表面活性剂在切片工艺中的作用 切片是硅单晶由晶棒变成硅片的一个重要步骤，硅单晶的切片工艺主要有两种：内圆切割和线切割。 对于内圆切割，国内大多采用水作为切削冷却液，由于硅的硬度较高，在切割过程中会产生大量的摩削热，硅片表面会出现毛刺、崩缺、刀痕等不良现象，致使切速无法提高，耗时较长，工序生产效率低下，随着晶体直径的增大，这种限制尤为明显。切片过程中硅片因机械作用造成的刀痕、损伤、破损会导致产生包括机械应力和热应力在内的应力，进而产生滑移位错，当机械应力与热应力在高温处理过程中的作用超过晶体滑移临界应力时会产生硅片的破碎，而且重金属杂质在缺陷中更易扩散，因此必须减少刀痕。 线切割工艺中同样存在上述问题，目前大多线切割液为国外进口，多注意了悬浮金刚砂，要求有极好的悬浮性和合适的粘度。切割过程中如何提高化学作用以降低强机械作用造成的损伤及降低应力与减少断线是线切割新技术的研究突破点。 在切片过程中使用切削液最关键的参数为降低摩擦力，降低磨损层，减小应力和微裂，提高效率与刀具寿命，降低修刀率，防止设备生锈，使切片清洁易清洗。在切削液中加入表面活性剂主要起到如下作用。 一、降低表面张力 切削液本身的表面张力是关键因素，表面张力大，液体的内聚作用大，液体分子的渗透性就弱，因此，降低液体的表面张力可提高液体的渗透性，这就涉及到表面活性物质的使用，表面活性物质溶于水，可起到降低液体表面张力的作用。 二、增强渗透性 切削液的渗透性是切削液的一个重要性能。切削液的冷却效果、润湿效果及润滑作用都会受到渗透性的影响，渗透性好的切削液能迅速渗透到切屑—刀具；界面和刀具—硅片界面，提高切削的冷却效果，并且可在刀具与硅片界面上形成润滑膜，从而降低摩擦系数，减小切削阻力，起到良好的润滑作用，此外，良好的渗透性能使切削液渗入到刀前端形成楔形膜，并能向深入扩展，如同在裂缝中打入一个楔子，起着一种劈裂的作用，从而提高切削速率，延长刀具寿命。 三、减小摩擦 在刀具与被切入的硅片之问形成润滑膜,将摩擦表面隔开,使硅片表面与刀具间的摩擦转化为具有较低抗剪切强度的润滑膜分子间的内摩擦，从而降低摩擦阻力和能源消耗，减小了损伤、应力与微裂，降低切点温度，使摩擦副运动平稳，提高切削速率，延长刀具寿命。表面活性剂起润滑作用的为憎水基烃链，且在烃链中含有苯环时润滑效果较好，但同时还应考虑到它的其他性能，即是否溶于水，对其他表面活性剂的影响如何，一般润滑剂选择的依据，为了有良好的润滑性选择憎水基烃链中含有苯环较佳、能溶于水，并有较好的渗透性从而使其综合性能提高。 四、减少磨损 在硅的切削中，主要是由于应力和原子间力而产生磨损，应力产生磨料磨损 与扩散磨损，原子间力产生粘结磨损，刀面与硅表面接触时或相对运动时，实际上只在若干个微凸端(解理面)产生接触，这些接触点应力很大，产生塑性变形，接触点由于粘着和捍合而形成结点，剪切发生在强度较低的材料一方，则强度较高材料表面上将粘附较软的材料而产生磨损，就会造成硅表面出现刀痕、微裂、损伤层加大、刀具寿命减少，又由于应力主要集中在一些孤立的点上，会产生位错和扩散磨损，即金属杂质随应力的加大和温度的升高而逐渐扩散到硅片中去，而加入切削液后在刀具与硅片之间可形成一层润滑膜，使结合点的强度低于摩擦中任一材料的剪切强度，即可在二者原来的接触面处剪断，则可降低磨损，又由于形成一层润滑膜，使刀具与硅片的接触面积增大，从而降低了各个孤立点的温度与应力，也就减少了位错与扩散磨损，同时又增加了刀具的寿命，减少微裂与损伤，降低了修刀率。 五、改善切消液的悬浮性 性能优良的悬浮液兼有切削、粘滞、冷却三大功能。在悬浮液中加入研磨砂(主要成份为SiC)后的悬浮液又称砂浆。常用悬浮液为无色透明液体,具有粘滞性,能携带SiC颗粒随线网一起运动。悬浮液的渗透性为其重要性质,渗透性表现为液体的粘度和浸润性。 