIA國際委員會統計分析后給出的預言

如以目前用的切割絲直徑d分析（設刀損為2*d，硅碇總長度為L，晶圓厚度為H），可得以下計算公式：
 1硅片產出率：
d mm鋼絲：切割晶片數=
mm鋼絲：切割晶片數=
單一硅錠的產出率變化：

 2硅片切削量：
dmm鋼絲：切削量=切割晶片數
mm鋼絲：切削量=切割晶片數
單一硅錠的切削量變化：

 3切割鋼絲張力：
dmm鋼絲：鋼絲截面積
mm鋼絲：鋼絲截面積
由于鋼絲張力比=鋼絲截面積比；
張力變化：
     得到結論：鋼絲的張力-75%

      以NISSIN的NWS6×2型多絲切割機為例，可同時并列一次切割2支6”（Φ152mm x 230mm）的硅晶棒或1支12” 的硅晶棒，采用0.16mm的鋼絲，實際加工測得的絲損約為0.02mm，切割晶片厚度為0.2mm共900余片（或450余片）。如將鋼絲由0.16mm 減至0.08mm（刀損設定為直徑*2），根據上述公式，可得如下結果：
單一硅錠的產出率變化：
單一硅錠的切削量變化：
張力變化：

      由此可見，當切割硅碇的鋼絲直徑減半后（由原來的Φ0.16mm 減至Φ0.08mm），單一硅碇的硅片產量將提高44.4%，切削量將下降－27.8%，切割絲控制張力按要求下降－75％，單位硅材料的損耗將大幅下降，晶圓的產出率大幅提高。因此細絲線鋸是眾多學者努力的方向，對細絲多絲切割的研究具有迫切與深遠的意義。

3 結論：

      硅片切割是電子工業主要原材料一硅片(晶圓)生產的上游關鍵技術，切割的質量與規模直接影響到整個產業鏈的后續生產。在電子工業中，對硅片的需求主要表現在太陽能光伏發電和集成電路等半導體產業上。隨著全球各國能源結構的調整，綠色能源的推廣和近年來半導體產業的超常規發展，硅片市場的供需已極度不平衡。

      多絲切割作為一種先進的切割技術，目前已逐漸取代傳統的內圓切割成為硅片切片加工的主要切割方式。由于驅動研磨液的切割絲在加工中起重要作用，與刀損和硅片產出率密切關聯，減小切割絲的直徑將使硅材料的損耗大幅下降，使單位材料晶圓的產出率大幅提高。故對細絲多絲切割的研究具有迫切與深遠的意義。(上海大學機電工程與自動化學院    程志華 , 李秀雯， 裴仁清)