《第三章-半导体晶体的切割及磨削加工.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第三章-半导体晶体的切割及磨削加工.pdf(18页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、1 liuzhidong1 LOGO 第三章 半导体晶体的 切割及磨削加工 第三章 半导体晶体的 切割及磨削加工 第三章 半导体晶体的 切割及磨削加工 第三章 半导体晶体的 切割及磨削加工 liuzhidong2 硅片加工准备阶段的流程硅片加工准备阶段的流程 liuzhidong3 单晶硅片加工过程模拟单晶硅片加工过程模拟单晶硅片加工过程模拟单晶硅片加工过程模拟 liuzhidong4 一、 硅单晶棒的截断一、 硅单晶棒的截断 对硅单晶棒首先需要采用外圆切割(OD Saw)、内 圆切割(ID Saw)或带锯切割(Band Saw)进行两头截 断,其目的主要是: 对硅单晶棒首先需要采用外圆切割(
2、OD Saw)、内 圆切割(ID Saw)或带锯切割(Band Saw)进行两头截 断,其目的主要是: 切除硅单晶棒的头(硅单晶的籽晶和放肩部分)、 尾及直径小于规格要求的部分; 切除硅单晶棒的头(硅单晶的籽晶和放肩部分)、 尾及直径小于规格要求的部分; 将硅单晶棒切割成切片机便于处理长度的晶棒段;将硅单晶棒切割成切片机便于处理长度的晶棒段; 对硅单晶棒切取样片,以检测其电阻率、氧对硅单晶棒切取样片,以检测其电阻率、氧/碳含量、 晶体缺陷等质量参数。 碳含量、 晶体缺陷等质量参数。 第一节 半导体传统切割方法第一节 半导体传统切割方法 liuzhidong5 晶体截断加工时,切割断面应平整并与
3、单晶棒轴线垂 直。由于硅晶体硬(莫氏硬度7)而脆,对其进行加工多采 用金刚石刀具。晶体截断的关键问题是如何减少材料损失。 硅晶体截断加工的主要方式有以下几种: 晶体截断加工时,切割断面应平整并与单晶棒轴线垂 直。由于硅晶体硬(莫氏硬度7)而脆,对其进行加工多采 用金刚石刀具。晶体截断的关键问题是如何减少材料损失。 硅晶体截断加工的主要方式有以下几种: (1).(1).外圆切割外圆切割外圆切割外圆切割 外圆切割采用外圆金刚石刀片对硅晶体进行切割。由于 刀片本身强度的限制,其直径不能做得太大 外圆切割采用外圆金刚石刀片对硅晶体进行切割。由于 刀片本身强度的限制,其直径不能做得太大(一般不大于一般不
4、大于 500mm),刀片厚度较大,刀片厚度较大(2mm),硅晶体刀口损失大 ( ,硅晶体刀口损失大 (3mm),该方法不适宜大直径硅晶体截断加工。但由 于设备简单、价格低,目前产量不大的硅单晶厂仍在使用。 ),该方法不适宜大直径硅晶体截断加工。但由 于设备简单、价格低,目前产量不大的硅单晶厂仍在使用。 liuzhidong6 外外外外 圆圆圆圆 切切切切 割割割割 机机机机 2 liuzhidong7 外圆锯切是最早开发的锯切硅晶片的工艺。这种方 法与砂轮外圆磨削相似,把薄的金刚石锯片夹持在高速 旋转的主轴上,用外径上的金刚石磨粒锯切工件。 目前外圆切片还用在单晶硅棒切方方面(俗称开 方),通
5、常用两片金刚石外圆切割片同时装在单晶硅切 方装置上,将单晶硅圆棒加工成硅方棒。加工后的单晶 硅棒成对称矩形。 对专用于单晶硅棒切方用金刚石外圆切割片的要求是 其刃口越薄越好。金刚石外圆切割锯片在单晶硅棒切方 装置上是两片同时使用,将硅棒切成对称矩形。 外圆锯切是最早开发的锯切硅晶片的工艺。这种方 法与砂轮外圆磨削相似,把薄的金刚石锯片夹持在高速 旋转的主轴上,用外径上的金刚石磨粒锯切工件。 目前外圆切片还用在单晶硅棒切方方面(俗称开 方),通常用两片金刚石外圆切割片同时装在单晶硅切 方装置上,将单晶硅圆棒加工成硅方棒。加工后的单晶 硅棒成对称矩形。 对专用于单晶硅棒切方用金刚石外圆切割片的要求
6、是 其刃口越薄越好。金刚石外圆切割锯片在单晶硅棒切方 装置上是两片同时使用,将硅棒切成对称矩形。 liuzhidong8 单晶硅棒开方设备单晶硅棒开方设备 liuzhidong9 单晶硅方棒单晶硅方棒 liuzhidong10 由于单晶硅切割面要求平整,表面要求无滑道、 无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑等,故成对的 切割片必须具有相同的机械物理性能。因此,基体材 质、金刚石选用与处理以及生产工艺都须有严格的特 殊的要求。在单晶硅棒切方过程中,对切割片的效率 和使用寿命也有一定的要求。 由于单晶硅切割面要求平整,表面要求无滑道、 无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑等,故成对的 切割片必须具有相
