終極鉆石盤的晶圓薄化特性研究*

金旭星

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，江蘇無(wú)錫 214000)

晶圓薄化［1］是當(dāng)今在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)值得重視的技術(shù)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的日益進(jìn)步，使得集成電路朝著輕薄、小尺寸及功能強(qiáng)的目標(biāo)發(fā)展。而企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率及降低設(shè)備使用成本，推出了尺寸更大的晶圓，從最早的4英寸晶圓，到現(xiàn)今市場(chǎng)主流的18英寸晶圓。因此，如何高效高質(zhì)量地薄化大尺寸的晶圓，這是個(gè)很重要的研究課題。

然而，晶圓的高硬度及高脆性使它在加工條件上受很多的限制。利用鉆石刀具薄化晶圓到一定程度后，加工殘留下來(lái)的裂痕及加工損傷層會(huì)對(duì)工件本身的強(qiáng)度產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，必須進(jìn)行后續(xù)處理，如化學(xué)機(jī)械拋光、蝕刻等進(jìn)行修整，以消除表面損傷層，這樣就增加了加工成本以及降低了生產(chǎn)效率。因此，用以薄化晶圓的鉆石刀具很重要。若能使脆性材料的薄化過(guò)程產(chǎn)生與塑性金屬材料切削過(guò)程相似的機(jī)理，形成塑性流進(jìn)行切屑生成，也就是塑性模式移除，將會(huì)大大提升晶圓表面的精度與強(qiáng)度。

目前用來(lái)薄化晶圓的鉆石刀具多為聚晶鉆石(PCD)，因其刀刃高度不一致，造成各刀刃的切削深度不同、工件受力分布不均等缺陷。終極鉆石盤(Ultimate Diamond Disk，UDD)采用了全新的刀片式設(shè)計(jì)，克服了PCD刀具的不足，能減少工件表面刮痕損傷并延長(zhǎng)UDD的使用壽命。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察了經(jīng)UDD切削后的晶圓表面形狀、切屑形狀以及磨耗后的UDD形狀，分析了刀具轉(zhuǎn)速及切深分別對(duì)晶圓表面裂痕生成的影響，并在綜合切削力和比切削能的基礎(chǔ)上得到了UDD的加工特性。

1 終極鉆石盤

PCD鉆石盤是將顆粒狀的鉆石固定在盤上，鉆石顆粒多少因顆粒的尺寸大小以及形狀而有高度不一致的情形，鉆石顆粒高度有50～100 μm的差距，造成高度較高的鉆石顆粒在工作中易過(guò)度磨耗。

由臺(tái)灣中華砂輪公司所研發(fā) 的 終 極 鉆 石 盤(UDD)［2］，將多晶鉆石切割成頂端尖銳的刀片，取代了鉆石顆粒，將刀片固定在基座上，如圖1，刀片的平均高度僅差數(shù)個(gè)微米。UDD刀刃斷面與高度分布圖如圖2。刀刃高度幾乎一致，可達(dá)到設(shè)定實(shí)際切深以及固定的切削力，可減少表面刮痕及損傷層，切削力分布均勻，并可降低UDD的磨耗速度。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用三軸CNC綜合加工機(jī)床，利用真空吸盤固定硅晶圓工件，加工后再利用檢測(cè)設(shè)備觀察硅晶圓及UDD刀具的變化，實(shí)驗(yàn)設(shè)備架構(gòu)示意圖如圖3。

2.1 加工參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)

固定工件進(jìn)給速率50 mm/min，改變主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、3 000 r/min 以及切深1 μm、2 μm、3 μm，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1。本實(shí)驗(yàn)的目的是為了解不同轉(zhuǎn)速及切深對(duì)晶圓所帶來(lái)的表面材料的移除方式以及破壞方式，擬使用SEM來(lái)觀察表面形狀以及由塑性切削至脆性破壞轉(zhuǎn)換過(guò)程，并測(cè)量表面粗糙度以及觀察生成的切屑。

