硅片降本方案依据课件

报告人：切片技术科

日期：2011.10.31硅片降本方案依据报告人：切片技术科硅片降本方案依据报告内容一、切片理论二、切片机台三、成本构成四、优化方向五、结论技术工艺部2报告内容一、切片理论技术工艺部2技术工艺部一、压痕效应（a）垂直压痕硬度较高的物质在外力作用下，压入硬度较低的物质时使被压物质产生裂纹，从而实现材料的破损及断裂。硅材料属于脆性材料，加工方式同上。3技术工艺部一、压痕效应（a）垂直压痕硬度较高的物质在外力作用技术工艺部1.1硅材料加工碳化硅维氏显微硬度为2840～3320kg/mm2。莫氏硬度仅次于金刚石，在9.2-9.8之间（硅的莫氏硬度为6.5）。磨料中碳化硅莫氏硬度高于刚玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。4碳化硅：密度3.18克/cm3，比重为3.20～3.25，其碳化硅磨料的自然堆积密度在1.2--1.6g/mm³之间。硅：密度2.32-2.34克/cm3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构。技术工艺部1.1硅材料加工碳化硅维氏显微硬度为281.2切割方式固态磨料：碳化硅电镀电镀到钢线上游离砂浆：碳化硅通过悬浮液附着在钢线上。内圆切割与多线切割51.2切割方式固态磨料：碳化硅电镀电镀到钢线上游离砂浆：碳1.2.1加工方式技术工艺部从机理上来说，在自由磨料切削加工过程中，按磨粒与切割液薄膜的相对厚度的大小，有三种方式：1.滚动—嵌入(Rolling—indenting)2.滚动—刮擦(Rolling—scratc-hing)3.刮擦(Scrathing)12361.2.1加工方式技术工艺部从机理上来说，在自由磨料切削加工碳化硅质量

质量：

1、高纯度、大结晶碳化硅原材料，保证了碳化硅切割微粉优良切割性能和稳定物理状态。2、粒度形状为等积而具刃锋，保证了碳化硅微粉作为切割刃料均衡自锐性，从而保证被切割材料TTV最小化。3、粒度分布集中并且均匀。4、有高热震稳定性和荷重软化温度，这确保了在荷重切割时小线膨胀系数，从而保证切割稳定；5、表面经过特殊处理，微粉具备大比表面积和清洁外表，与聚乙二醇等切削液有很好适配性。技术工艺部7碳化硅质量质量：技术工艺部7技术工艺部1.2.2多线切割滚珠现象8非常重要：硅粉包裹在碳化硅外层，导致碳化硅锋利度变差，切割过程容易产生线痕等不良。技术工艺部1.2.2多线切割滚珠现象8非常重要：1.2.3单个磨料加工效率技术工艺部9单个磨粒材料去除率分析，传递给单个磨粒的能量可由下式给出:Bhagavant和sun指出切割效率与线速度U以及砂浆粘度η成正比，实际而言，线速度提高后切割温度会升高，砂浆的粘度会相应下降。线速度增加，入口处冲击压强增加，油膜厚度h增加。总趋势为流体动压力p增加。粒度号最大粒(ds-0值)累积高度3%点的粒径