7、同的机械物理性能。因此,基体材 质、金刚石选用与处理以及生产工艺都须有严格的特 殊的要求。在单晶硅棒切方过程中,对切割片的效率 和使用寿命也有一定的要求。 liuzhidong11 单晶硅具有金刚石晶格,晶体脆而硬,很难用常规工具 完成加工。金刚石外圆切割片在切割单晶硅时,线速度高达 30m/s,锯齿在切割过程中反复承受脉冲式工作载荷,因此 要求胎体要具有高的硬度和耐磨性,使之在切割过程中与金 刚石的磨损相适应。 单晶硅具有金刚石晶格,晶体脆而硬,很难用常规工具 完成加工。金刚石外圆切割片在切割单晶硅时,线速度高达 30m/s,锯齿在切割过程中反复承受脉冲式工作载荷,因此 要求胎体要具有高的硬
8、度和耐磨性,使之在切割过程中与金 刚石的磨损相适应。 金刚石外圆切割片的制造工艺金刚石外圆切割片的制造工艺 liuzhidong12 因此选用低温电沉积法制造金刚石外圆切割锯 片。其优点是: 因此选用低温电沉积法制造金刚石外圆切割锯 片。其优点是: 工艺温度低,避免了对金刚石的热损伤;工艺温度低,避免了对金刚石的热损伤; 沉积金属镍层本身有较高的硬度(HRC40), 加之组织致密,对金刚石具有良好的浸润性,金 刚石不易脱落; 沉积金属镍层本身有较高的硬度(HRC40), 加之组织致密,对金刚石具有良好的浸润性,金 刚石不易脱落; 可生产很薄且金刚石浓度很高的切割片;可生产很薄且金刚石浓度很高的
9、切割片; 设备简单、操作方便,制造成本低。设备简单、操作方便,制造成本低。 3 liuzhidong13 电沉积金刚石切割片电沉积金刚石切割片 liuzhidong14 用于切割单晶硅切方的外圆切割片,其半径必须大 于单晶硅棒的直径。直径一般约为100-300mm的单晶硅 锭,为满足切割要求,切割片的直径在300-700mm, 锯片刀口的厚度从1.8mm-3.4mm之间。 随着外圆锯切技术的发展与工件直径的增大,外圆 锯片的直径也不断增大,因此锯片的刚性降低,刃口摆 动量难以控制。为了增加锯片的刚度,刀体厚度增加, 导致锯痕变宽、材料损耗增大,锯切质量变差,难以锯 切出薄片。因此,外圆锯切方法
10、己很少使用,主要用来 加工端面和晶向偏转大、长晶体的定向加工。对于大尺 寸材料,主要用于整形加工。 用于切割单晶硅切方的外圆切割片,其半径必须大 于单晶硅棒的直径。直径一般约为100-300mm的单晶硅 锭,为满足切割要求,切割片的直径在300-700mm, 锯片刀口的厚度从1.8mm-3.4mm之间。 随着外圆锯切技术的发展与工件直径的增大,外圆 锯片的直径也不断增大,因此锯片的刚性降低,刃口摆 动量难以控制。为了增加锯片的刚度,刀体厚度增加, 导致锯痕变宽、材料损耗增大,锯切质量变差,难以锯 切出薄片。因此,外圆锯切方法己很少使用,主要用来 加工端面和晶向偏转大、长晶体的定向加工。对于大尺
11、 寸材料,主要用于整形加工。 金刚石外圆切割片基体的尺寸金刚石外圆切割片基体的尺寸金刚石外圆切割片基体的尺寸金刚石外圆切割片基体的尺寸 liuzhidong15 内圆切割采用内圆金刚石刀片对硅晶体进行切割,设备 与内圆切片机类似。采用该方法时,硅晶体刀口损失小(一 般小于0.4mm),除进行正常截断加工之外,还可以切取较 薄的测试样品(0.6-1.0mm)。目前,8in内圆截断机已有商 品供应市场,虽然价格较贵,但对大型硅单晶厂是适用的。 目前,中、小尺寸晶片切割主要采用内圆切割方法。这 种方法是在刀片内径电镀金刚石磨料作为切削刃。 内圆切割采用内圆金刚石刀片对硅晶体进行切割,设备 与内圆切片
12、机类似。采用该方法时,硅晶体刀口损失小(一 般小于0.4mm),除进行正常截断加工之外,还可以切取较 薄的测试样品(0.6-1.0mm)。目前,8in内圆截断机已有商 品供应市场,虽然价格较贵,但对大型硅单晶厂是适用的。 目前,中、小尺寸晶片切割主要采用内圆切割方法。这 种方法是在刀片内径电镀金刚石磨料作为切削刃。 (2).内圆切割。内圆切割。 liuzhidong16 内圆切割刀片内圆切割刀片 liuzhidong17 内圆切割机床按照主轴的方向可以分为立式和卧式两种 结构。卧式切片机便于取片,但是大质量的主轴为悬臂结 构,在高速旋转的情况下,由于偏心容易产生振动,而立 式机床则避免了这个缺
