黃　波1, 2　高玉飛1, 2　葛培琪1, 2
1.山東大學機械工程學院   2.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室

　　摘要：采用電鍍金剛石線鋸對單晶硅進行了鋸切實驗,使用掃描電子顯微鏡對單晶硅鋸切的表面缺陷與鋸絲失效機理進行了研究,分析了走絲速度和工件進給速度對鋸切單晶硅表面缺陷特征的影響。分析發現:線鋸鋸切的硅片表面缺陷主要有較長較深的溝槽、較淺的斷續劃痕、材料脆性去除留下的表面破碎及個別較大較深的凹坑。走絲速度增大,工件進給速度降低,鋸切材料的表面缺陷逐漸由以脆性破碎凹坑為主轉,變為以材料微切削去除留下的塑性域剪切溝槽為主。鋸絲的主要失效形式為金剛石磨粒的脫落,脫落的磨粒在鋸切過程中被擠壓嵌入加工表面造成較大尺寸較深的凹坑,對材料表面和亞表面質量的損害更為嚴重。

　　關鍵詞：金剛石線鋸;單晶硅;表面缺陷;磨損

0　引言

　　單晶硅材料廣泛地應用于各種微電子領域,如計算機系統、通訊設備、汽車、消費電子系統和工業自動控制系統等。集成電路制造中普遍采用的芯片,其制造工藝流程為:單晶生長→磨外圓→硅晶體切片→平坦化→腐蝕→拋光→清洗→圖案制造→背磨→劃片→封裝。切片是把單晶硅由硅棒變成硅片的一個重要工序,切片表面質量,直接影響著后續工序的工作量和成本。如切片的表面質量好,亞表面損傷層厚度就小,可減小后續工序的去除量,從而降低成本、提高效率。固結磨料線鋸切片技術,以其鋸口損耗小、面形精度好和切割環境清潔等優點,有望成為單晶硅等硬脆材料切片的未來發展方向。本文選擇電鍍金剛石鋸絲作為鋸切工具,對單晶硅進行了鋸切實驗,利用掃描電子顯微鏡對切割的硅片表面進行了觀察,系統研究了鋸切硅片表面產生的缺陷與鋸切工藝參數之間的關系,其結果為獲得高質量的鋸切工藝,進一步優化工藝參數,提供了實驗參考依據。本文觀察分析了電鍍金剛石鋸絲的磨損形式,揭示了鋸絲失效機理,并分析了鋸絲失效與鋸切表面缺陷之間的聯系。

1·電鍍金剛石線鋸鋸切實驗

　　1. 1　實驗方法

　　鋸切試驗選用WXD170型往復式金剛石線切割機,圖1為此切割裝置的外觀。試驗裝置采用氣動裝置來調節鋸絲的張緊力。冷卻液的供液方式采用微型潛水循環泵,通過噴嘴澆注,向鋸絲切割區供給冷卻液。

　　1. 2　實驗方案

　　實驗選用電鍍金剛石鋸絲,鋸切的單晶硅棒為45 mm,鋸切方向沿(111)晶面,切片厚度為0. 5 mm,采用水作冷卻液。加工參數與鋸切條件如表1所示。使用日立S-2500型掃描電子顯微鏡(SEM),觀察切割的硅片表面缺陷與鋸絲的磨損形態。

2·實驗結果與討論

　　2. 1　鋸切單晶硅表面缺陷

　　圖2是采用幾種不同工藝參數組合鋸切的單晶硅表面形貌的SEM照片。由圖2可以看出,電鍍金剛石線鋸鋸切單晶硅的表面缺陷,主要有較長較深的溝槽、較淺的斷續劃痕、材料脆性去除留下的表面破碎及個別較大較深的凹坑。

　　鋸切過程中鋸絲為往復式運轉,當鋸絲要換向運轉時,此時線速為零,而工件依然在進給,鋸絲彈性變形增大,使此時的鋸切力變大,因此鋸切表面容易產生較深溝槽。鋸絲上磨粒凸出高度不均或黏附在鋸絲上的切屑隨鋸絲運動時,在加工表面會產生溝槽和劃痕;再就是鋸絲隨機的振動,會導致金剛石磨粒在材料表面任意地產生斷續劃痕。一些較淺的劃痕也可能是個別出露高度低磨粒進行塑性域切削的結果。工件表面殘留大量的破碎凹坑,呈彈坑狀的表面形貌,可說明材料主要是在脆性方式下去除,切屑的形成是裂紋擴展交叉的結果,材料最終以微觀與宏觀破碎的塊狀去除。顯然,破碎凹坑對鋸切表面亞表面的損傷程度要大于表面劃痕。

　　硅片切割表面上存在個別較大較深的凹坑,見圖2b,可能是由于在切割過程中,脫落的金剛石磨粒被擠壓嵌入加工表面所造成,對材料表面和亞表面質量的損害更為嚴重。

　　2. 2　走絲速度對鋸切表面缺陷特征的影響

　　圖3是工件進給速度為6. 25μm/s,采用不同的走絲速度鋸切單晶硅產生的表面缺陷。當走絲速度1. 0 m/s時,鋸切表面存在明顯的脆性斷裂、破碎和凹坑,使表面呈現大量凹坑交錯的形貌。加工后晶片的表面,主要由材料的脆性斷裂面構成,斷裂面隨機分布,不具有明顯的方向性,表面比較粗糙。這些現象說明:在此工藝參數組合下的晶片表面,是由材料完全脆性去除方式形成的,在鋸切表面留下的缺陷為脆性破碎凹坑,損傷深度較大。