(ds-3值)累积高度50%点的粒径(ds-50值)累积高度94%点的粒径(ds-94值)#1000322711.5±1.07.0#120027239.5±0.85.5#150023208.0±0.64.51.2.3单个磨料加工效率技术工艺部9单个磨粒材料去除率分析1.2.4磨料对损伤层的影响技术工艺部在进给速度194mm/s和线速度10m/s一定的条件下，磨粒大小和损伤层深度的关系：磨料(个/mm2）损伤层（um）6735.677929.929323.6711015.16101.2.4磨料对损伤层的影响技术工艺部在进给速1.3切割模型技术工艺部进给速度：VT线速度：Vf线弓：B锯切力：Fv钢线张力：T11在自由磨料线锯切片过程中，流体动压力使磨料压紧硅晶体，增加了材料去除速率。1.3切割模型技术工艺部进给速度：VT11在自由磨料线锯切1.3.1钢线张力影响技术工艺部12钢线直径（um）破断拉力NT张力设定N11035±31912045±52012552±52213058±52514065±52816072±5351.3.1钢线张力影响技术工艺部12钢线直径（um）破断拉力1.3.2线径影响工艺技术部13硅片厚度180微米棒长mm线径μm碳化硅D50槽距mm切口损耗因子损耗量μm负载进给速度μm/min17201609.53733.5193498454117201409.53533.5173472168017201309.53433.5163457876317201209.53333.5153442726817201109.53233.51434266400相对而言：钢线直径越粗，负载越大；载砂能力更强，切割速率越快。1.3.2线径影响工艺技术部13硅片厚度180微米棒长mm线1.3.2线速度与砂浆流量技术工艺部14线速度与砂浆携带量的关系：1.可以降低砂浆冷却温度提高粘度，增加钢线载砂量。2.线速度达到13m/s以上时，载砂能力基本饱和。1.3.2线速度与砂浆流量技术工艺部14线速度与砂浆携带量的1.3.3负载影响技术工艺部150.14mm钢线表面磨损0.12mm钢线表面磨损随负载长度增加（单块切割高度增高或槽距变小）：1.走线速度不变情况下，钢线磨损量增加（12-15微米）；2.表面磨损，光洁度变差，载砂能力变差；切割外侧硅片容易导致薄厚（切斜）、线痕等1.3.3负载影响技术工艺部150.14mm钢线表面磨损0.1.3.4进给速度与负载技术工艺部16序列切割液有效长度硅块个数切割长度进给速度砂浆用量L硅粉密度1奥克205215817203004606%2奥克205215612903403706%3奥克20521548603802806%1.3.4进给速度与负载技术工艺部16序列切割液有效长度硅块二、线锯构造技术工艺部17切片机主要部分为：钢线管理系统、导轮驱动系统、工作台切割进给系统、砂浆循环系统、冷却系统、电器柜。按照导轮个数区分线锯：有2个导轮、3个导轮、4个导轮的切片机。二、线锯构造技术工艺部17切片机主要部分为：钢线管理系统、导机台及性能技术工艺部18MeyerBurgerDS264PV800NTC442MeyerBurgerDS271机台及性能技术工艺部18MeyerBurgerDS262.2不同机台的差异-进给速度技术工艺部19HCT的B5、B6及东京制钢的W350为双排晶棒设计。NTC的PV800及MB的271为单排晶棒设计，轮间距较窄。型号主辊间距单位PV-800580mmB5660mmB6700mm2.2不同机台的差异-进给速度技术工艺部19HCT的B5、B技术工艺部202.3不用机台的差异-钢线消耗PV800收放线B5收放线B6收放线主辊驱动方式机型不同：决定了切割的走线方式单向或双向。主辊驱动方式：影响走线速度及钢线磨损量。目前B5在这两项上均不具备优势。技术工艺部202.3不用机台的差异-钢线消耗PV800收放线21技术工艺部2.4硅片切割品质的控制因子1.切割线A.线径