表1 加工參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)

2.2 切削力與比切削能實(shí)驗(yàn)

改變主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、3 000 r/min，工件進(jìn)給速率50 mm/min、100 mm/min以及切深0.5～3 μm。考慮到脆性和塑性切削加工時(shí)，比切削能呈現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果會(huì)有所不同，擬使用動(dòng)力計(jì)采集不同加工參數(shù)下的切削力數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算比切削能，由此分析各種加工模式的特點(diǎn)，并通過(guò)各自加工后的表面形狀來(lái)比對(duì)驗(yàn)證。

2.3 刀具磨耗實(shí)驗(yàn)

晶圓未加工前的厚度大約是525 μm，預(yù)計(jì)晶圓薄化移除量約100 μm，本實(shí)驗(yàn)是要測(cè)試UDD刀具的耐磨耗性，利用前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)累積的切削次數(shù)，使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x觀察UDD刀具表面形狀及刀刃的磨耗形態(tài)，以衡量其耐磨耗性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 晶圓表面形狀觀察

如圖4，當(dāng)切深1 μm時(shí)，由于切深較小，UDD接觸到晶圓表面的切削刀尖半徑很小，晶圓和刀尖接觸周圍的應(yīng)力為壓縮應(yīng)力并能夠抑制裂痕產(chǎn)生，晶圓被切削過(guò)的表面出現(xiàn)塑性變形的刮痕:連續(xù)性、長(zhǎng)條類似牙膏狀的延展條紋，條紋周圍并沒有明顯裂痕出現(xiàn)。隨著切深增加，切削出的刮痕周邊開始出現(xiàn)裂痕，圖5所示為切深2 μm時(shí)的晶圓表面形狀，已經(jīng)存在明顯的裂痕。

圖6為切深增加到3 μm時(shí)的晶圓表面形狀，切削深度較深的情況下，由于晶圓為單晶材料，每個(gè)結(jié)晶方向的原子排列密度不同，使每個(gè)結(jié)晶面的破壞強(qiáng)度會(huì)有差異，晶圓個(gè)體的晶粒受到UDD影響，開始沿著晶格邊界產(chǎn)生了裂痕，材料移除機(jī)理幾乎是以脆性破壞為主，表面呈現(xiàn)大規(guī)模的塊狀剝落。

UDD在切削時(shí)，施加在晶圓材料上的壓力極大，刀刃下方會(huì)形成塑性變形區(qū)，當(dāng)累積的加工能量超過(guò)塑性變形區(qū)所能負(fù)載的臨界值時(shí)，為了釋放能量，工件就會(huì)出現(xiàn)次表面裂痕(中央裂痕)以及輻射狀裂痕，輻射狀裂痕延伸并互相交錯(cuò)時(shí)會(huì)擴(kuò)大產(chǎn)生孔洞，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，溫度上升使晶圓軟化，切削阻力減小，使其切削累積的能量在塑性變形區(qū)所能負(fù)載的能量臨界值內(nèi)，材料表面裂痕出現(xiàn)的情況會(huì)大幅減少。切削深度與轉(zhuǎn)速的影響也反應(yīng)在晶圓的表面粗糙度上，同樣的切削深度，主軸轉(zhuǎn)速增加，晶圓表面能得到較好表面質(zhì)量，如圖7為本實(shí)驗(yàn)得到的不同切深與主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度Ra的影響關(guān)系圖。

3.2 裂痕生成類型

圖8為裂痕與壓縮應(yīng)力關(guān)系的示意圖，晶圓所受應(yīng)力為壓縮應(yīng)力時(shí)，它會(huì)防止裂痕擴(kuò)大延伸，當(dāng)切削深度過(guò)大或完全變形部分的切屑厚度大于切削刀具的刀尖半徑時(shí)，晶圓所受應(yīng)力開始從壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，將導(dǎo)致在刀具周圍的工件材料出現(xiàn)裂痕，產(chǎn)生垂直于材料表面的中央裂痕。加工結(jié)束移開刀具的過(guò)程中，殘留張應(yīng)力還將在表面產(chǎn)生與表面平行的側(cè)向裂痕。

