金旭星

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系，江蘇無錫 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)的日益進步，使得集成電路朝著輕薄、小尺寸及功能強的目標(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，加工殘留下來的裂痕及加工損傷層會對工件本身的強度產(chǎn)生較大的負面影響，必須進行后續(xù)處理，如化學(xué)機械拋光、蝕刻等進行修整，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程產(chǎn)生與塑性金屬材料切削過程相似的機理，形成塑性流進行切屑生成，也就是塑性模式移除，將會大大提升晶圓表面的精度與強度。

目前用來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，克服了PCD刀具的不足，能減少工件表面刮痕損傷并延長UDD的使用壽命。

本文通過實驗觀察了經(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度磨耗。

由臺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，可達到設(shè)定實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 實驗設(shè)計

本實驗采用三軸CNC綜合加工機床，利用真空吸盤固定硅晶圓工件，加工后再利用檢測設(shè)備觀察硅晶圓及UDD刀具的變化，實驗設(shè)備架構(gòu)示意圖如圖3。

2.1 加工參數(shù)影響實驗

固定工件進給速率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，實驗參數(shù)如表1。本實驗的目的是為了解不同轉(zhuǎn)速及切深對晶圓所帶來的表面材料的移除方式以及破壞方式，擬使用SEM來觀察表面形狀以及由塑性切削至脆性破壞轉(zhuǎn)換過程，并測量表面粗糙度以及觀察生成的切屑。

表1 加工參數(shù)影響實驗

2.2 切削力與比切削能實驗

改變主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、3 000 r/min，工件進給速率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，比切削能呈現(xiàn)出來的結(jié)果會有所不同，擬使用動力計采集不同加工參數(shù)下的切削力數(shù)據(jù)來計算比切削能，由此分析各種加工模式的特點，并通過各自加工后的表面形狀來比對驗證。

2.3 刀具磨耗實驗

晶圓未加工前的厚度大約是525 μm，預(yù)計晶圓薄化移除量約100 μm，本實驗是要測試UDD刀具的耐磨耗性，利用前兩個實驗累積的切削次數(shù)，使用三坐標(biāo)測量儀觀察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 實驗結(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，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，晶圓被切削過的表面出現(xiàn)塑性變形的刮痕:連續(xù)性、長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，每個結(jié)晶方向的原子排列密度不同，使每個結(jié)晶面的破壞強度會有差異，晶圓個體的晶粒受到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，施加在晶圓材料上的壓力極大，刀刃下方會形成塑性變形區(qū)，當(dāng)累積的加工能量超過塑性變形區(qū)所能負載的臨界值時，為了釋放能量，工件就會出現(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時會擴大產(chǎn)生孔洞，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，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)所能負載的能量臨界值內(nèi)，材料表面裂痕出現(xiàn)的情況會大幅減少。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為本實驗得到的不同切深與主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度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，它會防止裂痕擴大延伸，當(dāng)切削深度過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，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)力超過材料的抗拉強度，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)該會有均勻的切削表面，但在實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)期地交錯相交等，會有部分區(qū)域出現(xiàn)比實際切深更深的破壞裂痕。

切深過大使兩道較深的中央裂痕相互交錯連結(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，裂痕相對工件表面垂直產(chǎn)生，呈環(huán)狀裂痕。由圖10可驗證，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，觀察出少數(shù)長條柱狀型的切屑，如圖11b，可見切屑形態(tài)還是以片狀及塊狀切屑為主，可推測此階段，UDD對晶圓加工方式介于脆性與塑性之間。

切削深度0.5 μm 時，如圖11c，切屑呈現(xiàn)出綿密以及流動型，類似魚鱗狀，并有細長且連續(xù)的切屑出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速越快，將會出現(xiàn)更多連續(xù)細長的切屑。

3.4 比切削能與切屑形狀

形成切屑的3個階段為滑擦、耕犁以及切削。切削過程中，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，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長連續(xù)型。

(b)大切深，比切削能會逐漸變小趨于一定值，移除晶圓材料過程中是以切削作用為主，晶圓表面無法承受其塑性變形，表面便有裂痕產(chǎn)生，經(jīng)切削時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 無因次磨粒切深與等效切屑厚度

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

切削時，刀具接觸工件的弧長會帶來影響［4］，當(dāng)切深增大時，接觸弧長lc也會增大，會對切削力以及比切削能造成影響，無因次磨粒切深與等效切屑厚度兩者的差異為hg與切刃的接觸弧長有關(guān)，heq則無，兩者關(guān)系如式(1)。所以使用無因次磨粒切深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為工件進給率;Vs為主軸轉(zhuǎn)速。

3.6 比切削能與無因次磨粒切深

小切深、高轉(zhuǎn)速、工件進給速率慢時，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為切削能與無因次磨粒切深的關(guān)系圖，將比切削能與無因次磨粒切深的關(guān)系分成3部分來討論。

(1)hg小，切削過程中，UDD作用在晶圓的滑擦、耕犁過程會增加，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，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，比切削能不再變化，它會趨于一定值，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，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，進給慢將有利于加工過程中產(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理的塑性模式切削，對晶圓的表面粗糙度有很大的提升，大大降低了切削時帶來的表面破壞。反之，當(dāng)比切削能小時，切削作用增加，晶圓表面將承受較大切削力，表面出現(xiàn)裂痕的機會將增加，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，面對硬脆材料的晶圓，切削過程中，刀尖與晶圓接觸并產(chǎn)生摩擦，加工一段時間之后，UDD刀刃頂部鈍化，刀刃面逐漸平坦，移除能力下降，無法有效地移除晶圓材料，切削作用力也會跟著增大使晶圓表面累積過大的殘留應(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為UDD切深過大時，切削液無法進入切削區(qū)內(nèi)部，使得切削時UDD溫度上升產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響到UDD本身的強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其鉆石結(jié)晶面所能夠承受的抗拉強度，UDD刀刃即可能出現(xiàn)微小裂痕，經(jīng)過長時間的繼續(xù)切削，裂痕便會擴大成凹洞，造成過度磨耗，如圖16b。進而影響到UDD切削時的強度。圖17為UDD磨耗形態(tài)的示意圖。

4 結(jié)語

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

(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)超過負荷能量開始產(chǎn)生裂痕并擴大造成表面脆性剝落。而主軸轉(zhuǎn)速增加，切削力會減小并增加摩擦的機會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，切屑形狀為連續(xù)細長條狀，而切深2 μm時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、工件進給速率慢、無因次磨粒切深hg小，產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)帶來了大的比切削能。

［1］林建平.再生晶圓表面輪廓之輪磨加工特性研究［D］.新竹:臺灣清華大學(xué)，2000.

［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.

［4］盧建知.粉末冶金高速鋼ASP60磨削條件之實驗與研究［D］.新竹:臺灣清華大學(xué)，2006.