B.强度C.材质2.主导轮间距

A.槽间距B.角度，深度C.材质3.砂浆:A.温度B.粒型

C.黏度D.密度

4.切割机控制:A.钢线张力B.流量C.速度

a.钢线进给

b.切割速度硅片切割是典型的三体问题：硅块+钢线+砂浆21技术工艺部2.4硅片切割品质的控制因子1.切割线2.主导2.5优化方向技术工艺部22涉及到的影响因素如左图所示；此外右图提供了优化的工艺空间，可以根据产量或者成本进行调整。砂浆流量及温度、线速度及回线率、切割进给速度2.5优化方向技术工艺部22涉及到的影响因素如左图所示；砂浆2.3可调参数技术工艺部23技术研发部保存马达转速砂浆流量砂浆温度单向走线或双向走线另存钢线速度曲线张力设定及曲线工作台进给速度和曲线回线率2.3可调参数技术工艺部23技术研发部保存马达转速砂浆流量砂技术工艺部24三、成本构成有硅成本中，硅材料及加工所占比重最高。非硅成本中线砂液耗材所占成本最高。技术工艺部24三、成本构成有硅成本中，硅材料及加工所占比重最3.1硅材料加工成本25技术工艺部(钢丝+SiC粉+切削液)硅材料影响因素为：出片数及合格率。优化方向窄槽距、细钢线。“每次切割的硅成本”是指每次切割时装载到线锯上的硅锭成本。每次切割的硅原料成本硅锭转换成本每次切割的硅成本每次切割的硅锭重量∗每公斤硅原料的价格包括晶体生长、切方、去头尾、研磨和倒角等工艺步骤3.1硅材料加工成本25技术工艺部(钢丝+SiC粉+切削液3.2非硅成本“每次切割的耗材成本”指每次切割中使用的切割线、砂浆以及所有其它耗材成本，包括胶、树脂条、滑轮、导轮涂层以及开槽等。这一项很大程度上由砂浆和切割线所决定：技术工艺部26每次切割的耗材成本砂浆碳化硅切割液其他耗材胶、树脂条滑轮、导轮以及开槽等切割线3.2非硅成本“每次切割的耗材成本”指每次切割中使用的切割线技术工艺部3.3折旧费用主要项目包括：每年设备折旧、设施（电、水、气等消耗）以及工厂场地相关成本。单位时间产量越高，折旧费用相对越低，取决于硅锭质量及硅块合格高度所需求的硅片厚度及使用的钢线类型影响线锯加工周期27t切割周期主要依赖于负载长度。技术工艺部3.3折旧费用主要项目包括：每年设备折旧、设施（电技术工艺部28四、调整方向砂浆随t的增加而降低随t的减少而增加钢线随t的增加而降低随t的降低而增加折旧费用随t的增加而升高随t的减少而降低切割周期（t）?砂浆占有非硅加工成本的主要部分：在确保硅片品质稳定前提下进行调整。技术工艺部28四、调整方向砂浆随t的增加而降低随t的减少而增4.1切割损耗及回收工艺技术工艺部29碳化硅微粉中粒径小于5微米的部分切割对切割没有贡献。碳化硅微粉中扁平状及针状颗粒容易破碎。碳化硅中等积体微粉是切割的中坚力量。碳化硅的回收率取决于碳化硅质量、切割负载长度及回收工艺。使用优质碳化硅，在当前负载情况下，回收率应当高于75%。使用先进回收工艺，可以将回收率提高到80%以上。4.1切割损耗及回收工艺技术工艺部29碳化硅微粉中粒径小于54.2实验依据技术工艺部相同线速情况下：进给越快，表面损伤层越大。相同进给情况下：线速度越快，损伤层越小。单晶硅加工所需样品的制备在WXD170型往复式金刚石线切割机上完成。304.2实验依据技术工艺部相同线速情况下：进给越快，表面损伤层技术工艺部314.3方案1.降低切割进给速度，增加切割周期。2.优化砂浆配置：增加回收碳化硅比例，确保回收液粘度达标。3.保证硅片质量前提下：降低砂浆更新量。4.探讨砂浆回收新工艺，降低物流成本。5.尝试细钢线，提高每公斤硅料利用率。技术工艺部314.3方案1.降低切割进给速度，增加切割周期。技术工艺部324.3.1降低进给速度为保证切割质量，准备时间由1小时增长至2小时，保证切割前无跳线。切割进给速度不同机台由于主辊间距不同，切割负载不同，其进给速度也会相差较大。技术工艺部324.3.1降低进给速度为保证切割质量，准备时间4.3.2砂浆成本预测分析技术工艺部33砂浆更新量与回收砂比例是影响单片砂浆成本的两大主要因素。在硅粉密度相进情况下：应当优先提高回收碳化硅比例。4.3.2砂浆成本预测分析技术工艺部33砂浆更新量与回收砂比4.4硅片质量变化