13、点。 晶体典型的特征是各向异性,切割方向对晶片的性质有 着很大的影响,因此加工机床带有晶向调节机构。晶向调 节机构有二维和四维之分。二维调节机构适于加工无晶向 脆硬材料。四维调节机构可以使工作台垂直转动 内圆切割机床按照主轴的方向可以分为立式和卧式两种 结构。卧式切片机便于取片,但是大质量的主轴为悬臂结 构,在高速旋转的情况下,由于偏心容易产生振动,而立 式机床则避免了这个缺点。 晶体典型的特征是各向异性,切割方向对晶片的性质有 着很大的影响,因此加工机床带有晶向调节机构。晶向调 节机构有二维和四维之分。二维调节机构适于加工无晶向 脆硬材料。四维调节机构可以使工作台垂直转动(范围 范围 20)
14、,水平转动,水平转动( 10 ),实现晶体的精密定向切割。,实现晶体的精密定向切割。 内圆切割机床内圆切割机床内圆切割机床内圆切割机床 liuzhidong18 内圆切割机示意图内圆切割机示意图 4 liuzhidong19 J5010I-1型立式内圆切片机J5010I-1型立式内圆切片机 liuzhidong20 内圆切割刀片是一个圆环,由刀片基体和内圆磨料工作 部分组成。刀片基体通常为不锈钢,厚度通常为0.1-0.15mm。 随着加工晶体直径的增大,基体厚度也增加。 刀片在靠近外圆处,有用来与主轴连接的螺栓孔。内圆 用复合电镀的方法镀一层金刚石粉,形成一定厚度的金刚石 刃口。镀层时,镀液中
15、杂质含量对刀片的工作寿命有着显著 的影响。镀液中 内圆切割刀片是一个圆环,由刀片基体和内圆磨料工作 部分组成。刀片基体通常为不锈钢,厚度通常为0.1-0.15mm。 随着加工晶体直径的增大,基体厚度也增加。 刀片在靠近外圆处,有用来与主轴连接的螺栓孔。内圆 用复合电镀的方法镀一层金刚石粉,形成一定厚度的金刚石 刃口。镀层时,镀液中杂质含量对刀片的工作寿命有着显著 的影响。镀液中Fe3+、Cu2+、Zn2+、Cr6+和和NO3-等离子 的浓度增加,复合镀层的结合力急剧下降,刀片寿命急剧下 降,甚至使切出的晶片成为废品。 等离子 的浓度增加,复合镀层的结合力急剧下降,刀片寿命急剧下 降,甚至使切出
16、的晶片成为废品。 内圆切割刀片的结构内圆切割刀片的结构 liuzhidong21 内圆切割时,切割刀片由主轴带动高速旋转,同时相对工 件径向进给。内圆切割技术的优点在于: 内圆切割时,切割刀片由主轴带动高速旋转,同时相对工 件径向进给。内圆切割技术的优点在于: 切片精度高,直径为300mm晶片的厚度差仅为0.01mm;切片精度高,直径为300mm晶片的厚度差仅为0.01mm; 切片成本低,同规格级的内圆切片机价格是线切割机价格 的1/3-1/4; 切片成本低,同规格级的内圆切片机价格是线切割机价格 的1/3-1/4; 每片都可以进行晶向调整和切片厚度调整;每片都可以进行晶向调整和切片厚度调整;
17、 小批量多规格加工时,具有灵活的可调性。小批量多规格加工时,具有灵活的可调性。 liuzhidong22 其缺点是:其缺点是: 晶片表面损伤层较大;晶片表面损伤层较大; 刀口宽,材料损失大;刀口宽,材料损失大; 生产率低,每次只切割一片;生产率低,每次只切割一片; 不适合加工大直径硅晶片。不适合加工大直径硅晶片。 liuzhidong23 金刚砂线切割是采用嵌有金刚石粉的高强度钢线对硅 晶体进行切割。由于所用钢线直径细(约0.2mm),硅晶体刀 口损失较小(约0.21mm),可切割任意直径单晶(1-8in),可 对晶体进行截断加工,也可切取薄样品(0.3-0.5mm)。有单 线和多线(三线或四
18、线)金刚砂线硅段切割机。多线金刚砂 线硅段切割机,可任意调节切割线之间的距离,同时完成硅 晶体截断和取样的加工。该设备在被切割晶体下面装有数个 金刚砂线切割是采用嵌有金刚石粉的高强度钢线对硅 晶体进行切割。由于所用钢线直径细(约0.2mm),硅晶体刀 口损失较小(约0.21mm),可切割任意直径单晶(1-8in),可 对晶体进行截断加工,也可切取薄样品(0.3-0.5mm)。有单 线和多线(三线或四线)金刚砂线硅段切割机。多线金刚砂 线硅段切割机,可任意调节切割线之间的距离,同时完成硅 晶体截断和取样的加工。该设备在被切割晶体下面装有数个 “V V”形托架,采用了摇摆式切割方式,切割表面非常平
