２０１１年２月第ｌ期金刚石与磨料磨具工程ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｏ．１Ｆｅｂ．２０１ｌＶ０１．３１Ｓｅｒｉａｌ．１８１第３ｌ卷总第１８１期Ｄｉａｍｏｎｄ＆ＡｂｒａＳｉｖｅｓ文章编号：１００６—８５２Ｘ（２０１１）０１—００５３—０５金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析＋黄渡Ｌ２高玉飞１’２葛培琪ｋ２（１．山东大学机械工程学院，济南２５００６１）（２．高效洁净机械制造教育部蕈点实验室，济南２５００６１）摘要采用电镀金刚石线锯对单晶硅进行了锯切实验，使用扫描电子显微镜对单晶硅锯切的表面缺陷与锯丝失效机理进行了研究，分析了走丝速度和工件进给速度对锯切单晶硅表面缺陷特征的影响。分析发现：线锯锯切的硅片表面缺陷主要有较长较深的沟槽、较浅的断续划痕、材料脆性去除留下的表面破碎及个别较大较深的凹坑。走丝速度增大，工件进给速度降低，锯切材料的表面缺陷逐渐由以脆性破碎凹坑为主转，变为以材料微切削去除留下的塑性域剪切沟槽为主。锯丝的主要失效形式为金刚石磨粒的脱落，脱落的磨粒在锯切过程中被挤压嵌入加工表面造成较大尺寸较深的凹坑，对材料表面和亚表面质量的损害更为严重。关键词金刚石线锯；单晶硅；表面缺陷；磨损中图分类号ＴＱｌ６４；ＴＧ７４文献标识码ＡＤＯＩ编码１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５２Ｘ．２０１１．０１．０１３Ｓｔｕｄｙｏｎｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔａｎｄｗｉｒｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｕｒｉｎｇｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎｓｌｉｃｉｎｇｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄｗｉｒｅｓａｗ・ＨｕａｎｇＢ０１・２ＧａｏＹｕｆｅｉｌ＇２ＧｅＰｅｉｑｉｌ－２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ）（２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆｎｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄＣｌｅａｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅ（ＳｈａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｇ），ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｊｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｓｌｉｃｉｎｇｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄｗｉｒｅｓａｗ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｓａｗｅｄｓｉｌｉｃｏｎｃｒｙｓｔａｌａｎｄｗｉｒｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｗｉｒｅｓｐｅｅｄａｎｄｗｏｒｋｐｉｅｃｅｆｅｅｄｓｐｅｅｄｏｎｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｆｅａｔｕｒｅｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｉｎｃｌｕｄｅｓｏｍｅｏｂｖｉｏｕｓｇｒｏｏｖｅｓ，ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｓｃｒａｔｃｈｍａｒｋｓ，ｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｐｉｅｃｅｆｅｅｄｏｒｂｒｉｔｔｌｅｃｒａｓｈ，ａｎｄｓｏｍｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅｒａｎｄｄｅｅｐｅｒｐｉｔｓ．Ｗｈｅｎｗｉｒｅｓｐｅｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｆｅａｔｕｒｅｓｃｈａｎｇｅｆｒｏｍｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｐｉｔｓｗｅａｒｔｏｓｐｅｅｄｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｄｕｃｔｉｌｅｓｈｅａｒｅｄｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｄｉａｍｏｎｄｄｕｃｔｉｌｅｃｕｔｔｉｎｇａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍａｉｎａｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄｗｉｒｅｉｓｐｕｌｌｏｕｔｏｆａｂｒａｓｉｖｅｇｒｉｔｓ．