在切削液中加入表面活性剂，可使其产生良好的渗透作用和分散悬浮作用，渗透到磨料微粒之下,在磨粒的大强度摩擦后轻易去除破损层，又不至于伤害工件表面，提高工作的效率和速率，提高经济效益。减少磨料之间的摩擦，减少不必要的缺陷和破坏，使电子器件精度和优越性大大提高。 当固体颗粒团块受到机械力作用时，会产生微裂缝，但它很容易通过自身分子力的作用而愈合。当分散介质有表面活性剂存在时，表面活性剂分子会进入裂缝中吸附在固体界面上，产生一种“劈楔作用”。微裂缝不但无法愈合，而且越来越深和扩大，{zh1}使它分裂成碎块，使得在相同机理下会提高切割效率。 由于分散体系具有巨大的表面积，表面能很大，是热力学不稳定体系。表面活性剂吸附在固一液界面上，大大降低了表面自由能，减少了它们相互聚结的趋势。另外，由于表面活性剂吸附，使固体表面吸附层增厚，形成空间位垒，会使其稳定性增加。阻碍颗粒相互靠拢，使新的表面裸露出来与工件接触，并提高质量传输速率，进一步切割使切割效率大大提高。 六、增强清洗作用 切割过程产生的大量碎屑和硅粉,容易互相粘结且粘附在硅片和线网上，影响硅片表面粗糙度、降低切割精度,因此要求悬浮液具有清洗功能,其与液体的渗透性、流动性、粘度等因素有关。悬浮液中含有表面活性剂,可以包附在碎屑周围,使其容易脱落清洗,并附着在硅片表面抑止周围颗粒的污染。 在硅的切片过程中，切屑、油污等物易粘附在硅片表面和刀具上，影响切削效果，使机床和工件变脏，切削液中的表面活性剂一方面能吸附各种粒子、油泥，并在硅表面形成一层吸附膜，阻止粒子和油污粘附在刀具和硅表面上,另一方面可渗入到粒子和油污粘附的界面上,把粒子和油污从界面分离随切削液带走，而起到清洗作用使硅片表面洁净。 1、颗粒的去除 非离子表面活性剂不受酸、碱和电解质的影响，并具有较强的渗透力，活性剂分子可渗入硅片表面与吸附物之间向深处扩展，将颗粒托起，活性剂分子取而代之吸附在硅片表面上，同时颗粒的周围也吸附了一层活性剂分子，防止颗粒化学吸附在新生表面上。其次，由于新生的表面能量很高，会自发吸附周围浆料中的物质，非离子表面活性剂可优先吸附于一般的带电固体表面上,使物系的稳定性成倍增加。理论和实验结果都表明，硅片在水中仅吸附电势为正的粒子，而范德华力始终为引力。因此，只有通过控制颗粒与硅片之间的静电力来阻止沉积。为了抑制颗粒在衬底表面的沉积，最基本的一点是，要使衬底表面与颗粒表面必须具有相同的电势，可以通过加入表面活性剂来实现。经过实验实现了无接触花篮高效率集中清洗。可见，选择适用的表面活性剂对整个硅加工工艺的工作效率，经济效益，成品质量等多方面都有很大的益处。 2、金属离子的去除 在硅片加工中不可避免地引入了钠、镁、钙等重金属离子。这些重金属离子会使少子寿命大大下降，漏电流增加。这些金属杂质在硅中有很大的扩散系数，当硅单晶片在高温下反复加工时，杂质会进入硅片内部,使器件漏 电流增大，P -N 结软击穿，材料电阻率也会发生变化，影响器件稳定性和可靠性。尤其对于甚大规模集成电路ULSI，金属离子要求<1010，所以必须从加工每一道工序严格把关。 七、提高切削液的防锈作用 切削液略显弱碱性，p H值在10左右，在与机床、刀具接触时，切削液与机床、刀具表面的一层金属碱性氧化物不会发生反应，即不会发生腐蚀，又可在刀具形成一层保护膜，防止刀具被氧化。 采用表面活性剂型的调节剂可使溶液呈现碱性，同时可提高表面活性剂溶液的表面活性，降低表面张力，能提高溶液的综合性能。 八、减少锯丝的疲劳断裂 锯丝疲劳断裂是由于导轮的往复运动，锯丝在长期的交变应力作用下而产生的，转速越高，应力交变频率越大，疲劳断裂增加，锯丝寿命越短，含有表面活性剂的切削液在锯丝表面形成一层润滑膜，使锯丝与硅片的接触面积增大，从而降低了各个孤立点的温度与应力，使锯丝疲劳断裂大大减少。 |
