线锯切技术发展状况①

谈耀麟

（中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林 541004）

线锯切技术发展状况①

谈耀麟

（中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林 541004）

回顾线锯切技术发展的历史背景。分析了在半导体工业中锯切硅晶锭使用的超薄金刚石内圆锯片的优缺点。阐述游离磨料线锯的产生及其与超薄金刚石内圆锯片的性能对比以及游离磨料线锯在使用中的局限性。文章还介绍了固结磨料线锯中磨料的一些固结方式，并详细阐述当前先进的树脂粘结金刚石线锯和电镀金刚石线锯以及浸渍金刚石线锯的技术规格和技术性能。

线锯切技术；游离磨料线锯；树脂粘结金刚石线锯；电镀金刚石线锯；浸渍金刚石线锯；发展；技术规格

上世纪中叶，单晶硅作为半导体生产的基础材料伴随着半导体晶体管的发明以及硅集成电路的研制成功引发了电子工业革命。当初硅晶锭的锯切主要使用超薄金刚石圆锯片和超薄金刚石内圆锯片。直到上世纪90年代，随着电子工业的迅速发展，国际上为了解决大尺寸硅晶片的切割问题逐渐采用了钱锯切技术。线锯切技术起初用的是游离磨料线锯，嗣后才发展了固结磨料线锯。

1 超薄金刚石内圆锯片

上世纪60年代，在大规模半导体的生产链中，硅晶片的锯切成了发展生产的瓶颈。为了减少切缝损耗，超薄金刚石内圆锯片逐渐取代了普通的薄型金刚石圆锯片，当时最先进的超薄金刚石内圆锯片的内径为203mm，外径为558mm，可同时切割两个直径为75mm的硅晶锭，锯片基体厚度仅为0.1mm，以电镀方法固结325／400目的天然金刚石，锯缝宽度仅为0.22mm［1］。

直到上世纪末，大直径超薄金刚石内圆锯片的切缝损耗可减少到300至500μm，锯切的晶片的最小厚度可达到300μm。但是随着晶锭直径的不断扩大，锯片的内径必须加大，一般须加大至晶锭直径的3倍。锯片直径加大了就难以避免锯切时产生颤振而降低切割质量，所以内圆锯片切割硅晶锭的直径通常不能超过200mm，从而使超薄金刚石内圆锯片的推广使用受到了限制。

2 游离磨料线锯

为了克服超薄金刚石内圆锯片的缺点，各国研制半导体与太阳能的大公司相继致力于线锯切技术的研究。上世纪80年代瑞士HCT Shaping System首先研制出用于光伏电池生产行业锯切硅晶片的锯床。其基本原理是以运动着的细金属线带动含有磨料的悬浮液而产生锯切作用。金属的运动速度在5～25m／sec之间，以碳化硅为磨料，由于这项技术的采用使光伏电池硅晶片的厚度从330μm减到了180～220μm。最初使用的高强度细钢线的直径为160～180μm，为了尽可能降低切缝损耗，目前这一直径已降至120～140μm［2］。该技术后来即被称为游离磨料线锯切割。

美国和环太平洋诸国自上世纪90年代开始广泛使用游离磨料线锯，用相当长的高强度细金属线连接成闭合环形线，靠一系列心轴驱动的同时滴注含有碳化硅或碳化硼为磨料的研磨液以起锯切作用。其优点是切缝损耗小，锯出的晶片厚度均匀、不扭曲，其与超薄金刚石内圆锯片的性能对比如表1［3］。

表1 游离磨料线锯与金刚石内圆锯片的性能对比Table 1 Comparison of performances between the free abrasive wire saw and the diamond inside slicing disc

从表1可看出游离磨料线锯与超薄金刚石内圆锯片相比可锯切出更薄的晶片，更好的表面光洁度，而且产量也较高，所以广泛用于半导体和光伏行业锯切较大直径的晶锭。游离磨料线锯一般采用不锈钢线，标准直径为150～300μm，常用磨料为碳化硅或金刚石。目前较先进的游离磨料线锯锯床有德国KUKA Systems公司2011年投放市场的AWSM 4800.2型线锯锯床［4］。特点是：