UDD分布均勻且等高度的刀刃應(yīng)該會(huì)有均勻的切削表面，但在實(shí)際加工中受到了其他因素干擾。例如:受到較突出刀刃以及主軸偏擺影響造成切刃不完全等高、切屑堆積于刀刃、刀刃鈍化、局部熱膨脹、裂痕不可預(yù)期地交錯(cuò)相交等，會(huì)有部分區(qū)域出現(xiàn)比實(shí)際切深更深的破壞裂痕。

切深過(guò)大使兩道較深的中央裂痕相互交錯(cuò)連結(jié)，因而產(chǎn)生V字形的塊狀剝落，而產(chǎn)生的破壞比預(yù)定的切深還要深很多。如圖9，原本切削深度3 μm，V字形破壞則有10.8 μm的深度。最大拉應(yīng)力值是產(chǎn)生在刀具和工件接觸圓附近的表面，裂痕相對(duì)工件表面垂直產(chǎn)生，呈環(huán)狀裂痕。由圖10可驗(yàn)證，由表面開始產(chǎn)生環(huán)狀裂痕并延伸到次表面，最后產(chǎn)生洋蔥狀的剝落。

3.3 晶圓切屑形狀及移除模式觀察

使用主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min，收集不同切削深度切削出的切屑，使用SEM進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)隨著切削深度的改變，切屑的形狀呈現(xiàn)著不同的特性。

圖11a為UDD切深2 μm時(shí)形成的切屑，發(fā)現(xiàn)其切屑屬于片狀及塊狀，如碎石般呈不規(guī)則形狀，UDD接觸晶圓表面使其產(chǎn)生龜裂剝落，可以看出，切深2 μm的材料移除方式是屬于脆性破壞。

切削深度1 μm時(shí)，觀察出少數(shù)長(zhǎng)條柱狀型的切屑，如圖11b，可見切屑形態(tài)還是以片狀及塊狀切屑為主，可推測(cè)此階段，UDD對(duì)晶圓加工方式介于脆性與塑性之間。

切削深度0.5 μm 時(shí)，如圖11c，切屑呈現(xiàn)出綿密以及流動(dòng)型，類似魚鱗狀，并有細(xì)長(zhǎng)且連續(xù)的切屑出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速越快，將會(huì)出現(xiàn)更多連續(xù)細(xì)長(zhǎng)的切屑。

3.4 比切削能與切屑形狀

形成切屑的3個(gè)階段為滑擦、耕犁以及切削。切削過(guò)程中，如果滑擦與耕犁作用占大部分，產(chǎn)生大量的能量消耗，此時(shí)切屑所受的塑性變形較小。而如果切削作用占大部分，切屑承受的剪切變形較大，所呈現(xiàn)的切屑形狀、大小有著不規(guī)則變化。圖12為生成切屑示意圖。

(a)小切深，比切削能大時(shí)，移除材料以滑擦與耕犁作用占大部分，有助于塑性切削，所以生成的切屑大都為細(xì)長(zhǎng)連續(xù)型。

(b)大切深，比切削能會(huì)逐漸變小趨于一定值，移除晶圓材料過(guò)程中是以切削作用為主，晶圓表面無(wú)法承受其塑性變形，表面便有裂痕產(chǎn)生，經(jīng)切削時(shí)的剪切變形形成切屑，因切屑承受較大的應(yīng)變率，所以切屑形狀大多為不規(guī)則的塊狀以及片狀切屑。

