基于单颗磨粒切削的硅片加工破碎损伤

基于单颗磨粒切削的硅片加工破碎损伤 Silicon wafer breakage damage based on single abrasive cutting 1 first-author 王　龙（1989-），男，湖南邵阳人，讲师，硕士生导师，2012年于湖南大学获得学士学位，2014年于装甲兵工程学院获得硕士学位，2018年于陆军装甲兵学院获得博士学位，现为火箭军工程大学装备维修工程教研室讲师，主要从事先进材料与制造技术研究。E-mail： waloxs@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24009560&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24009569&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24009564&type= 22.01332855 32.00402832 王　龙 （1989-），男，湖南邵阳人，讲师，硕士生导师，2012年于湖南大学获得学士学位，2014年于装甲兵工程学院获得硕士学位，2018年于陆军装甲兵学院获得博士学位，现为火箭军工程大学装备维修工程教研室讲师，主要从事先进材料与制造技术研究。E-mail： waloxs@163.com waloxs@163.com 1 1 2 corresp E-mail： tangxiujian@sina.com E-mail： tangxiujian@sina.com 唐修检（1980-），男，湖南安仁人，副教授，硕士生导师，分别于2002年、2010年、2015年于装甲兵工程学院获得学士、硕士、博士学位，现为装甲兵工程学院装备保障与再制造系副教授，主要从事先进制造技术研究。E-mail：tangxiujian@sina.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24009574&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24009584&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24009578&type= 22.01332855 32.00404358 唐修检 （1980-），男，湖南安仁人，副教授，硕士生导师，分别于2002年、2010年、2015年于装甲兵工程学院获得学士、硕士、博士学位，现为装甲兵工程学院装备保障与再制造系副教授，主要从事先进制造技术研究。E-mail： tangxiujian@sina.com tangxiujian@sina.com 1 1 火箭军工程大学，陕西 西安 710000 火箭军工程大学，陕西 西安 710000 Rocket Force University of Engineering， Xi’an 710000， China Rocket Force University of Engineering， Xi’an 710000， China 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验，北京 100072 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验，北京 100072 National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology， Academy of Army Armored Forces， Beijing 100072， China National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology， Academy of Army Armored Forces， Beijing 100072， China 为了探究硅片器件精密磨削加工破碎的损伤规律与演变机制，开展了单颗金刚石磨粒切削单晶硅片的微米划痕实验，分析了硅片边缘有无胶粘包裹作用两种条件下的划痕入口、内部与出口三个区段的破碎损伤形貌特征，并建立了声发射强度、磨削力、切削深度、摩擦系数与破碎损伤之间的内在密切关联。单晶硅破碎损伤随着加载压力或切入深度的增大而越加严重，伴随释放的声发射信号强度增大。单晶硅内部破碎发生的临界阈值条件：载荷约80 mN，切入深度约2 µm，声发射强度约8%。胶粘包裹对单晶硅片边缘的增韧效果显著，边缘崩碎发生临界阈值条件为：载荷约800 mN，切入深度约6 µm，声发射强度约55%。 