单晶硅游离磨粒线切割技术研究

２００９年第４３卷Ｎｏｌ单晶硅游离磨粒线切割技术研究＊３１舒继千魏昕袁艳蕊广东工业大学摘要：游离磨料多线切割技术具有切割效率高、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丁需求。

但游离磨料线切割技术发展历史短，目前还缺乏对游离磨料线切割过程材料的去除本征规律的充分认识和系统研究。

本文介绍了游离磨料线切割方法的ｒ１：作原理，综合分析了游离磨料线切割硅片的材料去除机理、切割线振动模型、切割温度及其影响因素等方面的研究结果，以期为游离磨料多线切割技术的深入研究和推广应用提供基础。

关键词：游离磨粒线切割，切割线，单晶硅ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＦｒｅｅＡｂｒａｓｉｖｅＳｌｉｃｉｎｇＳｉｎｇｌｅＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＩｎｇｏｔＵｓｉｎｇａＷｉｒｅｓａｗＳｈｕＪｉｑｉａｎＷｅｉＸｉｎＹｕａｎＹａｎｍｉＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂｅｅａｂｒａｓｉｖｅｓｌｉｃｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｉｎｇｗｉｒｅｓａｗｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｍａｃｈｉｎｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｍａｌｌｃｒｙｓｔａｌｗａｓｔａｇｅ，ｔｈｉｎｓｕ而ｃｅｄａｍａｇｅｌａｙｅｒ，ａｎｄｌｏｗｍａｃｈｉｎｉｎｇｎｏｉｓｅ，ｅｔｃ．Ｉｔａｄａｐｔｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｏｓｌｉｃｅｌａｒｇｅｓｉｚｅｓｉｌｉｃｏｎｃｒｙｓｔａｌｉｎｇｏｔ．’ｎ地ｗｉ：ｒｅｓａｗｓｌｉｃｉｎｇｐｒｏｃｅ鹤ａｎｄｉｔｓｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｈａｖｅｎｏｔｂｅｅｎｋｎｏｗｎｖｅｒｙｗｅｌｌａｔｔｈｅｍｏｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ硒ｅｎｙｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｌｎｃｉｐｉｅｏｆｈ傥ａｂｒａｓｉｖｅｓｌｉｃｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｉｎｇ诵ｒｅｓ跏，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｓａｎｄａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｗｉｒｅｓａｗｉｎｍｍｍｆｊｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂｅｉｎｇｓｌｉｃｅｄｗａｆｅｒ，ａｎｄ８０ｏｒｌｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｂａｓｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ０１１．ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｅａｂｒａｓｉｖｅｓｌｉｃｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｉｎｇｗｉ．ｒｅｓａＷ，鲫ｗｉＩ唱ｗｉｒｅ，ｓｉｎｇｌｅｓｉｌｉｃｏｎｃｒｙｓｔａｌ１引言随着半导体技术的快速发展，为了增加芯片产‘广东省自然科学基金资助项目（项目编号．：５００１８０７）广东省科技计划资助项目（项目编号：２００５８１０２０１０１９）收稿日期：２００８年６月量、降低芯片制造成本、提高芯片性能，以硅片为主的半导体基片正朝着大尺寸、芯片高集成度和超薄化方向发展。

目前直径２００ｒａｍ的硅片成为主流产品，直径４５０ｍｍ的硅片也已问世。

美国的Ｉｎｔｃｌ和ＡＭＤ公司在２００７年相继出现了制程４５ｎｍ的３００ｒａｍ图８叶尖部的表面纹理根据试验结果，我们在生产实际中采用变速切削的方法，避开了共振区域，生产出了合格的叶轮产品。

具体方法是：在加工的初始阶段，将转速降低到１６０００ｒ／ｍｉｎ；当切削深度达到１０ｒａｍ以后，再将加工转速提高到１８０００ｒ／ｍｉｎ（如图６中虚线所示）。

经过切削方案的改进，叶轮生产得以顺利进行，叶片加工质量一直保持稳定。

５结语叶片力ｎ－ｒ＿过程中，随着材料的去除，整个工艺系统的刚度和阻尼发生变化，从而导致叶片的模态频率不断降低，同时阻尼比也不断降低。

研究加工过程中的模态变化对于薄壁悬臂零件——叶片而言非常重要，尤其是在采用高速加工工艺进行叶片加工时，随着材料的不断去除，更需要对模态的变化进行研究，从而有针对性的采取综合措施，使得加工激励避开产品的共振区域，保证产品的加工质量。

参考文献１张锦，刘晓平等．叶轮机振动模态分析理论及数值方法．北京：国防工业出版社．２００１２郭继忠．模态分析理论与试验．北京：北京理工大学出版社，２００１３李亮，查文伟．薄壁零件高速铣削的振动问题分析．盐城工学院学报（自然科学版），２００６，２：９—１３４李亮．薄壁零件的加工振动分析与加工工艺研究［博士学位论文］．南京航空航天大学，２（Ｄ５５汪通悦，何宁，李亮．薄壁零件的高速铣削振动研究．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ０ｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕ－ｔｉｃｓ，２００７，２４（２）：１１２—１１７第一作者：陈涛，硕士，讲师，景德镇陶瓷学院机电学院，３３３００１江西省景德镇ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒ：ＣｈｅｎＴａｏ，Ｍａｓｔｅｒ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃ－ｔｒｉｃｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｎｇｄｅｚｈｅｎＣｅｒａｍｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎｇｄｅｚｈｅｎ，Ｊｉａｎｇｘｉ３３３００１，Ｃｈｉｎａ万方数据３２晶圆，将晶圆电路集成度进一步提升到８．２亿个晶体管，比６５ｎｍ晶圆多容纳２．４亿个晶体管，在数量增加４０％的同时晶圆尺寸缩小了２５％之多。