1）性能高，运营成本低；

2）晶片切割面质量好，无锯切痕

3）采用CCD摄像装置进行锯线导向定位，定位误差±0.1μm

4）完全程序控制

5）直接测量锯线张力

6）消耗材料用量少

7）故障远程诊断

8）各轴承设温度稳定装置

9）设有工件装卸机构

10）自由操控工作台进给速度和研磨液流量

技术参数如下：

①锯线直径：120～220μm，长600km，张力15～43N

②最大锯线速度：14m／s

③工作台进给速度：2～999μm／min

④最大晶锭直径：Φ450mm（或2个Φ200mm晶锭）

⑤最大晶锭长度：800mm

⑥锯切晶片厚度：950μm

⑦一次锯切晶片数：357（每小时切割15片）

⑧外形尺寸：4500×3500×2400mm

⑨重量：15000kg

应指出的是，一台线锯锯床的生产能力取决于所锯切晶锭的直径与长度；切片的厚度；锯线直径；锯切速度以及开机所需准备工作时间等。

3 固结磨料线锯

长期以来电子工业应用的硬脆材料如硅、石英、砷化镓和永磁材料等以及一些贵重的材料如蓝宝石、红宝石等的切割主要靠游离磨料线锯。但是生产率还是比较低；单个晶锭的锯切时间长；只有部分磨料得到充分利用，尤其是采用金刚石作磨料时回收困难；处理大量研磨液也是很大的环保问题。此外，随着锯线的磨损，切片厚度产业偏差，若磨料产生聚堆则锯线容易折断，特别是锯切的晶锭直径大于300mm时，锯线承受的拉力往往大于其断裂强度，而更换新锯线很费时间，若加大锯线直径则切缝损耗增加。随着硅晶锭的直径越来越大，为了提高锯切效率，降低晶片生产成本，行业迫切需要更先进的切割技术。因此在上世纪末各国开始研制固结磨料线锯。

目前，将金刚石磨料固结到金属母线上有4种方法：1）机械固结法（mechanical bond）。即以压入方式将金刚石磨料压入高强度钢线的软金属外包层中；2）冶金固结法（metallurgical bond）。以铜锌合金焊或锡焊方式将金刚石磨料固结到母线上；3）树脂粘结法（resin bond）。一般采用热固结树脂将金刚石磨料粘结到母线上；4）电解或无电镀固结法（electrolytic or electroless fixation）［5］。电解固着即俗称的电镀固结。无电镀指的是化学镀，即在活化处理后的基体表面上，从镀液中金属离子催化还原形成金属镀层。在生产实践中比较完善的固结方法是树脂粘结和电镀。

3.1 树脂粘结金刚石线锯

多年以来日本住友电工公司一直在研究精密线锯切割技术。为了降低太阳能电池和其它半导体器件的制造成本，硅晶片的直径不断向大尺寸发展。由于多线锯床切割效率高而且切割损耗小，因此逐渐成为切割硅晶片的主要技术装备。多线锯床早期采用游离磨料线锯，因存在许多缺点从而引发了树脂粘结金刚石线锯的研制。该公司旗下的Allied Material公司采用连续树脂涂敷方法成功制造出树脂粘结金刚石线锯。在钢琴琴线上连续涂敷含有树脂、金刚石磨料和溶制的混合物然后进行热固化处理。采用的是普通树脂粘结砂轮用的酚醛树脂和镀镍金刚石。母线为标准的钢琴琴线。起初制造的树脂粘结金刚石线锯用的母线直径为0.180mm，磨料为40～60μm金刚石，线锯外径为0.245mm，切缝损耗为0.26mm。嗣后为了降低切缝损耗，已研制出直径更细的树脂粘结金刚石线锯，其技术规格见表2。

表2 树脂粘结金刚石线锯技术规格Table 2 Specifications of the resin bond diamond wire saw

上述树脂粘结金刚石线锯的树脂粘结层厚约20μm，切割试验时线锯的拉力为9.8N，切缝损耗可降低到0.19mm，相当于游离磨料线锯的切缝损耗。据有关文献，磨料粒径越大切割速度越快，因此，在尽量降低切缝损耗的条件下，采用0.130mm直径的母线和30～40μm的磨料粒径较为理想［6］。

树脂粘结金刚石线锯的最大优点是挠性好，对锯切面的损伤较小，从而使晶片有较好的表面光滑度，减少了后续加工量，缺点是对金刚石磨料的包持力不够大，因而限制了锯切速度。不过，树脂粘结金刚石线锯用于锯切较薄的晶片是比较适合的。

最近，A.L.M.T公司研制的PWS-R型树脂粘结金刚石线锯所采用的钢琴琴线直径可细到0.12mm，金刚石磨料粒径为10～20μm，线锯拉力可达到25N，可以说是当前比较先进的树脂粘结金刚石线锯。这种线锯已应用于稀土永磁材料的切割，可获得很好的表面切割质量。不过用于切割硬度较大的脆性材料如蓝宝石等，其切割效率与电镀金刚石线锯相比还略逊一筹。