技术工艺部回收砂比例的增加，整体D50值减小：有利于增加硅片的整体厚度；降低整体TTV比例；增加线痕比例；厚度对比TTV变化线痕对比344.4硅片质量变化技术工艺部回收砂比例的增4.5切割工艺对硅料利用率影响硅料价格kg/元230230230槽距mm0.350.340.33钢线型号mm0.130.120.11钢线长度km500573660钢线价格0.6430.720.87单片硅料价格/元4.804.674.53合计5.445.395.40单块长度按照210mm计算，合格率按照95%计算。使用窄槽距，细钢线有一定优势；如果合格率下降一个点，优势比较微弱。4.5切割工艺对硅料利用率影响硅料价格kg/元2302302五、结论分析表明：确保碳化硅质量前提下，回收率可以达到70%；即目前使用70%回收比例。按照硅粉浓度9%计算，当前负载（215*8mm）情况下，更新量按照500L，300L（7次）循环更新。根据负载长度，更新砂浆用量可以确保单片砂浆费用基本稳定。由于钢线长度属于定制，硅锭合格高度变化将影响单片钢线价格。技术工艺部36注：砂浆用量与钢线消耗属于交叉影响，需要实验探索最佳匹配条件！五、结论分析表明：技术工艺部36注：砂浆用量与钢线消耗属于交比较技术工艺部37序号铸锭切片工艺温度梯度控制切割能力控制优化时间-温度关系时间-速度关系改善热场优化机台洁净及维护核心硅料及杂料处理，各种硅料酸洗工艺总结。砂浆及钢线质量。针对碳化硅及钢线品质适当调整。比较技术工艺部37序号铸锭切片工艺温度梯度控制切割能力控制优硅片降本方案依据课件报告人：切片技术科

日期：2011.10.31硅片降本方案依据报告人：切片技术科硅片降本方案依据报告内容一、切片理论二、切片机台三、成本构成四、优化方向五、结论技术工艺部40报告内容一、切片理论技术工艺部2技术工艺部一、压痕效应（a）垂直压痕硬度较高的物质在外力作用下，压入硬度较低的物质时使被压物质产生裂纹，从而实现材料的破损及断裂。硅材料属于脆性材料，加工方式同上。41技术工艺部一、压痕效应（a）垂直压痕硬度较高的物质在外力作用技术工艺部1.1硅材料加工碳化硅维氏显微硬度为2840～3320kg/mm2。莫氏硬度仅次于金刚石，在9.2-9.8之间（硅的莫氏硬度为6.5）。磨料中碳化硅莫氏硬度高于刚玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。42碳化硅：密度3.18克/cm3，比重为3.20～3.25，其碳化硅磨料的自然堆积密度在1.2--1.6g/mm³之间。硅：密度2.32-2.34克/cm3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构。技术工艺部1.1硅材料加工碳化硅维氏显微硬度为281.2切割方式固态磨料：碳化硅电镀电镀到钢线上游离砂浆：碳化硅通过悬浮液附着在钢线上。内圆切割与多线切割431.2切割方式固态磨料：碳化硅电镀电镀到钢线上游离砂浆：碳1.2.1加工方式技术工艺部从机理上来说，在自由磨料切削加工过程中，按磨粒与切割液薄膜的相对厚度的大小，有三种方式：1.滚动—嵌入(Rolling—indenting)2.滚动—刮擦(Rolling—scratc-hing)3.刮擦(Scrathing)123441.2.1加工方式技术工艺部从机理上来说，在自由磨料切削加工碳化硅质量

质量：

1、高纯度、大结晶碳化硅原材料，保证了碳化硅切割微粉优良切割性能和稳定物理状态。2、粒度形状为等积而具刃锋，保证了碳化硅微粉作为切割刃料均衡自锐性，从而保证被切割材料TTV最小化。3、粒度分布集中并且均匀。4、有高热震稳定性和荷重软化温度，这确保了在荷重切割时小线膨胀系数，从而保证切割稳定；5、表面经过特殊处理，微粉具备大比表面积和清洁外表，与聚乙二醇等切削液有很好适配性。技术工艺部45碳化硅质量质量：技术工艺部7技术工艺部1.2.2多线切割滚珠现象46非常重要：硅粉包裹在碳化硅外层，导致碳化硅锋利度变差，切割过程容易产生线痕等不良。技术工艺部1.2.2多线切割滚珠现象8非常重要：1.2.3单个磨料加工效率技术工艺部47单个磨粒材料去除率分析，传递给单个磨粒的能量可由下式给出:Bhagavant和sun指出切割效率与线速度U以及砂浆粘度η成正比，实际而言，线速度提高后切割温度会升高，砂浆的粘度会相应下降。线速度增加，入口处冲击压强增加，油膜厚度h增加。总趋势为流体动压力p增加。粒度号最大粒(ds-0值)累积高度3%点的粒径

