往复式线切割对单晶硅的影响范文

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《材料科学与工程学报》2015年第五期

1前言

单晶硅不仅在半导体、光电子、光伏产业等领域已经得到广泛而成熟的应用，而且作为理想的X射线色散元件的原材料，在同步辐射领域也有广泛使用。分光晶体对晶格的完整性、晶体表面的粗糙度与平面度、晶体的几何尺寸都有严格要求，但单晶硅硬度高、塑性差、易脆以及易产生微裂纹等，决定了其机械加工性能差，从而对单晶硅的各个加工工艺提出了特殊的要求。在硅单晶色散元件的加工中，形状加工是关键工艺之一。鉴于外圆、内圆、高速走丝电火花线切割和游离与固着线切割等工艺广泛应用于半导体晶圆的生产中的优缺点，固着金刚石颗粒线切割工艺用于加工硅单晶色散元件将是比较好的选择。为了克服单晶硅机械加工性能差的缺点，研究表明可以在临界切削深度下用微小的材料去除力切割单晶硅，以实现单晶硅从脆性破坏区向塑性变形区的转变，要求在金刚石线的金刚石颗粒小于20μm、切速比不大于10－6的实验条件下切割单晶硅。硅单晶（111）面是最常见的色散衍射面，本文借助表面粗糙度仪、扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscopeSEM）和原子力显微镜（AtomicForceMicroscopeAFM），研究了在加工硅（111）面过程中，晶体表面损伤、晶体表面粗糙度与线切割的金刚石颗粒尺寸、切割时间、切速比和往复切割次数等工艺参数的关系，初步总结了适合加工单晶硅分光晶体的线切割工艺参数，期望实现单晶硅的塑性区域加工。

2单晶硅线切割实验设备

按照金刚石线的运动方式进行分类，线切割可以分为往复式运动和单向连续运动两种方式。本实验使用往复式线切割机床（CHSX5630），沿顺时针方向金刚石线速度从零开始加速到5m／s后保持一段时间后减速到零，然后沿逆时针方向速度从零加速到5m／s后保持一段时间，最后速度减到零的往复式运动。金刚石线运动过程中，其张力是靠张紧轮调节，通常控制在30～50N范围内。采用细分式步进电机控制工作台移动速度，根据实验条件选择不同移动速度实现不同切速比，工作台移动的最大速度值为5cm／min。样品旋转台（水平、竖直方向分别有360°旋转台和竖直方向20°弧摆，调整精度20′）固定在工作台上、水平气泡仪（测量精度0．05mm／m）、千分表（测量精0．01mm／m）和电子式自准直仪（ELCOMAT3000）用于晶体调姿。定向仪（Rigaku2991F2测量精度30″）用于晶体精确定向。上海光源BL08U线站电子束曝光机（CABL9000C）、扫描电子显微镜（LEO1530VP）、多模式扫描探针显微镜（MicroNanoD5A）、表面粗糙度仪（SJ－210）等辅助检测仪器分别用于拍摄金刚石线形貌、晶体形貌及测量晶体表面粗糙度。

3晶体定向

晶体定向是单晶硅色散元件加工的关键工艺之一。而用于加工的（111）面单晶硅棒的实际表面与晶面会存在一个夹角，此夹角需要在切割时给予矫正，目的是控制切割面与实际衍射晶面之间的夹角，保证切割面与晶体实际衍射面有很好的平行度或有固定的夹角（满足斜切需要）。根据（1）、（2）式求得的θx和θy值，将其分别映射到晶棒上。依靠样品台和自准直仪粗略和精确调整晶棒的姿态，重复上述操作步骤，最终能够实现精确定向（定向误差30″），待机床稳定和晶向精确后便可以优先切割晶体色散元件的衍射面，最后加工外表面。

4往复式线切割工艺参数分析

4．1金刚线颗粒尺寸对晶体表面粗糙度的影响金刚石颗粒尺寸直接影响切割的晶体的表面粗糙度。图2描述了四种不同直径的金刚石线（不同金刚石线表面电镀不同尺寸金刚石颗粒）在相同条件下切割硅（111）面得到的晶体表面粗糙度直方图。图2中除直径0．31mm金刚线是进口线外其余均为国产线。从图2中可知晶体表面粗糙度值随着金刚石颗粒尺寸变大而增大。从图6中也能明显看到附着较大金刚石颗粒的粗金刚线切割的晶体表面（图6a）附有较多未被切除的大的硅颗粒导致粗糙度大，而附着较小金刚石颗粒的细金刚线切割的晶体表面（图6b）则有较少未被切除的小的硅颗粒导致粗糙度小。所以，选择直径0．14mm、颗粒尺寸小于20μm的金刚石线可以实现单晶硅色散元件的塑性区域切割。