To explore the damage law and evolution mechanism of silicon wafers during precision grinding， a single diamond grain cutting experiment of a monocrystalline silicon wafer was carried out. The characteristics of the fracture damage morphology at the entrance of a scratch， inside the scratch， and at the outlet of the scratch were analyzed when the edge of the silicon wafer was covered by an adhesive and when it was not. Thus， the close internal relationship between the AE intensity， grinding force， cutting depth， friction coefficient， and crushing damage was established. With an increase in the loading pressure or penetration depth， the damage on monocrystalline silicon becomes increasingly serious， and the intensity of the acoustic emission signal with release increases. The critical threshold conditions for the internal fragmentation of monocrystalline silicon are as follows： the load， penetration depth， and acoustic emission intensity should be approximately 80 mN， 2 μm， and 10%， respectively. The toughening effect of the adhesive coating on the edge of the monocrystalline silicon wafer was remarkable. The critical threshold conditions for the edge chipping of monocrystalline silicon are as follows： a load of approximately 800 mN， a penetration depth of approximately 6 μm， and an acoustic emission intensity of approximately 55%. 硅片 切削 微米划痕 破碎损伤 silicon wafer cutting micron scratch crushing damage 1 引　言 1 晶体硅作为重要半导体衬底材料被用于全球90%以上集成电路与光电器件，广泛应用于太阳能电池、红外及射线探测器、智能卡、生物医学传感器、雷达和指挥系统等领域 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。晶体硅元器件的结构尺寸通常很精细，约占80%的晶体硅材料需要在衬底制备和芯片减薄时去除。近年晶体硅超精密磨削技术已经成为国际公认较有前景的半导体芯片高效率、高质量且低成本加工技术 ［ 4 4 - 8 8 4-8 ］ ，在大尺寸硅片平整化加工与背面减薄加工中有广泛应用空间。然而，在金刚石砂轮磨削过程中极易产生随机性大的碎裂或剥落损伤，严重降低了半导体产品的使用性能和成品率，这也造成晶体硅片质量难于控制的难题。硬脆材料特有的损伤特性引起了国内外学者的广泛关注。Lawn、Thouless、McCormick、Inoue等人 ［ 9 9 - 12 12 9-12 ］ 以经典的断裂力学与损伤力学理论为基础，相继提出了硬脆材料边缘破碎损伤的压痕、剥落与划痕等理论模型。Guin等人 ［ 13 13 ］ 开展了锗硒硫系光学玻璃的纳米压痕试验，并表明横向裂纹是切屑形成的主要因素。Huang等人 ［ 14 14 ］ 分析了氧化铝划痕的塑性变形与脆性裂纹机理，并指出微裂纹产生归根于位错堆积的应力累积。张飞虎等人 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 通过仿真及实验手段研究了碳化硅陶瓷划刻过程中的塑性去除机理、裂纹扩展行为与亚表面损伤形式。田欣利等人 ［ 17 17 - 19 19 17-19 ］ 开展了氧化铝、氮化硅、碳化硅等陶瓷材料的压痕崩碎损伤与划痕崩碎损伤试验，分析了冷却条件、磨粒形态与磨削用量等因素对切削力、崩碎损伤与工件断裂强度的影响，揭示了崩碎损伤的声发射信号具有突变不连续与逾渗特征，并构建了工程陶瓷崩碎损伤预报模型。 单晶硅等硬脆材料加工的破碎损伤及其抑制措施并没有得到全面清晰认识，而准确掌握破碎损伤规律及预防控制措施正是突破硅片超精密加工技术瓶颈的关键点。单晶硅划刻实验是研究磨削加工过程中材料去除行为与破碎损伤的常用有效方法。因此，将磨粒简化为规则的三棱锥形状，以滑动载荷作用下单晶硅片微米划刻实验为基础，分析不同加载压力或切入深度对硅片破碎损伤的演化规律，并建立声发射强度、摩擦系数等伴随特征参数与破碎损伤之间的内在关联，从而为减轻和消除单晶硅的破碎损伤提供理论依据。 2 实验方法 1 试件采用N型（111）晶向的单晶硅片材料，尺寸规格为8 mm×8 mm×1 mm，其性能参数为：密度为2.3 g·cm - 3 ，硬度为11.5 GPa，弹性模量为190 GPa，断裂韧性为0.9 MPa·m 1/2 。