(ds-3值)累积高度50%点的粒径(ds-50值)累积高度94%点的粒径(ds-94值)#1000322711.5±1.07.0#120027239.5±0.85.5#150023208.0±0.64.51.2.3单个磨料加工效率技术工艺部9单个磨粒材料去除率分析1.2.4磨料对损伤层的影响技术工艺部在进给速度194mm/s和线速度10m/s一定的条件下，磨粒大小和损伤层深度的关系：磨料(个/mm2）损伤层（um）6735.677929.929323.6711015.16481.2.4磨料对损伤层的影响技术工艺部在进给速1.3切割模型技术工艺部进给速度：VT线速度：Vf线弓：B锯切力：Fv钢线张力：T49在自由磨料线锯切片过程中，流体动压力使磨料压紧硅晶体，增加了材料去除速率。1.3切割模型技术工艺部进给速度：VT11在自由磨料线锯切1.3.1钢线张力影响技术工艺部50钢线直径（um）破断拉力NT张力设定N11035±31912045±52012552±52213058±52514065±52816072±5351.3.1钢线张力影响技术工艺部12钢线直径（um）破断拉力1.3.2线径影响工艺技术部51硅片厚度180微米棒长mm线径μm碳化硅D50槽距mm切口损耗因子损耗量μm负载进给速度μm/min17201609.53733.5193498454117201409.53533.5173472168017201309.53433.5163457876317201209.53333.5153442726817201109.53233.51434266400相对而言：钢线直径越粗，负载越大；载砂能力更强，切割速率越快。1.3.2线径影响工艺技术部13硅片厚度180微米棒长mm线1.3.2线速度与砂浆流量技术工艺部52线速度与砂浆携带量的关系：1.可以降低砂浆冷却温度提高粘度，增加钢线载砂量。2.线速度达到13m/s以上时，载砂能力基本饱和。1.3.2线速度与砂浆流量技术工艺部14线速度与砂浆携带量的1.3.3负载影响技术工艺部530.14mm钢线表面磨损0.12mm钢线表面磨损随负载长度增加（单块切割高度增高或槽距变小）：1.走线速度不变情况下，钢线磨损量增加（12-15微米）；2.表面磨损，光洁度变差，载砂能力变差；切割外侧硅片容易导致薄厚（切斜）、线痕等1.3.3负载影响技术工艺部150.14mm钢线表面磨损0.1.3.4进给速度与负载技术工艺部54序列切割液有效长度硅块个数切割长度进给速度砂浆用量L硅粉密度1奥克205215817203004606%2奥克205215612903403706%3奥克20521548603802806%1.3.4进给速度与负载技术工艺部16序列切割液有效长度硅块二、线锯构造技术工艺部55切片机主要部分为：钢线管理系统、导轮驱动系统、工作台切割进给系统、砂浆循环系统、冷却系统、电器柜。按照导轮个数区分线锯：有2个导轮、3个导轮、4个导轮的切片机。二、线锯构造技术工艺部17切片机主要部分为：钢线管理系统、导机台及性能技术工艺部56MeyerBurgerDS264PV800NTC442MeyerBurgerDS271机台及性能技术工艺部18MeyerBurgerDS262.2不同机台的差异-进给速度技术工艺部57HCT的B5、B6及东京制钢的W350为双排晶棒设计。NTC的PV800及MB的271为单排晶棒设计，轮间距较窄。型号主辊间距单位PV-800580mmB5660mmB6700mm2.2不同机台的差异-进给速度技术工艺部19HCT的B5、B技术工艺部582.3不用机台的差异-钢线消耗PV800收放线B5收放线B6收放线主辊驱动方式机型不同：决定了切割的走线方式单向或双向。主辊驱动方式：影响走线速度及钢线磨损量。目前B5在这两项上均不具备优势。技术工艺部202.3不用机台的差异-钢线消耗PV800收放线59技术工艺部2.4硅片切割品质的控制因子1.切割线A.线径

