电镀金刚石线锯切割单晶硅技术及机理研究

电镀金刚石线锯切割单晶硅技术及机理研究

目前,半导体材料广泛地应用于各种微电子领域,如计算机系统、电子通讯设备、汽车、消费电子系统和工业自动控制系统等,而绝大多数的半导体材料是采用硅晶片。切片是把单晶硅由硅棒变成硅片的一个重要工序,切片质量的好坏直接影响着后续工序的工作量和成本。

固结磨料线锯切片技术以其锯切效率高、锯口损耗小、面形精度高和切割环境清洁等优点,有望成为单晶硅等硬脆材料切片的未来发展方向。本文对电镀金刚石线锯切割单晶硅技术进行了深入的试验研究与理论分析,以期为电镀金刚石线锯切片技术的进一步应用提供试验和理论依据。

在理论上探讨了单晶硅各向异性材料特性对电镀金刚石线锯切割硅晶片过程影响。分析了锯丝沿不同的晶面、晶向锯切对晶片质量的影响规律,并推荐了首选的锯丝切入方向。

研究发现,在确定的工艺参数下,当锯丝切入方向使锯切两边材料的弹性模量分布关于锯丝切入方向呈对称性时,可有效地提高晶片面形质量。锯丝切入方向与被锯切晶面内的易开裂方向一致时,可有效减少晶片表面破碎。

综合锯丝切入方向对晶片面形质量和表面破碎两方面影响的分析结果,锯切（100）晶面时,首选锯丝切入方向为[001]、[010]、[00（?）]和[0（?）0];锯切（110）晶面时,首选锯丝切入方向为[1（?）0]和[（?）10];锯切（111）晶面,[1（?）0],[（?）10],[01（?）],[0（?）1],[（?）01]和[10（?）]为首选的锯丝切入方向。通过往复式电镀金刚石线锯加工单晶硅的试验,研究了锯丝速度,工件进给速度和切削液对锯切硅片表面形貌、表面粗糙度（SR）、翘曲度（Warp）、总厚度偏差（TTV）和亚表面损伤层厚度（SSD）的影响规律,

并研究了锯丝磨损的形态和机理。

在试验采用的工艺参数范围内,硅片的SR与SSD值随锯丝速度提高和工件进给速度降低而减小;硅片的Warp随锯丝速度和工件进给速度降低而减小;而综合考虑锯丝速度与进给速度的合理匹配关系是获得硅片低TTV值的原则。锯切试验中使用合成液做切削液改善晶片表面形貌,降低硅片的表面粗糙度、翘曲度和TTV的综合效果最好。

研究发现电镀金刚石锯丝的磨损形式分为镀层磨损与磨粒磨损,主要磨损形式为磨粒的脱落,因此锯丝制造过程中应研究新措施来提高磨粒的把持力,从而提高锯丝的寿命。建立了锯丝表面周向分布的磨粒在锯切过程中的平均切削厚度理论模型,并结合观察加工表面形貌和切屑形态,研究了电镀金刚石线锯加工单晶硅的材料去除和加工表面形成机理,分析了加工表面材料去除方式与工艺参数的关系。

锯丝表面周向分布的磨粒切深与磨粒所在的位置有关,位于锯丝底部的磨粒切深大,主要贡献于材料的去除,形成锯口,实现切片;而分布于靠近加工表面的磨粒切深小,主要贡献于晶片表面的形成。当使用同一种锯丝进行单晶硅的加工时,锯丝表面某一位置处的磨粒平均切削深度g和工件进给速度V_W与锯丝速度V_S的比值q之间存在着近似的非线性的单调递增关系,为g∝D（·V_W/V_S）^4/9,其中D为常数。

硅片表面的材料去除方式与q值相关,在本文的试验条件下,当q≤1.0μm/mm时,硅片表面的材料去除可实现准塑性域去除方式。建立了锯切硅片亚表面损伤层厚度预测的理论模型。

该模型把线锯加工中磨粒的切削过程近似为受法向力与切向力共同作用的压头移动过

程,综合考虑磨粒下方弹性应力场与残余应力场对中位裂纹扩展长度的影响。把中位裂纹扩展层深度看成是亚表层损伤层厚度,把磨粒下方横向裂纹产生深度看成是锯切后表面p-v粗糙度值,从而建立了亚表层损伤层厚度与表面粗糙度值之间的理论模型,用于预测损伤层厚度。

锯切硅片的SSD值与加工表面的粗糙度值SR（R_z）之间存在非线性的单调递增的关系,即SSD—SR+χSR^3/4。采用此理论模型预测的SSD厚度值与试验测量值误差在12.78%内,说明理论预测结果与试验检测结果较为吻合,利用建立的理论模型能够快速、简便和准确预测线锯加工单晶硅的亚表面损伤层厚度。

高性能的固结磨料金刚石锯丝的研制是线锯技术发展应用的关键,因此对电镀金刚石锯丝制造技术进行了初步的试验研究,研究及优化了电镀金刚石锯丝的制作工艺与电镀参数。试验选取φ200μm的琴钢丝为基体和平均磨粒粒度为20μm的金刚石磨粒制作锯丝。

通过分析锯丝制作过程中镀底层、上砂等过程的电流密度与上砂时间对锯丝的外观质量、锯丝表面金刚石磨粒密度和镀层与基体间结合力的影响规律,得到了制作电镀金刚石锯丝的最佳工艺参数。上砂过程采用埋砂法,制作质量良好的电镀金刚石锯丝的最佳工艺参数为:电镀液温度为35～40℃,PH值为3.8～4.2,对应各阶段的电流密度分别为1.8、1.5和2.0A/dm²,其镀底层、上砂与加厚镀的时间依次为6、8和18min。

电镀后的锯丝在200℃环境内保温一小时进行除氢处理。试制锯丝直径为250μm,提高了加工材料的利用率。