19、滑。 该方法很有发展前途。 形托架,采用了摇摆式切割方式,切割表面非常平滑。 该方法很有发展前途。 (3).金刚砂线切割。金刚砂线切割。 liuzhidong24 金刚砂线切割机床运丝部分金刚砂线切割机床运丝部分 5 liuzhidong25 金刚砂线切割机床进给部分金刚砂线切割机床进给部分 liuzhidong26 金刚砂线切割机床走丝切割部分金刚砂线切割机床走丝切割部分 liuzhidong27 金刚砂线切割机床工作台部分金刚砂线切割机床工作台部分 liuzhidong28 双线金刚砂线切割机床双线金刚砂线切割机床 liuzhidong29 带锯切割是采用刃口嵌有金刚石粉的薄钢带对硅晶体
20、进行切割。其刀片厚度较小(0.7mm),硅晶体刀口损失 小(0.8mm),可切割任意直径硅单晶。设备简单可靠, 价格低。 带锯切割是采用刃口嵌有金刚石粉的薄钢带对硅晶体 进行切割。其刀片厚度较小(0.7mm),硅晶体刀口损失 小(0.8mm),可切割任意直径硅单晶。设备简单可靠, 价格低。 (4).带锯切割。带锯切割。 liuzhidong30 日本东京精机公司日本东京精机公司BSM-700HL直径直径300mm 硅单晶棒截断系统硅单晶棒截断系统 6 liuzhidong31 切片是把圆柱形的硅单晶锭切割成厚度一定的硅片的过 程。 硅切片的主要参数有硅片晶向、硅片厚度、总厚度偏差、 弯曲度、翘
21、曲度等。这些参数的精度对后道工序的加工(如 硅片研磨、硅片腐蚀和硅片抛光等)起着直接决定的作用。 由于金刚石在硬度、抗压强度、导热率、摩擦系数等方面 均比较合适,故一般以此粉末加上合适的切削液润滑作摩擦 剂,使用切片机将硅单晶棒切成一定厚度的薄晶片(即硅切 片)。 硅片切割目前大多采用内圆切割和多线切割这两种方 法,此外还有近期出现的固结磨料线锯切割方法。 切片是把圆柱形的硅单晶锭切割成厚度一定的硅片的过 程。 硅切片的主要参数有硅片晶向、硅片厚度、总厚度偏差、 弯曲度、翘曲度等。这些参数的精度对后道工序的加工(如 硅片研磨、硅片腐蚀和硅片抛光等)起着直接决定的作用。 由于金刚石在硬度、抗压强
22、度、导热率、摩擦系数等方面 均比较合适,故一般以此粉末加上合适的切削液润滑作摩擦 剂,使用切片机将硅单晶棒切成一定厚度的薄晶片(即硅切 片)。 硅片切割目前大多采用内圆切割和多线切割这两种方 法,此外还有近期出现的固结磨料线锯切割方法。 二、二、二、二、 硅切片加工硅切片加工硅切片加工硅切片加工 liuzhidong32 采用内圆嵌有金刚石粉的内圆刀片,对硅单晶锭进行切 割,每次切割一片。与外圆切割相比,内圆切割在效率和节 约硅材料方面有长足的进步,但内圆刀片刃口颗粒的锋利程 度,刀片的张力等因素对硅切片的参数(特别是弯曲度)和 表面质量影响很大。随着硅片直径不断增大,为了解决这个 问题,高水
23、平的内圆切片机增加了电脑控制的自动修刀系统 和刀片导向系统,提高了切片精度。 1. 内圆切割内圆切割 liuzhidong33 用高强度的钢线(直径0.15-0.20mm)被导轮排成的 钢线面,钢线面中钢线间距即为待切硅片厚度,钢线面与 硅单晶锭作相对运动,同时钢线做前后往复运动并作为载 体携带着高硬度磨砂(例如莫氏硬度为9的碳化硅),磨砂 对硅单晶进行研磨,从而完成切片加工。由于切口窄(约 0.22mm),大大降低了硅材料的损耗。目前具有两层钢线 面,能同时对两层单晶锭进行切割的所谓双台面多线切割 机已投入市场,大大提高了生产效率。大直径硅单晶 (200mm以上)的切片加工,普遍采用多线切割
24、。 2. 多线切割多线切割 liuzhidong34 单层硅锭多线切割原理图单层硅锭多线切割原理图 liuzhidong35 双层硅锭多线切割原理图双层硅锭多线切割原理图 liuzhidong36 游离磨料多线切割技术始于上世纪九十年代初期,与传 统的金刚石内圆切割技术相比,具有切割效率高、切口材 料损耗小、表面损伤程度浅、切割噪声小等优点,能满足 晶圆大直径化发展的加工需求。 近年来,国内外研究者越来越重视游离磨料线切割技术 的研究,在游离磨料线切割过程材料去除机理、切割线振 动、切割温度等方面展开了研究。 应用于晶体材料的游离磨料多线切割技术不同于普通的 线切割技术,其加工原理属研磨加工范
25、畴。游离磨料多线 切割方法的基本工作原理如图所示。 游离磨料多线切割技术始于上世纪九十年代初期,与传 统的金刚石内圆切割技术相比,具有切割效率高、切口材 料损耗小、表面损伤程度浅、切割噪声小等优点,能满足 晶圆大直径化发展的加工需求。 近年来,国内外研究者越来越重视游离磨料线切割技术 的研究,在游离磨料线切割过程材料去除机理、切割线振 动、切割温度等方面展开了研究。 应用于晶体材料的游离磨料多线切割技术不同于普通的 线切割技术,其加工原理属研磨加工范畴。游离磨料多线 切割方法的基本工作原理如图所示。 游离磨料切割原理游离磨料切割原理 7 liuzhidong37 游离磨料多线切割与金刚石内圆切