3.2 电镀金刚石线锯

电镀金刚石线锯的最大优点是对金刚石磨料的包持力比树脂粘结金刚石线锯的大得多，可实施较快的锯切速度，极少发生金刚石脱落，而且可降低金刚石用量，有利于降低成本。从实践效果来看，电镀金刚石线锯适合于锯切目前太阳能电池所用的硅晶片，可达到较高的效率，而且切缝损耗较小，切割面较平滑，可减少研磨等后续加工量。

在美国，最早研制金刚石线锯的是DMT公司。该公司成立于1963年，起初以研制红宝石激光器为主，后来为了切割红宝石薄片之需研制金刚石线锯。从此该公司一直从事金刚石线锯及其锯切工艺的研究。其产品已被国际上生产线锯切割设备的主要厂商所采用，广泛用于各种晶体薄片切割、晶片切方（bricking）、切料头（cropping）和成形切割（shaping）。2003年以来，该公司与瑞士精密线切割机床制造公司Meyer Burger合作一直在对太阳能硅材料切割用金刚石线锯进行研发。Meyer Burger是国际一流的高精线锯切割技术与设备的研究制造公司，生产的设备广泛用于硅晶锭、蓝宝石等硬脆晶体薄片的切割，并且供应薄片和棱柱等异形晶体产品。在国际太阳能、光学和半导体工业所用的硬脆材料薄片线锯切割设备中，Meyer Burger和HCT Shaping Systems公司占了市场68%的份额。至2008年，Meyer Burger的生产能力扩大了好几倍。2009年，Meyer Burger收购了DMT公司的所有资产。最初几年，金刚石线锯主要应用于红宝石、蓝宝石等的切割，后来广泛用于太阳能硅晶片的切割，从而使太阳能电池的制造成本大幅度降低。

太阳能是目前世界上发展最快的新能源。全球对太阳能的需求与日俱增。当前全球80%以上的太阳能电池的生产均采用了硅晶片。因此目前国际上切割硅晶片的高精线锯与切割设备的研制竞争十分激烈。目前国际上研究与生产金刚石线锯及其配套技术装备较先进的厂家主要有以下几家。

3.2.1 DMT（Diamond Wire Material Techuologies）公司

该公司是美国较早研制与生产金刚石线锯的厂商，积45年的生产经验，产品行销光伏、光学和半导体等行业。生产的金刚石线锯直径为0.140mm（140μm），采用专门拉制的高强度钢线，直径为0.12mm（120μm）。产品强度和质量均采用电子仪器检测。实践证明，其金刚石线锯与Meyer Burger的切割设备配套使用，切割硅晶片的速度比游离磨料线锯切割提高了一倍，切割出来的晶片较平整，降低了后续加工费，与游离磨料线锯切割相比，减少了许多辅助设备和工序，投资回报率较高。

3.2.2 Laser Technology West公司

该公司成立于1983年，总部在美国，生产的金刚石线锯有Superwire和Superlok（商标名），特点是在高强度钢线上以电解沉积法涂敷着一层铜包皮均匀镶嵌20～120μm金刚石磨料。线锯外径尺寸为127～376μm。Superlok金刚石线锯的特点是电镀时加入镍以加强对金刚石磨料的包持力。

该公司批量生产的普通电镀金刚石线锯外径为376～508μm，母线直径不大于304μm，用铜或镍电镀金刚石磨料后的外径约为406μm，电镀金刚石磨料层厚度一般不超过50.8μm。［7］

3.2.3 A.L.M.T公司

该公司新近研制的PWS－E型电镀金刚石线锯的母线直径小至0.12mm，采用10～20μm金刚石，进行锯切单晶硅试验时，线锯拉力可达到25N，线锯最大速度可达1000m／min，线锯消耗量为25m／晶片。

另一种用于锯切较硬晶体材料的电镀金刚石线锯的母线直径为0.18mm，采用30～40μm金刚石，进行锯切蓝宝石试验时，线锯拉力达到35N，线锯最大速度为400m／min，线锯消耗量为20m／晶片［8］。

上述两种电镀金刚石线锯在目前国际上是比较先进的。

3.2.4 Bekaert Group

是著名的比利时专业拉制细钢线的厂家。自1985年开始研发线切割技术，后来成为全球最大的光伏行业硅晶锭切片用线锯母线的供应商。该公司生产的用于坚硬结晶材料切割的线锯母线为冷拔高碳镀铜高抗拉强度钢线，其技术规格见表3［9］。

表3 冷拔高碳镀铜高抗拉强度钢线技术规格Table 3 Specifications of the steel wire

从表3可看出该公司生产的线材的抗拉强度已达到很高的标准。据称，该公司还掌握超高抗拉强度线材的拉制技术，可生产出直径小至100μm的线材，将使线锯的切缝损耗进一步降低。该公司称，2006年国际上细线材市场需求的90%是直径为150μm的，而目前该公司供应的线材直径为110μm或更细的，占其产量的30%以上。