4．2切速比对晶体表面粗糙度的影响图3（a）是用直径0．14mm金刚线在不同切速比条件下切割单晶硅（111）面得到的晶面粗糙度值，并结合实验数据拟合的曲线。从曲线走势知道：切速比对晶体表面粗糙度的影响遵循一定规律。由于线速度υf＝5m／min（平均值），工件移动速度υc从0．225mm／min增加到1．47mm／min，所以切速比υc／υf在0．75×10－6到4．8×10－6范围内变化。结合图3（a）中的曲线变化趋势与文献中的分析得出晶体表面粗糙度和切速比成单调递增关系，当切速比小于2．5×10－6时曲线的斜率较小、曲线变化缓慢，晶体表面粗糙度与切速比接近线性关系；切速比在2．5×10－6到3．7×10－6区间变化时，晶体表面粗糙度随切速比增加有较快增大；当切速比大于3．7×10－6时晶体表面粗糙度随切速比增大呈指数规律变化。再结合图4的晶体形貌观察（拍摄区域为15×15μm2），能够清晰看到表面凹凸不平与沟槽。图4（a）的切速比大于图4（b），图4（a）中晶体表面有明显凹凸的不均匀沟槽，而图4（b）的晶体表面相对比较平滑，明显好于图4（a），但二者都有金刚线留下的较长沟槽刻痕。根据数据分析，产生沟槽的原因在于金刚线是弹性体，随机振动会导致附着在金刚线上的金刚石颗粒在晶体表面产生随机划痕，较深的划痕可能是在脆性模式下切削的结果。从曲线和形貌上得出切速比越小，切割的晶体表面质量越好；但是，如果在切速比非常小的条件下加工晶体，不仅切割的晶体表面形貌的改善效果不是太明显，而且影响加工效率。

4．3金刚线磨损时间对晶体表面粗糙度的影响图3（b）是线径0．14mm金刚线切割晶体硅（111）面得到的晶面粗糙度随切割累积时间的曲线图。从曲线中可以知道用新的金刚线切割晶体，表面粗糙度比较大，金刚线累积切割2小时后切割的晶体表面粗糙度最理想，而后切割的晶体表面粗糙度随累积切割时间的增加逐渐增大，累积切割时间在13小时时晶体表面粗糙度最不理想。随后随切割时间的累积晶体表面粗糙度又逐渐变小，切割累积时间达27个小时时晶体表面粗糙度再次达到最低值，但比切割累积时间2小时的晶体表面粗糙度值大。随着切割累积时间继续增加，晶体表面粗糙度显著增大，直到金刚线疲劳折断。图5是线径为0．31mm进口金刚线的SEM图，（a）是新线，（b）是切割20小时后的旧线，二者在结构形貌上相比，旧线上的金刚石颗粒已经被磨平。金刚石颗粒磨平的过程与切割晶面粗糙度的变化趋势相吻合，新金刚线上的金刚石颗粒尖锐而凸凹不均匀导致初次切割的晶面粗糙度大；随着切割时间的积累，金刚石颗粒逐渐磨平且凸凹均匀导致切割的晶体表面粗糙度趋小；切割时间再继续增加导致金刚石颗粒磨平及脱落使得切割的晶体表面粗糙度成指数增加。

4．4往复切割次数对晶体表面粗糙度的影响鉴于图4中晶体表面凹凸不平与沟槽刻痕造成较大的表面粗糙度，于是利用往复切割的方式加工晶体色散元件，以期带来比较理想的晶体形貌。表1中的实验数据是用线径0．14mm金刚线在切速比0．75×10－6条件下得到的。从数据中可以分析出往复切割有利于改善晶体形貌，在没有往复切割的条件下得到晶体表面粗糙度值为0．732μm，而往复切割一次的条件下得到晶体表面粗糙度值为0．540μm，相比没有往复切割的粗糙度值降低192nm；往复切割二次、三次的条件下得到粗糙度值分别为0．516μm、0．469μm，相比没有往复切割的粗糙度值分别降低216nm、263nm。从数据中知道随着往复切割次数增加晶体形貌质量有所改善，但往复切割次数增加3次以后粗糙度值改变就不再明显。从图6中可清晰看到往复切割对晶体形貌的改善。图6（b）是没有往复切割的晶体形貌，图6（c）是往复切割后的晶体形貌，可以看到后者晶体表面上的硅颗粒比前者少，金刚线的划痕也不是那么明显。设想若往复切割时在垂直于移动方向移动很小距离以及用不同切速比加工分光晶体可能会得到更理想的晶体形貌，以后还会就此进行深入研究。

5结论

通过上文理论与实验数据分析可知：控制线切割的工艺参数能够实现硬脆性材料单晶硅的塑性域加工。金刚石颗粒尺寸和磨损程度、分布均匀性以及往复切割对晶体表面粗糙度影响明显。金刚石颗粒越小、分布越均匀的金刚线切割的晶体表面质量越好；晶体表面粗糙度与切速比成正比，切速比在10－6范围内对晶体形貌影响比较明显，但切速比小于10－7后对晶体形貌影响不是太大，切速比过小又会影响到加工效率；往复切割的次数能够有效改善晶体表面质量，但是往复切割的次数超过3次以上对晶体表面质量没有太大改变，甚至由于机床的机械振动、转台的稳定性和金刚线的随机振动导致晶体表面质量变差。目前虽然基于线切割工艺加工的分光晶体，其表面质量还达不到上海同步辐射光源对分光晶体的要求，但是在线切割过程中获得更好的晶体形貌对分光晶体的后续腐蚀、研磨与抛光工序有很大帮助，所以研究线切割工艺来改善晶体形貌意义深远，尚需展开深入研究。

作者：何健 徐中民 宋丽 王劼 王纳秀 单位：中国科学院上海应用物理研究所 中国科学院大学