26、割性能之比较游离磨料多线切割与金刚石内圆切割性能之比较 liuzhidong38 游离磨料多线切割机走丝系统原理图游离磨料多线切割机走丝系统原理图 liuzhidong39 将直径约150-170m的不锈钢丝(切割丝)分别缠绕在 两个不同的线轴上,其间经过一系列的导轮和检测装置,最 终缠绕在三个或四个加工辊上形成均布平行线网,并相对于 固定在工作台上的单晶硅工件做往复运动。 悬浮于磨削液中的磨粒在高速运动的金属切割线的带动 下进入加工区域,在切割线和工件加工表面间的液体薄膜中 滚动,在切割线的压力作用下压入工件使工件表面产生破碎 和裂纹,继而结合磨粒的滚动将碎片剥离工件,实现材料的 去除。在该
27、过程中,切割线并不进行切削加工,而是主要起 着将磨削液高速带入切割区并对磨料施加载荷的作用。 将直径约150-170m的不锈钢丝(切割丝)分别缠绕在 两个不同的线轴上,其间经过一系列的导轮和检测装置,最 终缠绕在三个或四个加工辊上形成均布平行线网,并相对于 固定在工作台上的单晶硅工件做往复运动。 悬浮于磨削液中的磨粒在高速运动的金属切割线的带动 下进入加工区域,在切割线和工件加工表面间的液体薄膜中 滚动,在切割线的压力作用下压入工件使工件表面产生破碎 和裂纹,继而结合磨粒的滚动将碎片剥离工件,实现材料的 去除。在该过程中,切割线并不进行切削加工,而是主要起 着将磨削液高速带入切割区并对磨料施加
28、载荷的作用。 liuzhidong40 ?游离磨料线切割技术的材料去除机理游离磨料线切割技术的材料去除机理 应用于晶体材料的游离磨料线切割技术属于研磨加工研 究范畴。切割液中游离状态的磨料和切割液都会对材料去除 起作用。关于游离磨料线切割硅片的材料去除机理,研究者 提出两种类型:游离磨料的滚动-压痕加工模型,弹性-流体 动力学模型。 liuzhidong41 a. 游离磨料的滚动-压痕加工模型 游离磨料线切割晶片的加工过程实际上是存在 于工件和切割线之间的切割液中的磨料由运动着的 切割线带动进入切割区,对工件加工表面进行滚 动-压痕作用或者刮擦-压痕作用来实现材料的去除 a. 游离磨料的滚动-
29、压痕加工模型 游离磨料线切割晶片的加工过程实际上是存在 于工件和切割线之间的切割液中的磨料由运动着的 切割线带动进入切割区,对工件加工表面进行滚 动-压痕作用或者刮擦-压痕作用来实现材料的去除。 liuzhidong42 游离磨料的滚动-压痕加工模型游离磨料的滚动-压痕加工模型 8 liuzhidong43 磨料嵌入模型磨料嵌入模型 liuzhidong44 该模型是将单个磨料视为一个圆锥体,在高速运动的 切割丝带动下在工件表面进行滚动,并在流体膜和切割线 的载荷作用下压入晶体材料加工表面,使工件表面材料产 生破碎和裂纹,实现材料的去除。 单个磨料加工过程中最大法应力出现在游离磨料压入点 的位
30、置,最大剪应力出现在游离磨料和工件接触表面的下 方。加工过程中产生较大的法应力和较小的剪应力能够增 加材料的去除率、提高加工效率,并且能够减小被加工表 面的微损伤和微裂纹。 该模型是将单个磨料视为一个圆锥体,在高速运动的 切割丝带动下在工件表面进行滚动,并在流体膜和切割线 的载荷作用下压入晶体材料加工表面,使工件表面材料产 生破碎和裂纹,实现材料的去除。 单个磨料加工过程中最大法应力出现在游离磨料压入点 的位置,最大剪应力出现在游离磨料和工件接触表面的下 方。加工过程中产生较大的法应力和较小的剪应力能够增 加材料的去除率、提高加工效率,并且能够减小被加工表 面的微损伤和微裂纹。 liuzhid
31、ong45 当游离磨料的圆锥角为90-120时,具有最 好的加工效果,并可据此优化线切割加工过程中的 其它工艺参数。 游离磨料线切割过程中材料的去除效果主要受 磨料所受载荷和压痕间距两个因素影响。在一定的 压入深度的条件下,磨料所受的滚动载荷与磨料间 距成正比关系。 当游离磨料的圆锥角为90-120时,具有最 好的加工效果,并可据此优化线切割加工过程中的 其它工艺参数。 游离磨料线切割过程中材料的去除效果主要受 磨料所受载荷和压痕间距两个因素影响。在一定的 压入深度的条件下,磨料所受的滚动载荷与磨料间 距成正比关系。 liuzhidong46 b.弹性-流体动力学模型 在游离磨料线切割加工过程
