基于断裂强度的树脂金刚石线锯锯切单晶硅切片厚度研究

摘要

单晶硅切片只有5％的厚度用于芯片制造，其余部分均在减薄加工中去除，并且晶圆只有表层厚度的1％用于芯片电子结构的制造，而其余部分只是用于保证芯片在加工中所需的机械强度和刚度。随着半导体工业的迅速发展，单晶硅切片厚度越来越小。通过减小单晶硅切片厚度，提高硅晶棒出片率，以达到降低集成电路制造成本的目的。本文针对金刚石线锯锯切单晶硅切片厚度确定问题开展研究，以单晶硅切片的断裂强度和锯切过程切片的最大应力为主要分析因素，通过研究磨粒切割深度、切片表层（表面/亚表面）裂纹损伤、切片断裂强度以及锯切过程切片的最大应力等问题，实现一定破片率下切片厚度的确定。研究工作对单晶硅切片厚度的薄型化具有重要意义。
　　本文的主要研究工作归纳如下:
　　(1)建立了描述磨粒形状、尺寸、突露高度和位置分布的树脂金刚石线锯丝模型与磨粒切割深度模型，研究了工艺参数对磨粒切割深度的影响，通过拟合理论结果，得到了锯切力与工艺参数的定量关系。以锯丝弓角为依据，确定了与锯丝锯切能力相匹配的锯切工艺参数，并开展了锯切单晶硅切片实验，通过测量锯丝弓角，得到了法向锯切力，并与理论结果进行了对比。研究表明，树脂金刚石线锯主要以材料的脆性断裂方式实现材料的去除。得到的工艺参数与法向锯切力的定量关系为FN=0.141vf0728Ds1.017l0.975/vs0.656，法向力与切向力之比为1.2。实验测量得到的锯丝弓角在3°左右，与设计的弓角比较接近，表明了实验参数确定方法的正确性，为不同线锯丝锯切工艺参数的确定提供了基础。理论与实验得到的法向锯切力的最大相对误差为8.07％，表明了理论模型的正确性。
　　(2)根据磨粒切割深度，建立了单晶硅切片中位裂纹损伤深度模型，研究了工艺参数对裂纹损伤深度的影响，得到了提高锯切效率同时保证较小裂纹损伤深度的工艺条件。采用截面显微法开展了切片表层裂纹损伤表征实验，分析了裂纹损伤形貌，并统计了200条裂纹深度，得到了裂纹深度分布与切片表面裂纹的分布规律，对比分析了裂纹损伤深度的理论与实验结果，验证了理论模型。研究表明，产生切片中位裂纹损伤的磨粒主要位于锯丝截面偏角（锯丝中心和磨粒顶点连线与竖直方向的夹角）的57°～90°之间，产生最大中位裂纹损伤深度的磨粒偏角为78°，而其余偏角处的磨粒对切片中位裂纹损伤无影响。中位裂纹深度随着走丝速度的增加而减小，随着进给速度的增加而增大，当二者速度比不变时，切片中位裂纹损伤深度变化不明显。切片亚表面裂纹主要有中位裂纹和横向裂纹，中位裂纹并不是垂直向下扩展，而是以一定偏角发生扩展。部分表面裂纹相互交叉，沿走丝方向向沟槽两侧扩展，形成复杂的裂纹形貌。对于树脂金刚石线锯锯切单晶硅切片产生的裂纹，大部分裂纹的深度在5μm～13μm之间，深度位于7μm～9μm之间的裂纹数量最多。裂纹数量随深度的增加呈现出先增大后减小的趋势，并且裂纹深度分布近似服从高斯分布。理论与实验得到的裂纹损伤深度的最大相对误差为10.36％。
　　(3)利用单晶硅切片表层裂纹损伤实验结果，建立了单晶硅切片表层裂纹分布模型与切片断裂强度数值模型，分析了裂纹临界应力，得到了切片断裂强度的韦布尔分布与裂纹倾角对切片断裂强度的影响规律。对比分析了脆性材料断裂强度常用表征方法，确定了单晶硅切片断裂强度表征方法，测量得到了切片破碎前的载荷一位移曲线，对比分析了单晶硅切片断裂强度的理论与实验结果。研究结果表明，单晶硅切片的断裂强度在60MPa～300MPa之间分布，大部分切片的断裂强度在80MPa～220MPa之间，远远小于单晶硅的理论断裂强度15.8GPa。切片断裂强度随着裂纹倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，当裂纹倾角大于45°时，切片断裂强度的韦布尔分布整体向右偏移。理论与实验得到的切片断裂强度的韦布尔分布比较接近，二者得到的尺度参数分别为157.4MPa、124.7MPa，表明了理论模型的正确性。
　　(4)建立了锯切过程单晶硅切片的受迫振动模型，分析了锯切过程单晶硅切片的最大应力，得到了不同锯切深度时不同厚度切片的破片率。基于切片断裂强度，建立了切片厚度与破片率之间的数学关系，提出了利用锯切过程切片最大应力和破片率确定切片厚度的两种方法，确定了直径450mm单晶硅切片和截面尺寸为156mm×156mm单晶硅切片的厚度。研究结果表明，锯切过程单晶硅切片的振幅、最大应力与破片率均随着锯切深度的增加而增大，随着切片厚度的减小而增大。基于直径300mm的切片厚度，确定的直径450mm切片厚度为0.92mm，此时切片破片率为2％。而当取切片破片率为1％时，确定的直径450mm单晶硅切片厚度为0.88mm。基于125mm×125mm×0.18mm尺寸的单晶硅切片，确定的156mm×156mm单晶硅切片厚度为0.197mm，在该厚度下，切片破片率为2.8％。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 固结磨粒线锯切割技术研究现状