B.强度C.材质2.主导轮间距

A.槽间距B.角度，深度C.材质3.砂浆:A.温度B.粒型

C.黏度D.密度

4.切割机控制:A.钢线张力B.流量C.速度

a.钢线进给

b.切割速度硅片切割是典型的三体问题：硅块+钢线+砂浆21技术工艺部2.4硅片切割品质的控制因子1.切割线2.主导2.5优化方向技术工艺部60涉及到的影响因素如左图所示；此外右图提供了优化的工艺空间，可以根据产量或者成本进行调整。砂浆流量及温度、线速度及回线率、切割进给速度2.5优化方向技术工艺部22涉及到的影响因素如左图所示；砂浆2.3可调参数技术工艺部61技术研发部保存马达转速砂浆流量砂浆温度单向走线或双向走线另存钢线速度曲线张力设定及曲线工作台进给速度和曲线回线率2.3可调参数技术工艺部23技术研发部保存马达转速砂浆流量砂技术工艺部62三、成本构成有硅成本中，硅材料及加工所占比重最高。非硅成本中线砂液耗材所占成本最高。技术工艺部24三、成本构成有硅成本中，硅材料及加工所占比重最3.1硅材料加工成本63技术工艺部(钢丝+SiC粉+切削液)硅材料影响因素为：出片数及合格率。优化方向窄槽距、细钢线。“每次切割的硅成本”是指每次切割时装载到线锯上的硅锭成本。每次切割的硅原料成本硅锭转换成本每次切割的硅成本每次切割的硅锭重量∗每公斤硅原料的价格包括晶体生长、切方、去头尾、研磨和倒角等工艺步骤3.1硅材料加工成本25技术工艺部(钢丝+SiC粉+切削液3.2非硅成本“每次切割的耗材成本”指每次切割中使用的切割线、砂浆以及所有其它耗材成本，包括胶、树脂条、滑轮、导轮涂层以及开槽等。这一项很大程度上由砂浆和切割线所决定：技术工艺部64每次切割的耗材成本砂浆碳化硅切割液其他耗材胶、树脂条滑轮、导轮以及开槽等切割线3.2非硅成本“每次切割的耗材成本”指每次切割中使用的切割线技术工艺部3.3折旧费用主要项目包括：每年设备折旧、设施（电、水、气等消耗）以及工厂场地相关成本。单位时间产量越高，折旧费用相对越低，取决于硅锭质量及硅块合格高度所需求的硅片厚度及使用的钢线类型影响线锯加工周期65t切割周期主要依赖于负载长度。技术工艺部3.3折旧费用主要项目包括：每年设备折旧、设施（电技术工艺部66四、调整方向砂浆随t的增加而降低随t的减少而增加钢线随t的增加而降低随t的降低而增加折旧费用随t的增加而升高随t的减少而降低切割周期（t）?砂浆占有非硅加工成本的主要部分：在确保硅片品质稳定前提下进行调整。技术工艺部28四、调整方向砂浆随t的增加而降低随t的减少而增4.1切割损耗及回收工艺技术工艺部67碳化硅微粉中粒径小于5微米的部分切割对切割没有贡献。碳化硅微粉中扁平状及针状颗粒容易破碎。碳化硅中等积体微粉是切割的中坚力量。碳化硅的回收率取决于碳化硅质量、切割负载长度及回收工艺。使用优质碳化硅，在当前负载情况下，回收率应当高于75%。使用先进回收工艺，可以将回收率提高到80%以上。4.1切割损耗及回收工艺技术工艺部29碳化硅微粉中粒径小于54.2实验依据技术工艺部相同线速情况下：进给越快，表面损伤层越大。相同进给情况下：线速度越快，损伤层越小。单晶硅加工所需样品的制备在WXD170型往复式金刚石线