32、中,切割液在高速运 动的切割线和被加工工件之间会形成一层流体薄 膜,这层切割液薄膜产生的流体动态压力对加工过 程状态和材料的去除有重要的影响。将切割线看成 弹性体,切割液薄膜为流体膜,建立的弹性-流体 动力学模型如图所示。 b.弹性-流体动力学模型 在游离磨料线切割加工过程中,切割液在高速运 动的切割线和被加工工件之间会形成一层流体薄 膜,这层切割液薄膜产生的流体动态压力对加工过 程状态和材料的去除有重要的影响。将切割线看成 弹性体,切割液薄膜为流体膜,建立的弹性-流体 动力学模型如图所示。 liuzhidong47 线切割的流体动力学模型线切割的流体动力学模型 liuzhidong48 研究
33、结果表明:研究结果表明: ?在游离磨料线切割的加工过程中,磨料悬浮于切割液中,材料去除是靠流 体膜的压力和切割线运动促使磨料在工件表面作滚压-嵌入运动实现的; 在游离磨料线切割的加工过程中,磨料悬浮于切割液中,材料去除是靠流 体膜的压力和切割线运动促使磨料在工件表面作滚压-嵌入运动实现的; ?在游离磨料线切割的加工过程中切割线进口处的流体膜压力大于出口处流 体膜压力并且流体膜在中间处呈中间薄、两边厚分布; 在游离磨料线切割的加工过程中切割线进口处的流体膜压力大于出口处流 体膜压力并且流体膜在中间处呈中间薄、两边厚分布; ?流体膜的厚度随着走丝速度和切割液粘度增大而增加,随切割线弓角增大 而减小
34、; 流体膜的厚度随着走丝速度和切割液粘度增大而增加,随切割线弓角增大 而减小; ?流体膜的压力随走丝速度和切割液粘度增大而减小,随切割线弓角增大而 增大; 流体膜的压力随走丝速度和切割液粘度增大而减小,随切割线弓角增大而 增大; ?在油膜厚度适中和切割线速度尽可能高的条件下,控制线弓角在4- 6,增大切割线张紧力,提高线切割液粘度,并使用较粗磨料,将有利于 材料更好地去除。 在油膜厚度适中和切割线速度尽可能高的条件下,控制线弓角在4- 6,增大切割线张紧力,提高线切割液粘度,并使用较粗磨料,将有利于 材料更好地去除。 9 liuzhidong49 ?为保持良好的切割能力,必须设法保持磨粒的锐利
35、性和在 磨浆中合适的浓度,磨浆消耗大,磨料成本高,并且磨浆的 开发、回收、分离和净化成本高,且污染环境; 为保持良好的切割能力,必须设法保持磨粒的锐利性和在 磨浆中合适的浓度,磨浆消耗大,磨料成本高,并且磨浆的 开发、回收、分离和净化成本高,且污染环境; ?切割大尺寸工件时,磨粒难以进入到长而深的切缝,锯切 效率降低,并且由于锯切时浆液分布不均匀,导致切片厚度 不均匀; 切割大尺寸工件时,磨粒难以进入到长而深的切缝,锯切 效率降低,并且由于锯切时浆液分布不均匀,导致切片厚度 不均匀; ?锯切时磨粒对锯丝磨损严重,一旦断丝,维护工作麻烦, 成本高; 锯切时磨粒对锯丝磨损严重,一旦断丝,维护工作麻
36、烦, 成本高; ?不适合加工硬度更高的如SiC单晶体、陶瓷等材料不适合加工硬度更高的如SiC单晶体、陶瓷等材料 游离磨料多线切割工艺存在的主要问题游离磨料多线切割工艺存在的主要问题 liuzhidong50 固结磨料线锯切片技术是将高硬度、高耐磨性的磨 料牢固地固结在钢丝基体上而制成固结磨料锯丝,从而 使用该锯丝对工件进行切割的技术。 固结磨料线锯切片工艺能够解决游离磨料线锯切片工 艺产生的问题。 20世纪80年代,出现了可用于硅片切割的金刚石多线 锯。MB Smith等人利用电镀金刚石线锯对方形多晶硅棒 进行了切片试验,认为在进给力较小时,表面损伤层深 度可小于5m,而且材料的去除率及表面损
37、伤层深度与 金刚石粒度密切相关。 3、 固结磨料线锯切割方法、 固结磨料线锯切割方法 liuzhidong51 往复式线锯床 下图是MB Smith等人研制的往复式固结磨料线锯 加工设备。多根金刚石锯丝被固定在工作台框架 上,编成丝网,工作台架可以往复运转,可以同时 切下多片晶片。有人曾用此设备切割直径2英寸的蓝 宝石,发现切片的弯曲度和总厚度偏差小于30m, 表面粗糙度Ra小于1m,并且切割效率是游离磨料 线锯的3倍,而成本却是游离磨料线锯的1/3。 往复式线锯床 下图是MB Smith等人研制的往复式固结磨料线锯 加工设备。多根金刚石锯丝被固定在工作台框架 上,编成丝网,工作台架可以往复运
