多晶硅切片技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

目前，多晶硅生产技术主要有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。正在研发的还有冶金法、气液沉积法、重掺硅废料法等制造低成本多晶硅的新工艺。

世界上85%的多晶硅是采用改良西门子法生产的，其余方法生产的多晶硅仅占15%。

西门子法（三氯氢硅还原法）是以HCl（或Cl2、H2）和冶金级工业硅为原料，将粗硅（工业硅）粉与HCl在高温下合成为SiHCl3，然后对SiHCl3进行化学精制提纯，接着对SiHCL3进行多级精馏，使其纯度达到9个9以上，其中金属杂质总含量应降到0.1ppba以下，最后在还原炉中在1050℃的硅芯上用超高纯的氢气对SiHCL3进行还原而长成高纯多晶硅棒。

第二节 产品工艺特点或流程

硅片加工工艺流程一般经过晶体生长、切断、外径滚磨、平边、切片、倒角、研磨、腐蚀、抛光、清洗、包装等阶段。近年来光伏发电和半导体行业的迅速发展对硅片的加工提出了更高的要求（图1.2）：一方面为了降低制造成本，硅片趋向大直径化。另一方面要求硅片有极高的平面度精度和极小的表面粗糙度。所有这些要求极大的提高了硅片的加工难度，由于硅材料具有脆、硬等特点，直径增大造成加工中的翘曲变形，加工精度不易保证。厚度增大、芯片厚度减薄造成了材料磨削量大、效率下降等。

硅片切片作为硅片加工工艺流程的关键工序，其加工效率和加工质量直接关系到整个硅片生产的全局。对于切片工艺技术的原则要求是：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀（钢丝）切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。

目前，硅片切片较多采用内圆切割和自由磨粒的多丝切割（固定磨粒线锯实质上是一种用线性刀具替代环型刀具的内圆切割）。内圆切割是传统的加工方法，材料的利用率仅为40%～50%左右；同时，由于结构限制，内圆切割无法加工200mm以上的大中直径硅片。

多丝切割与内圆切割原理示意图

多丝切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切割技术，它通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片（图1.3b）。和传统的内圆切割相比，多丝切割具有切割效率高、材料损耗小、成本降低（日进NWS6X2型6多丝切割加工07年较内圆切割每片省15元）、硅片表面质量高、可切割大尺寸材料、方便后续加工等特点。

内圆切割与多丝切割的对比

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

作为一种先进的切割技术，多丝切割已经逐渐取代传统的内圆切割成为目前硅片切片加工的主要切割方式，目前，瑞士HCT公司，Meyert Burger公司，日本Takatori（高鸟）等少数著名制造厂商先后掌握了该项关键技术，并推出了相应的多丝切割机床产品，尤其是大尺寸的切割设备。

线锯切割断面的几何参数

在上游原材料加工产能受限的今天，一方面由于多丝切割的刀损在材料加工损耗中占有较大的比例（有时可达到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。另一方面由于将研磨粒与其分离成本较高，实施较难。故减小晶片的厚度（提高单位材料的产出率），减小切割的刀损（提高原材料的利用率），提高磨粒的利用率（降低加工成本），已成为迫切的要求。EPIA国际委员会统计分析后给出的预言指出，未来的15年内，晶片的厚度和切割丝直径将减少一半。

硅片切割是电子工业主要原材料一硅片（晶圆）生产的上游关键技术，切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产。在电子工业中，对硅片的需求主要表现在太阳能光伏发电和集成电路等半导体产业上。随着全球各国能源结构的调整，绿色能源的推广和近年来半导体产业的超常规发展，硅片市场的供需已极度不平衡。

多丝切割作为一种先进的切割技术，目前已逐渐取代传统的内圆切割成为硅片切片加工的主要切割方式。由于驱动研磨液的切割丝在加工中起重要作用，与刀损和硅片产出率密切关联，减小切割丝的直径将使硅材料的损耗大幅下降，使单位材料晶圆的产出率大幅提高。故对细丝多丝切割的研究具有迫切与深远的意义。

晶片发展趋势分析

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