3.5 無(wú)因次磨粒切深與等效切屑厚度

在磨削研究里無(wú)因次磨粒切深hg與等效切屑厚度heq是兩個(gè)最常用來(lái)使用的參數(shù)。UDD的加工方式雖然類似銑削加工，但隨著加工時(shí)間的增加，切刃半徑會(huì)逐漸增大，負(fù)傾角逐漸變大的特性卻類似磨削加工［3］，因此可以使用無(wú)因次磨粒切深與等效切屑厚度作為參數(shù)進(jìn)行試探性研究。

切削時(shí)，刀具接觸工件的弧長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)影響［4］，當(dāng)切深增大時(shí)，接觸弧長(zhǎng)lc也會(huì)增大，會(huì)對(duì)切削力以及比切削能造成影響，無(wú)因次磨粒切深與等效切屑厚度兩者的差異為hg與切刃的接觸弧長(zhǎng)有關(guān)，heq則無(wú)，兩者關(guān)系如式(1)。所以使用無(wú)因次磨粒切深hg作為比切削能參數(shù)較恰當(dāng)。

式中:d為切削深度;D為刀具直徑;Vw為工件進(jìn)給率;Vs為主軸轉(zhuǎn)速。

3.6 比切削能與無(wú)因次磨粒切深

小切深、高轉(zhuǎn)速、工件進(jìn)給速率慢時(shí)，UDD加工方式產(chǎn)生的比切削能較接近磨削加工的比磨削能，大的比切削能，可推斷如下原因:

(1)UDD原本尖銳的刀尖在加工過(guò)程中產(chǎn)生磨耗，切削產(chǎn)生的切屑承受較大的剪切變形。

(2)切削模式為塑性切削，消耗的能量較大。

(3)尺寸效應(yīng)，切削產(chǎn)生小的切屑，比切削能越大。

晶圓加工過(guò)程中，刀具摩擦工件表面所消耗的能量為比滑擦能(Usl)，刀具進(jìn)入工件表面但并不足以移除材料所消耗的能量為比耕犁能(Upl)，刀具進(jìn)入工件表面并移除材料產(chǎn)生切屑所消耗的能量為比切屑生成能(Uch)，比切削能U即為是由這3種能量之和，即:

圖13為切削能與無(wú)因次磨粒切深的關(guān)系圖，將比切削能與無(wú)因次磨粒切深的關(guān)系分成3部分來(lái)討論。

(1)hg小，切削過(guò)程中，UDD作用在晶圓的滑擦、耕犁過(guò)程會(huì)增加，這部分的比滑擦能與比耕犁能占了大部分，隨著hg漸漸地增加，比滑擦能逐漸地減少，并且開始有比切屑生成的產(chǎn)生，所以這部分的比切削能U組成為

(2)hg逐漸增加，切削作用變大，UDD與晶圓之間的滑擦作用幾乎沒有，比滑擦能可忽略不計(jì)，這部分的比切削能主要是由比耕犁能和比切屑生成能組成:

(3)當(dāng)hg大到一定值時(shí)，比切削能不再變化，它會(huì)趨于一定值，由于切深變大，這部分幾乎沒有滑擦和耕犁作用，主要為切削作用，消耗的能量主要為比切屑生成能:

3.7 Ra與比切削能

圖14為表面粗糙度Ra與比切削能的關(guān)系圖，由此可以探討UDD對(duì)薄化晶圓的部分加工特性。

由圖14可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，隨著切削深度從 1 μm 到 3 μm 時(shí)，Ra由 0.143 μm 逐漸增加到0.269 μm，比切削能也隨之從9 GJ/m3減少到4 GJ/m3。轉(zhuǎn)速高，切深小，進(jìn)給慢將有利于加工過(guò)程中產(chǎn)生滑擦作用，減少切削作用，所以比滑擦能占的能量比較多并有較大的比切削能，Ra呈現(xiàn)結(jié)果也比較好。因滑擦作用增加，切削模式從硬脆材料的脆性破壞切削轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃平饘僖瞥龣C(jī)理的塑性模式切削，對(duì)晶圓的表面粗糙度有很大的提升，大大降低了切削時(shí)帶來(lái)的表面破壞。反之，當(dāng)比切削能小時(shí)，切削作用增加，晶圓表面將承受較大切削力，表面出現(xiàn)裂痕的機(jī)會(huì)將增加，Ra也隨之上升。