1．3 磨粒临界切割深度研究现状

1．3．1 材料去除机理及临界切割深度研究现状

1．3．2 锯切力研究现状

1．4 切片表层裂纹损伤研究现状

1．5 切片断裂强度研究现状

1．6 切片厚度研究现状

1．7 本文的主要研究工作

第2章 磨粒切割深度及锯切力研究

2．1 引言

2．2 磨粒切割深度数值模型

2．2．1 树脂金刚石线锯丝模型

2．2．2 磨粒切割深度分析

2．2．3 计算流程

2．3 计算结果及分析

2．3．1 磨粒切割深度影响因素分析

2．3．2 锯切力分析

2．4．1 实验设备

2．4．2 实验参数设计

2．4．3 锯丝弓角测量

2．5 实验结果及分析

2．6 本章小结

第3章 单晶硅切片表层裂纹损伤研究

3．1 引言

3．2 切片裂纹损伤深度模型

3．2．1 切片裂纹分析

3．2．2 中位裂纹损伤深度模型

3．3 计算结果及分析

3．3．1 磨粒位置偏角对中位裂纹损伤深度的影响

3．3．2 工艺参数对中位裂纹损伤深度的影响

3．4 切片表层裂纹损伤实验研究

3．4．1 实验方案

3．4．2 实验流程

3．5 实验结果及分析

3．5．1 裂纹损伤形貌分析

3．5．2 裂纹损伤深度分析

3．6 本章小结

第4章 单晶硅切片断裂强度研究

4．1 引言

4．2 单晶硅切片断裂强度分析

4．3 切片断裂强度数值模型

4．3．1 切片表层裂纹分布模型

4．3．2 裂纹临界应力分析

4．3．3 计算流程

4．4 计算结果及分析

4．4．1 切片断裂强度的韦布尔分布

4．4．2 裂纹参数对切片斯裂强度的影响

4．5 单晶硅切片断裂强度实验研究

4．5．1 切片断裂强度表征方法

4．5．2 实验方案

4．5．3 实验结果及分析

4．6 本章小结

第5章 基于断裂强度的单晶硅切片厚度确定

5．1 引言

5．2 锯切过程切片最大应力及切片厚度确定

5．2．1 切片自由振动分析

5．2．2 切片受迫振动分析

5．2．3 切片最大应力与破片率分析

5．2．4 切片厚度确定

5．3 相同破片率下不同规格切片厚度确定

5．3．1 不同规格切片的厚度关系

5．3．2 圆形切片厚度的确定

5．3．3 矩形切片厚度的确定

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文及参与课题情况