Ｔｈｅｓｅｐｕｌｌｅｄｏｕｔｇｉｔｓｌｉｋｅｌｙｔｏｂｅｔｈｅｎｉｎｌａｙｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｌａｒｇｅａｎｄｄｅｅｐｐｉｔｓａｎｄａｆｆｅｃｔｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｕｒｆａｃｅａｎｄｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｉａｍｏｎｄｗｉｒｅｓａｗ；ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔ；ｗｅａｌ＂・济南『订科技计划资助项甘【项目编号：２００９０６０３１）万方数据盘刚ｉ々磨料镕ＨｔＲ１ｅ第ｌ８１瑚２实验方案实验选用电镀金刚石铮｝丝．锯切的单品硅梓为０引言单晶硅材料』泛地应用于各种微电子领域．如计算机系统，通讯没备汽年、消费电子系统和工业自动控制系统等。集成电路制造中普遍采用的芯片，其制造工艺流程为：单晶生长＿磨外嘲一硅晶体切片＿．平坦化一腐蚀一抛光＿．清冼＿图案制造一背磨＿十划片＿．封装“。切片是把单晶硅由硅棒变成硅片的一个重要工序，切片表呵质域，直接影响着后续工序的上作量和成本。如切片的表ｌ自ｉ厦量好．亚表面损伤层厚度就小，可减小后续Ｔ序的击除量，从而降低成本、提高效率。固结磨料线锯切片技术，以其锯口损耗小、面形精度好斟５ｍｍ，锯切方向措（】１１）品面，切片厚度为Ｏ５ｍｍ，采用水作冷却渡。加工参数与锯切条件如表Ｉ所示ｎ使用日立Ｓ一２５００型扫描电了显微镜（ＳＥＭ），观察坍割的硅片表面缺陷与锯丝的磨损形态，襄ｉ锯ｑ案件与ｍＩ参敲镕日女”ｍＬ》＃和田韵环境清洁等优点“，有望成为单晶硅等硬脆材料切片的未来发展方向ｊ本文选择电镀金刚石锯丝作为锯切工具，对单晶硅进行了锯切实验，利用扫描电子显微镜对切割的硅片表面进行了观察，系统研究丁锯２实验结果与讨论２切硅片表面产生的缺陷与错切工艺参数之问的关系，其结果为获得高质量的锯切工艺，进一步优化工艺参数，提供ｒ实验参考依据。乖文观察分析了电镀金刚石裾丝的磨损形式，揭示了锯丝失效机理，并分析了锯丝失效与锯切表面缺陷之间的鞋系。ｌ１１锯切单晶硅表面缺陷图２是采用几种币同工艺参数组合锯切的单晶硅表面形貌的ＳＥＭ照片。由图２可以看出，电镀金刚石线锯锯切单晶硅的表面缺陷，主要有较长较深的沟槽、较浅的断续划痕、材料脆性去除留下的表面破碎及个别较大较深的凹坑。锯切过程中锯丝为往复式运转，当锯灶要换向运电镀金刚石线锯锯切实验Ｉ实验方法锯切试验选用ＷＸＤＩＴＯ型往复式金刚右线切割转时，此时线速为零，而工件依然在进给，锯丝弹性变形增大，使此时的锯切力变大，因此锯切表面容易产生较深沟槽”。锯丝上磨粒凸出高度不均或黏附在锯丝上的切屑随锯丝运动时．在加工表面会产生沟槽和划痕；再就垦锯丝随机的振动，畚导致金刚石膊粒在材料表面任意地产生断续划痕。～些较浅的赳痕也ｎＩ能是个别出露高度低磨粒进行塑性域切削的结果。工件表面残酣大量的破碎凹坑，呈掸坑状的丧而形貌，可说明材料主要是在脆性方式下去除．切屑的形成是裂纹扩机，图Ｉ为此切割装置的外观。试验装置采用气动装置来埘节锯丝的张紧力。冷却液的供液方式采用微型潜水循环泵．通垃喷嘴浇洼．向锯越切割犀供给冷却液。Ｆ。ｇ１ＲｅｃｉｐＭａｔｌｎｇ孺塑曛一目Ｉ＃￡式鳗锯切Ｈ《Ｉｗｉ展交叉的结果．材料最终以澈观与宏观破碎的块状去除。显然，破碎门坑对锯切表面亚表面的｛ｉ｛伤程度璺大ｒ表面划痕。硅片钉Ｊ制表面上存在个别较大较深的凹坑，见罔２Ｉ，，ｒⅡ能星由于在切＊４过程中，脱落的金刚石磨札杖挤压嵌人加上表面所造成，埘材料表皿和亚表面质料的搅吉巫为严雨：ｒｔ｝…Ｉｍ４‘ａＩｕｓＲ”＊ｌｌｅｌｑ“Ｐ…Ｉｂ万方数据第ｌ期黄渡等２Ｈ怕线锯＂剖单品＃表ｂＩ峨陷与锯＆磨损分析目２镉切硅Ｈ表面缺鹳特征Ｆ。Ｅ２ｕＨｋｍ㈣ｍ…ｅ＿Ｉｓｕｍｅ２２走丝速度对锯切襄面缺陷特征的影响阿３是１二件进给速度为６２５“ｍ／ｓ，采用币『ｑ的走轾速度锯切单品硅产生的发面缺陷。当走丝速度】０ｍ／ｓ时，锯切袁面存在明８的脆性断裂．破碎和Ｈ坑＋使表面皂尉大情凹坑空借的Ｊ目貌。加工后品什的表而，主要¨｛材料的脆性断裂面构成．断裂Ⅲｌ随机分布．不具有岍缸ｆ｜勺方向性，＾忻比较枇糙：这蝗现象说明：住此工岂参数绀台Ｆ的品片表嘶，址…材料完辛脆性去除方式Ｊ口成的．在锯切丧Ⅲ留下的缺陷为脆忡破砰凹坑．搅伽深度较人，万方数据目３走ｔ建度对锯切寰面映陷特征的影响（“．＝６２５Ⅳ１，目）Ｆｊ＃３［ｎｆ］ｕｅｆｌｃｅｏｆ…＊口。ｄｏｎｔｌｌ脚ｌｍＨＩｌＥ—Ｈｄｓｕｒｈ…ｉｅｆ＂１保持进给建度小变．当错丝速度１０ｍ／ｓ增大到】５ｍ／ｓ肘．从刚３ａ刮３ｂ．此时锯切表面依然存在大量脆性破碎，ｆ日破碎凹坑的尺寸及深度减小．锯切表面出现了部分塑性蜉啪形成的｝｛！『梢．这妊田为锯丝速度的提高能增加单桩时间内参加埘削的孵粒数，从而使得单颗磨粒单位Ｈｔ刚内的１ｒ均材料士除卒降低。但此时加工表面的材料盘非依然Ｈ脆惶由主．臆粒期性剪切或犁耕作厢』Ｂ战的淘拊＾：加】’表ｍ】为辅此时锯切材料的丧『Ⅲ缺陷Ｍｎｆ存在脆性破陴’０蜊悱划癯．脆性破碎的深度要大Ｆ塑性划瘦。锯牲速度由Ｉ５ｍ／Ｂ增大到２ｒ∥ｓ时，ｄ＆片的表面缺陷Ｊｒ泄札明显的变化．如削３ｂ和孙。