3.8 UDD的磨耗特性

(1)頂部摩擦式磨耗

圖15中觀察出UDD經(jīng)過(guò)36.26 h的加工而產(chǎn)生的頂部摩擦式磨耗。UDD的刀刃尖銳，面對(duì)硬脆材料的晶圓，切削過(guò)程中，刀尖與晶圓接觸并產(chǎn)生摩擦，加工一段時(shí)間之后，UDD刀刃頂部鈍化，刀刃面逐漸平坦，移除能力下降，無(wú)法有效地移除晶圓材料，切削作用力也會(huì)跟著增大使晶圓表面累積過(guò)大的殘留應(yīng)力。

(2)前離隙面與側(cè)離隙面磨耗

圖16a觀察出UDD兩側(cè)刀腹面均有產(chǎn)生磨耗情形，出現(xiàn)這樣的磨耗可能是因?yàn)閁DD切深過(guò)大時(shí)，切削液無(wú)法進(jìn)入切削區(qū)內(nèi)部，使得切削時(shí)UDD溫度上升產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響到UDD本身的強(qiáng)度造成刀腹面有破碎的情形產(chǎn)生。

當(dāng)UDD刀刃頂部開始鈍化，切削作用力逐漸變大，使得UDD承受的切削阻力超過(guò)其鉆石結(jié)晶面所能夠承受的抗拉強(qiáng)度，UDD刀刃即可能出現(xiàn)微小裂痕，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的繼續(xù)切削，裂痕便會(huì)擴(kuò)大成凹洞，造成過(guò)度磨耗，如圖16b。進(jìn)而影響到UDD切削時(shí)的強(qiáng)度。圖17為UDD磨耗形態(tài)的示意圖。

4 結(jié)語(yǔ)

UDD刀片式的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)聚晶鉆石砂輪的切削方式不同，前者由26個(gè)刀片與硬脆材料(晶圓)進(jìn)行切削，后者是以砂輪與鉆石盤之磨粒進(jìn)行切削。

(1)晶圓表面的形狀受到UDD的切削深度與主軸轉(zhuǎn)速的影響，切深增加，UDD切削刀尖半徑增加，塑性變形區(qū)超過(guò)負(fù)荷能量開始產(chǎn)生裂痕并擴(kuò)大造成表面脆性剝落。而主軸轉(zhuǎn)速增加，切削力會(huì)減小并增加摩擦的機(jī)會(huì)使材料軟化利于切削，所以有效控制UDD的切削深度以及轉(zhuǎn)速便能減少晶圓表面損傷以及次表面裂痕并提升表面粗糙度。

(2)由UDD切削出的切屑可判斷其加工模式，切深0.5 μm時(shí)，切屑形狀為連續(xù)細(xì)長(zhǎng)條狀，而切深2 μm時(shí)則為片狀及塊狀切屑，由切屑的特性可判斷切深0.5 μm為塑性加工，切深2 μm則為脆性破壞移除晶圓材料。

(3)切深量小、高轉(zhuǎn)速、工件進(jìn)給速率慢、無(wú)因次磨粒切深hg小，產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)帶來(lái)了大的比切削能。

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［2］Sang J C，He S C，Hang W.The design features of Ultimate diamond disks［J］.Surface and Coatings Technology，2010，41:659 －672.

［3］Tai L L，Si X P，Hahman M.Study of the mechanism of nanoscale ductile mode cutting of silicon using molecular dynamics simulation［J］.Interantional Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2007，47:75－80.

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