预计未来的三至五年内将出现３２ｎｍ制程的４５０ｍｍ晶圆…。

由此可见，半导体技术的快速发展对基片加工效率、加工精度和表面质量等已经提出了越来越高的要求。

半导体硅晶圆的加工是集成电路制造中的重要环节，而有效的硅片切割技术是获得高面型精度和表面质量硅晶圆的基本保证。

采用传统的金刚石内圆切割时，随着晶圆直径的不断增大，刀片的基体厚度、刃口厚度以及刀片张紧难度随之增加，切割时切口材料损耗和刀片磨耗增加、硅片质量下降，难以进行大直径晶片的切割。

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Ｅｌ材料损耗小、表面损伤程度浅、切割噪声小等优点（见表１）［２］，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、切割温度等方面开展了研究。

游离磨料线切割加工过程是切割线、磨削液中的磨粒、工件三者相互接触的复杂过程。

由于游离磨料线切割技术发展历史短，目前还缺乏对游离磨料线切割过程材料去除本征规律的充分认识和系统深入研究。

本文介绍了游离磨料线切割方法的工作原理，综合分析了游离磨料线切割硅片的材料去除机理、切割线的振动模型、切割温度及其影响因素等方面的研究结果。

表１游离磨料多线切割与金刚石内圆切割性能之比较【２）性能参数游离磨料多线切割金刚石内圆切割切割方法研磨磨削切割表面特征线痕破碎、开裂损伤深度（ｖｍ）ｌＯ—１５２０～３０生产效率（ｉｎ２／ｈ）３００～２０００２００一４００３２００（与同时参加工作单程硅片切割数（片）ｌ的切割数量有关）切缝损失（胛）２００～３００３００～５００硅片的最小厚度（／ａｎ）低至２００３００最大切割直径（ｍｍ）３００达２００２游离磨料线切割基本原理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ｌ所工具技术示。

将直径约１５０～１７０／ｎｎ的不锈钢丝（切割线）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人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载荷的作用。

图１多线切割机走丝系统原理图［３】３游离磨料线切割的材料去除机理研究国内外对游离磨料线切割过程材料去除机理的研究主要集中在磨料和切割线与工件作用模型、磨削液作用模型等方面，目前提出的去除机理模型包括：单颗磨粒滚动——压痕模型、多磨粒压痕效应模型以及弹性一流体动压效应模型等。

３．１单颗磨粒滚动——压痕模型ＩＫ一４“Ｊ等人认为，在游离磨料多线切割方法切割过程中，存在于工件和切割线之间磨削液中的磨粒在工件加工区域进行滚动一压痕作用或者刮擦一压痕作用，实现材料的去除（如图２所示）。

ＪＬｉＬ５Ｊ等人建立的游离磨粒的滚动一压痕加工模型，其实质就是将单颗磨粒视为一个圆锥体，在高速运动的切割线的带动下与切削区域的加工表面产生相对滚动，并在油膜压力作用下嵌入工件材料加工表面，使材料表面产生破碎和裂纹，从而实现材料的去除（见图３）。

在该模型的基础七，Ｊｋ等进一步分析加工过程中单颗磨粒所受的法向作用力和切向作用力在边界条件下所产生的应力，并建立了应力分析模型。

研究结果表明，最大法向应力出现在磨粒的压入点万方数据２００９年第４３卷Ｎｏｌ位置，而最大剪应力出现在接触点表面下方。

该模型可以在一定程度上预测一定的加工条件下材料的去除率，有助于确定优化磨粒的几何参数从而更利于线切割的加工。

３．２多磨粒压痕效应模型为了进一步了解游离磨粒线切割过程材料的去除机理，ＳＢｈａｇａｖａｔ［７］等人考虑多磨粒对工件压痕和接触效应的影响，仿真分析了游离磨粒多磨粒压痕效应。

该模拟分析假定磨粒具有一个相当锐利的圆锥形刃尖，在工件加工表面上产生一个Ｏ．２ｔｍａ的压痕，并认为游离磨料线切割过程中材料的接触效应主要受压痕载荷、压痕间距两个参数影响。

研究结果发现，在一定的压人深度条件下，磨粒滚动压痕载荷与磨粒间距成正比例关系，并且：（１）磨粒压痕间距减小，或压痕载荷增大，滚动压痕深度会提高，从而使材料去除量增加；（２）磨粒压痕间距减小，卸载后工件表面的弹性恢复率提高，加工表面的横向裂纹扩展加剧，材料去除率提高；（３）磨粒压痕间距减小，加工表面的凹坑数目增加，磨粒与工件表面间的摩擦减少，切割效率提高。

图２游离磨料多线切割加工机理示意图【４】图３磨粒切割模型［５】区３．３弹性一流体动压效应模型ＭＢｈａｇａｖａｔ［８ｊ等人应用有限元方法对游离磨料线切割晶片过程中的流体动压效应进行分析，给出切割区流体动压力和膜厚分布曲线图。

研究结果表明，加工区域具有切割线进口油膜压力大于出口油膜压力、线接触处油膜中间薄两边厚的分布特点，并指出油膜厚度随走丝速度和磨削液粘度增大而增加，随切割线弓角增大而减小；油膜压力随走丝速度和磨削液粘度增大而减小，随切割线弓角增大而增大。

磨粒悬浮于磨削液中，材料去除是靠油膜压力３３和切割线运动共同促使磨粒在加工表面滚压一嵌入作用实现的。