　　保持進給速度不變,當鋸絲速度1. 0 m/s增大到1. 5 m/s時,從圖3a到3b,此時鋸切表面依然存在大量脆性破碎,但破碎凹坑的尺寸及深度減小,鋸切表面出現了部分塑性剪切形成的溝槽,這是因為鋸絲速度的提高能增加單位時間內參加切削的磨粒數,從而使得單顆磨粒單位時間內的平均材料去除率降低。但此時加工表面的材料去除依然以脆性為主,磨粒塑性剪切或犁耕作用形成的溝槽在加工表面為輔。此時鋸切材料的表面缺陷同時存在脆性破碎與塑性劃痕,脆性破碎的深度要大于塑性劃痕。鋸絲速度由1.5m/s增大到2m/s時,晶片的表面缺陷并沒有明顯的變化,如圖3b和3c。

　　2. 3工件進給速度對鋸切表面缺陷特征的影響

　　圖4是走絲速度為1. 5 m /s,采用不同的工件進給速度鋸切單晶硅產生的表面缺陷。工件進給速度6. 25μm/s時,鋸切表面存在大量脆性破碎的同時,出現了部分塑性剪切形成的溝槽,如圖4a。

　　當工件進給速度降低到2. 5μm/s時,如圖4b,加工表面出現較多的塑性剪切或微切削形成的淺溝槽,但表面同樣也存在許多脆性斷裂和微破碎。此時加工晶片的表面缺陷同時存在材料脆性斷裂去除留下的微破碎和磨粒塑性微切削留下的塑性溝槽,而且表面的缺陷,逐漸由以脆性破碎為主轉變為兩者占據的比例相當。但鋸切表面依然會偶爾出現較大尺寸的凹坑,可能由脫落金剛石磨粒的擠壓嵌入作用引起。當工件進給速度進一步降低到1. 0μm/s時,鋸切材料去除時的塑性域剪切和微切削作用為主,獲得的鋸切表面主要由光滑的剪切平面和微切削溝槽構成,微切削溝槽具有明顯的方向性,總體上加工表面比較光滑,如圖4c。加工表面依然存在一些脆性斷裂或破碎形成的凹坑缺陷,主要是鋸絲表面尺寸較大的磨粒或鋸絲的橫向振動引起。此時表面上的破碎凹坑的數量、尺寸與深度已大大減小,加工表面質量比較高。

　　分析鋸切表面的不同缺陷特性,為研究材料的去除方式與材料去除的脆塑轉變,提供了實驗依據與參考。如當工件進給速度為1. 0μm/s時,根據觀察的鋸切表面缺陷形式與特征,加工表面的材料去除出現了較大范圍的塑性剪切,是材料去除主要的方式。材料主要依靠磨粒對工件材料的剪切作用和微切削而得以去除,去除機理主要是以塑性剪切切削機理為主。但在實驗中采用的工藝參數下獲得的鋸切表面中,都能觀察到數量極少的個別尺寸較大、深度較深的脆性凹坑,這并不符合鋸切表面缺陷特性與工藝參數之間的影響規律,這些凹坑出現,極有可能是因為存在個別尺寸較大的磨粒或脫落磨粒的擠壓嵌入作用,因此深刻了解鋸絲的失效機理對于分析鋸切表面的缺陷特性具有深刻意義。

　　2. 4金剛石鋸絲失效機理分析

　　借助掃描電鏡觀察切割后鋸絲的磨損情況。同大多數的金剛石工具類似,鋸絲的磨損存在磨粒磨損與鍍層磨損兩方面。磨粒磨損主要有磨粒脫落、磨粒整體與局部破碎、磨粒折斷和磨平等,鍍層磨損主要表現為鍍層表面直接與加工材料接觸,產生磨損,這主要發生在鋸切加工后期,此時金剛石鋸絲已經失去加工能力。圖5為電鍍金剛石鋸絲在不同加工階段的外觀。

　　由圖5b可見,使用過一段時間后的鋸絲,表面出現明顯的磨粒脫落現象,而鋸絲表面依然存在一些完整晶形的金剛石磨粒,部分磨粒在沒有完全發揮切削性能的時候已經整體脫落,這說明磨粒的脫落是鋸絲的主要磨損形式,磨粒的脫落直接影響鋸絲的切割能力。鋸絲鍍層的磨損主要發生于磨損的后期,如圖5c,由于金剛石磨粒的不斷破碎與脫落,使金屬鍍層與工件材料直接接觸發生摩擦,磨損速度加快;同時鍍層的磨損和軟化使鋸絲表面剩余的磨粒快速脫落,鋸絲整體處于急劇磨損階段,達到完全失效。因此鋸絲失效的機理是表面固結的金剛石磨粒的快速、大量地脫落。因此為提高鋸絲的壽命,發揮金剛石的切割能力,鋸絲制造過程中應研究新措施來提高磨粒的把持力。  

3·結論

　　(1)往復式電鍍金剛石線鋸鋸切的硅片表面缺陷主要有較長較深的溝槽、較淺的斷續劃痕、材料脆性去除留下的表面破碎及個別較大較深的凹坑。

　　(2)走絲速度增大,工件進給速度降低,鋸切材料的表面缺陷逐漸由以脆性破碎凹坑為主,轉變為以材料微切削去除留下的塑性域剪切溝槽為主,此時表面上的破碎凹坑的數量、尺寸與深度已大大減小,加工表面的表面質量也比較高。

　　(3)鋸絲的主要失效機理為金剛石磨粒的脫落,并沒有完全發揮金剛石磨粒的切削性能。脫落的磨粒在鋸切過程中被擠壓嵌入加工表面造成較大尺寸較深的凹坑,對材料表面和亞表面質量的損害更為嚴重。