38、转,可以同时 切下多片晶片。有人曾用此设备切割直径2英寸的蓝 宝石,发现切片的弯曲度和总厚度偏差小于30m, 表面粗糙度Ra小于1m,并且切割效率是游离磨料 线锯的3倍,而成本却是游离磨料线锯的1/3。 liuzhidong52 固结磨料线锯床原理固结磨料线锯床原理 liuzhidong53 往复式固结磨料线锯加工设备往复式固结磨料线锯加工设备 liuzhidong54 往复式金刚石线锯床示意图往复式金刚石线锯床示意图 10 liuzhidong55 往复式金刚石线锯床的切割原理为:硅棒垂直 于锯丝进给,锯丝由可正反方向旋转的卷线滚筒带 动,当滚筒作顺时针或逆时针转动使走丝达到最大 长度时,滚
39、筒在控制系统的作用下实现逆向运转, 从而使锯丝往复运转实现切割。 锯丝由一对张紧导轮与一对工作导轮支撑,采用 气动装置来调节锯丝的张紧力。采用微型潜水循环 泵通过喷嘴浇注,向锯丝切割区供给冷却液。 往复式金刚石线锯床的切割原理为:硅棒垂直 于锯丝进给,锯丝由可正反方向旋转的卷线滚筒带 动,当滚筒作顺时针或逆时针转动使走丝达到最大 长度时,滚筒在控制系统的作用下实现逆向运转, 从而使锯丝往复运转实现切割。 锯丝由一对张紧导轮与一对工作导轮支撑,采用 气动装置来调节锯丝的张紧力。采用微型潜水循环 泵通过喷嘴浇注,向锯丝切割区供给冷却液。 liuzhidong56 金刚石线锯切割金刚石线锯切割金刚石
40、线锯切割金刚石线锯切割 liuzhidong57 对往复式运动的金刚石线锯,线锯丝上仅有接 触工件的半圆参与切割,线锯丝磨损不均匀,降低 线锯丝使用寿命。有人研制了往复自旋式电镀金刚 石丝锯数控切割机。其主要特点是在线锯丝直线往 复运动的同时,步进电机带动线锯丝不断进行小角 度转动,这可使金刚石线锯丝的各处都能均匀地参 与切削,减小单向磨损,提高锯丝使用寿命。 对往复式运动的金刚石线锯,线锯丝上仅有接 触工件的半圆参与切割,线锯丝磨损不均匀,降低 线锯丝使用寿命。有人研制了往复自旋式电镀金刚 石丝锯数控切割机。其主要特点是在线锯丝直线往 复运动的同时,步进电机带动线锯丝不断进行小角 度转动,这
41、可使金刚石线锯丝的各处都能均匀地参 与切削,减小单向磨损,提高锯丝使用寿命。 liuzhidong58 往复自旋金刚石丝锯数控切割机往复自旋金刚石丝锯数控切割机 liuzhidong59 金刚砂线切割机床金刚砂线切割机床 liuzhidong60 固结磨料锯丝是将高硬度、高耐磨性的超硬磨料牢固地固结在钢丝 基体上而制成的一种切割工具。目前常用的超硬磨料为金刚石。制作固 结磨料锯丝的常用方法有:电镀法、树脂刷涂法和钎焊法等。 钎焊方法是在金刚石、钎料和基体三者之间发生化学冶金结合。曾有 专利选用尺寸 固结磨料锯丝是将高硬度、高耐磨性的超硬磨料牢固地固结在钢丝 基体上而制成的一种切割工具。目前常用
42、的超硬磨料为金刚石。制作固 结磨料锯丝的常用方法有:电镀法、树脂刷涂法和钎焊法等。 钎焊方法是在金刚石、钎料和基体三者之间发生化学冶金结合。曾有 专利选用尺寸50m的磨粒、直径的磨粒、直径150-250m的金属丝,使用硬钎焊方 法制作了固结磨料锯丝。但由于钎焊温度较高,会严重影响钢丝的强度 和韧性。目前钎焊法制造锯丝与应用少见报道。 树脂结合剂金刚石锯丝的制作原理是:直接将含有金刚石磨料的树脂 刷涂在金属丝表面,经过加热固化或光固化干燥后成形,但制作的锯丝 耐热性和耐磨性较差。 复合电镀法是在锯丝基体上沉积一层金属,靠沉积的金属固结金刚石 磨粒。采用这种方法制作的固结磨料锯丝称为电镀金刚石锯丝
43、。电镀金 刚石锯丝具有耐热性和耐磨性好的特点。 的金属丝,使用硬钎焊方 法制作了固结磨料锯丝。但由于钎焊温度较高,会严重影响钢丝的强度 和韧性。目前钎焊法制造锯丝与应用少见报道。 树脂结合剂金刚石锯丝的制作原理是:直接将含有金刚石磨料的树脂 刷涂在金属丝表面,经过加热固化或光固化干燥后成形,但制作的锯丝 耐热性和耐磨性较差。 复合电镀法是在锯丝基体上沉积一层金属,靠沉积的金属固结金刚石 磨粒。采用这种方法制作的固结磨料锯丝称为电镀金刚石锯丝。电镀金 刚石锯丝具有耐热性和耐磨性好的特点。 固结金刚石方法固结金刚石方法 11 liuzhidong61 1.树脂结合剂线锯2.芯线3.磨料颗粒4.填料