该公司已在中国江阴市设立其在亚洲的研究与发展中心（Bekaert Asia T＆D Centre）。

4 浸渍金刚石线锯

浸渍金刚石线锯（diamond-impregnated wire）是一种无电镀固着法制造的金刚石线锯。

美国Kerf Industries公司一向从事碳化硅、蓝宝石和其它半导体硬脆材料切割技术的研究。自上世纪60年代起，由于线切割可降低切缝损耗并保持严格的标准，所以在各种硬脆材料的薄片切割中得到了很好的应用。此后线锯切割技术逐渐向越来越细的锯线直径发展，并采用了更精确的锯线进给机构。

该公司最近研制成功一种浸渍金刚石线锯（diamond-impregnated wire），其直径在76～127μm之间，最细者有如头发丝，可根据切割不同材料的需求来选用。不过该公司目前可提供的金刚石线锯有两种：一种采用20μm金刚石，外径为270～300μm；另一种采用40μm金刚石，外径为250μm。据称这种以金属基质（metal matrix）固结金刚石的线锯，固结强度大于环氧树脂（epoty）固结的强度，而成本低于电镀（electroplating）固结的，用户可以有各种选择来调整线锯切割性能以利于进行快速锯切，或者延长线锯使用寿命或者提高切割面平整度或者尽量降低切缝损耗［10］。

5 展望未来发展

纵观线切割技术的发展，固结磨料线锯无疑是发展方向。在现有的固结磨料线锯中，树脂粘结磨料线锯与电镀或无电镀磨料线锯各有千秋，应根据所锯切材料的物理特性对其技术性能与使用经济性进行全面的对比分析。

就线锯的技术规格而言，其外径显然是向着超细方向发展，对母线截面几何形状及其尺寸偏差，对磨料粒径的优化与均一性都有待深入研究；而就线锯的技术性能而言，母线原材料的选择、处理工艺、磨料的性质、固结的强度化技术措施以及其它固结方式均有待研发与创新。

［1］ S.A.Herbert，Micron diamond-an advancing techuology，Ultrahard Materials Application Technology Volume 2［M］.Pal Doniel，1983，112-125.

［2］ Wafer Slicing Technology For Solar Photovoltaic Cells，Wafer slicing Technology Primer-Applied Materials［C］..

［3］ I.Kao（PI）and V.Prasad，J.Li，M.Bhagavat，Department of Mchanical Engineering，SUNY Stony Brook，NY11794－2300，Wafer Slicing and Wire saw Manufacturing Techuology［C］..

［4］ KUKA Flexible Manufacturing Systems-AWSM 4800.［C］..

［5］ FIXED ABRASIVE SAWING WIRE WITH REMOVABLE PROTECTIVE COATING，WIPO Patent ApplicationWO／2011／138192.［C］..

［6］ Sugawara Jun，Hara Hiroshi，Migoguchi Akira.Development of Fixed-Abrasive Grain Wire Saw with Less Cutting Loss［J］.Sumitomo Electric Technical Review，2003，（163）：43－47.

［7］ John B.，Hodsden etal.Wafer slicing diamond wire saw technology，Continuous Wire saw loop and method of manufacture ther of［J］.U.S.Patent 6，065，462，May 23，2000.

［8］ N.Nakaru ma et al.Development of precision fixed diamond wire PWS［J］.DTJ 2011，（3）.

［9］ www.bekaert.com.

［10］ Kerf Industries LLC.Precision Wire Saw Technology［M］.

State-of-the-arts of wire sawing technology

TAN Yao-lin
（China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin541004，China）

Historical background of wire sawing technology development was reviewd.Advantages and disadvantages of ulrta-thin diamond annular sawblade used for cutting silicon ingots in semiconductor industry were analysed.The emergence of loose abrasive wire saw and the performance comparison between it and ultra-thin diamond annular sawblade，along with its limitation in applications were described.As for the fixed abrasive wire saw some fixation methods of the abrasive particles were introduced in this paper，and the technical performance and technical specifications of the advanced resinoid diamond wire saw，electroplated diamond wire saw and diamond-impregnated wire saw were also described in detail.

wire sawing technology；loose abrasive wire saw；resinoid diamond wire saw；electroplated diamond wire saw；diamond-impregnated wire saw；development；technical specification

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0044－05

2013－04－10

谈耀麟（1936－），男，高级工程师，长期从事超硬材料科研和情报方面的工作。