44、5.树脂粘结剂层1.树脂结合剂线锯2.芯线3.磨料颗粒4.填料5.树脂粘结剂层 树脂结合剂线锯横断面树脂结合剂线锯横断面 liuzhidong62 电镀金刚石锯丝的SEM照片电镀金刚石锯丝的SEM照片 Saint-Gobain AbrasivesSaint-Gobain AbrasivesWinter 公司生产Well Diamond Wire Saws 公司生产Winter 公司生产Well Diamond Wire Saws 公司生产 liuzhidong63 将固结金刚石锯丝接成环形,通过导轮实现循环切割, 称为环形固结金刚石线锯加工技术。环形锯丝的整个长度都 参加切割,锯丝使用率高,锯
45、切过程中无惯性力,走丝速度 可达20m/s。 但由于环形锯丝有效工作长度短,锯丝磨损较快,锯丝截 面较小,接头连接困难等原因,使得环形线锯切割技术多局 限于试验室使用阶段,真正在生产实际上应用较少。 将固结金刚石锯丝接成环形,通过导轮实现循环切割, 称为环形固结金刚石线锯加工技术。环形锯丝的整个长度都 参加切割,锯丝使用率高,锯切过程中无惯性力,走丝速度 可达20m/s。 但由于环形锯丝有效工作长度短,锯丝磨损较快,锯丝截 面较小,接头连接困难等原因,使得环形线锯切割技术多局 限于试验室使用阶段,真正在生产实际上应用较少。 liuzhidong64 回转式线锯床回转式线锯床 liuzhidon
46、g65 ?对IC用大直径硅拋光片主要的技术参数要求是: 直径300.0mm 直径公差0.2mm 厚度775.0m 厚度公差25m 翘曲度Warp 10m 总厚度偏差TTV 0.1m 局部平整度(线宽100nm)101nm 边缘扣除距离2mm 对IC用大直径硅拋光片主要的技术参数要求是: 直径300.0mm 直径公差0.2mm 厚度775.0m 厚度公差25m 翘曲度Warp 10m 总厚度偏差TTV 0.1m 局部平整度(线宽100nm)101nm 边缘扣除距离2mm 4、 硅片切割的主要技术指标4、 硅片切割的主要技术指标 liuzhidong66 确定硅切片表面质量的主要参数有晶向偏离度、
47、 硅片的总厚度偏差TTV、翘曲度Warp、弯曲度Bow。 a.晶向偏离度 确定硅切片表面质量的主要参数有晶向偏离度、 硅片的总厚度偏差TTV、翘曲度Warp、弯曲度Bow。 a.晶向偏离度由于硅单晶一般是按(100)或 (111)晶向生长的,单晶棒在切片加工前必须先 使用X射线衍射的方法来确定单晶棒在切片机上的 正确位置。 b.硅片的总厚度偏差TTV(Total Thickness 由于硅单晶一般是按(100)或 (111)晶向生长的,单晶棒在切片加工前必须先 使用X射线衍射的方法来确定单晶棒在切片机上的 正确位置。 b.硅片的总厚度偏差TTV(Total Thickness Variatio
48、n)Variation)是指硅片的最大与最小厚度之差值。是指硅片的最大与最小厚度之差值。 硅切片表面质量主要参数及含义:硅切片表面质量主要参数及含义: 12 liuzhidong67 c.硅片的弯曲度Bowc.硅片的弯曲度Bow是指硅片表面凹凸变形大小的 数值。 降低弯曲度在对使用内圆切片机时是一个难于解 决的问题,但在使用线切割机时,由于硅片两侧 受力比较均匀,故其弯曲度几乎为零。 d.硅片的翘曲度Warp 是指硅片表面凹凸变形大小的 数值。 降低弯曲度在对使用内圆切片机时是一个难于解 决的问题,但在使用线切割机时,由于硅片两侧 受力比较均匀,故其弯曲度几乎为零。 d.硅片的翘曲度Warp是
49、指硅片的参考平面与硅片 的中心平面的最大与最小距离的差值。 一般采用线切割机加工直径200mm硅片的翘曲度可 控制在小于20m。 是指硅片的参考平面与硅片 的中心平面的最大与最小距离的差值。 一般采用线切割机加工直径200mm硅片的翘曲度可 控制在小于20m。 硅切片表面质量主要参数及含义:硅切片表面质量主要参数及含义: liuzhidong68 一、硅片倒角:一、硅片倒角: 经切割后的硅切片边缘表面有棱角、毛刺、崩边甚至 有裂缝或其他缺陷,边缘表面比较粗糙,为了增加硅切片 边缘表面机械强度、减少颗粒沾污,需将其边缘表面磨削 呈圆弧形状,加工后边缘表面一般呈圆弧形(R-type)成梯 形(T-type)。 经切割后的硅切片边缘表面有棱角、毛刺、崩边甚至 有裂缝或其他缺陷,边缘表面比较粗糙,为了增加硅切片 边缘表面机械强度、减少颗粒沾污,需将其边缘表面磨削 呈圆弧形状,加工后边缘表面一般呈圆弧形(R-type)成梯 形(T-type)。 第二节 硅片倒角及磨削抛光技术第二节 硅片倒角及磨削抛光技术 liuzhidong69 待边缘表面磨削(倒角加工)的硅片被固定 在一个可以旋转的支架上,
链接地址:https://www.31doc.com/p-5518475.html