单颗金刚石磨粒划刻作用下的单晶硅崩碎损伤研究采用安东帕Anton Paar MST 2 型微米划痕仪系统，并将硅片用LOCTITE 330 Depend胶粘剂粘贴在钢块基底上固定。为了对比分析硅片周边被胶粘剂固化后的胶层包裹增韧效果，将硅片粘贴方式分成两种：（1）仅硅片底面胶水粘贴于基底；（2）硅片边缘完全被胶粘剂浸没包裹。 选用Berkovich型金刚石压头分别以在50 mN~5 000 mN范围内的恒定压力法向加载作用下，以恒定划刻速度为100 mm·min - 1 在单晶硅片8 mm×8 mm表面上从一边缘切削至另一边缘。在单颗金刚石磨粒切削单晶硅过程中，划痕仪器能自动采集磨削力、切入深度与声发射事件等过程特征信号，并利用配套的光学显微镜观察表面划痕与边缘崩口形貌特征，进而研究不同载荷作用下单晶硅的划刻崩碎损伤规律。 3 结果与分析 1 3.1　硅片损伤形貌分析 2 单晶硅划刻表面周边有固化胶层包裹作用时，单颗金刚石切削单晶硅的入口破碎损伤与出口破碎损伤情况，分别如 图1 图1 与 图2 图2 所示。当法向加载压力为50 mN时，单晶硅入口边缘区域、表面内部划痕与出口边缘区域均未见到明显破碎损伤现象，此时材料呈塑性去除，能确保较好的加工表面质量。当加载压力达到80 mN时，单晶硅在表面内部划痕区域开始出现零落的微破碎现象，但在入口边缘区域的破碎损伤非常微小，可忽略不计。单晶硅边缘受到胶粘包裹作用的影响，在边缘表面形成了一定增韧作用，因此入口边缘在低载荷时能较好的抵抗一定磨粒冲击作用。同时，由于出口边缘区域的胶粘包裹的面积与厚度均大于入口边缘区域，因此增韧作用也相对强一些，使得出口边缘区域依旧尚未发现明显的破碎迹象。随着加载压力逐渐增大，切入深度也逐渐越大，单晶硅材料各部位的破碎损形越加严重。当加载压力达到500 mN时，单晶硅表面内部划痕的破碎损伤面积增大，且各个局部损伤之间交叉联接一起。同时，入口边缘区域与出口边缘区域的微破碎、剥落损伤也开始突显出来。此前，单晶硅各部位的微破碎、剥落深度都较浅，这说明中位或横向微裂纹深度较浅。当加载压力达到800 mN时，单晶硅入口边缘区域已经开始形成较大的豁口状崩碎现象，且表面内部划痕的微破碎与剥落损伤面积进一步扩大。同时，在出口边缘区域出现了较长的宏观裂纹，并朝自由边缘方向驰豫扩展，即将形成较大块状的出口边缘崩碎现象。单晶硅自由边缘表面存在最小裂纹扩展的最小阻力 ［ 20 20 ］ ，由此引起裂纹向自由边缘表面弯曲，进而导致边缘崩碎损伤现象。当加载压力达到1 000 mN时，在入口边缘区域与出口边缘区域都已经形成了严重的边缘崩碎现象，且两处都有众多裂纹分布。边缘崩碎损伤的宽度和深度远远大于表面内部划痕的宽度与切入深度，且出口边缘处崩碎的豁口体积明显大于入口边缘处。出口崩碎损伤最为严重原因主要与出口边缘缺乏材料支撑有关。同时，由于金刚石磨粒在入口边缘处对试件存在冲击应力作用，所以入口处的破碎损伤程度严重于材料表面内部区域。当加载压力进一步达到5 000 mN时，单晶硅内部表面划痕边缘完全呈现脆性断裂。单晶硅入口边缘处与出口边缘处的崩碎损伤也越加严重，形成的崩碎豁口体积也进一步增大。同样，相比于入口崩碎损伤而言，出口崩碎损伤的几何尺寸都较大。此外，单晶硅出口崩碎损伤规律基本相似，三棱锥状磨粒划刻材料的出口部位会生成两股主裂纹，并呈八字形向自由边缘扩展而形成，导致边缘崩碎豁口在表面呈近似以划痕为对称线的三角形。因此，出口崩碎损伤几何尺寸是衡量单晶硅材料边缘崩碎程度的重要指标，而法向切削力是控制单晶硅崩碎损伤的关键因素。 当单晶硅划刻表面周边无胶层包裹作用时，单颗金刚石切削单晶硅的入口破碎损伤与出口破碎损伤情况，分别如 图3 图3 与 图4 图4 所示。硅片表面内部划痕损伤形貌的演变规律与胶层包裹作用时基本一致，然而单晶硅入口边缘区域与出口边缘区域的损伤形貌却存在显著差异。当法向加载压力为20 mN时，虽然硅片表面内部划痕呈塑性去除方式，但入口边缘区域便已经存在微浅的破碎现象。这是因为在无胶层包裹作用时，硬脆材料承受磨粒冲击的抗拉强度弱，边缘极易被脆性破坏。当加载压力为500 mN时，硅片入口边缘区域与出口边缘区域已经存在豁口状崩碎现象。这与硅片边缘胶粘包裹时对比分析，更好的证实了胶层包裹在边缘表面形成了增韧效应。当加载压力为1 000 mN时，硅片入口与出口区域形成了更大体积的豁口状缺口，边缘崩碎损伤越加严重。此外，在无胶层包裹作用时同样可以发现硅片出口处的边缘崩碎损伤程度比入口处更加严重。 3.2　胶层包裹作用的硅片切削过程特征 2 在单晶硅等硬脆材料划刻过程中，材料内部的微裂纹不断损伤演化并产生微破裂，使得能量释放而形成弹性应力波，这是声发射事件信号的来源。不同加载压力作用下的声发射信号的归一化幅值特征随切削长度的变化规律，如 图5 图5 所示。当法向加载压力为50 mN时，单晶硅划痕主要以塑性去除为主，微破裂极少发生，因此声发射信号强度在划刻过程中一直在约8%的较低水平保持平稳状态。当加载压力为80 mN时，声发射信号强度约介于10%~20%。内部划痕边缘已出现零散的微破碎现象使得声发射信号强度增大。随着加载压力值的进一步增大，单晶硅划痕的破碎损伤程度越加严重，释放应力波的事件增多，使得声发射信号强度进一步增强。500 mN压力加载时的强度约介于45%~75%，此时材料去除以微破裂形式为主。直至加载压力达到800 mN时声发射强度介于56%~98%，划痕边缘呈现出较大破碎剥落形式，入口处已形成豁口状边缘崩碎，并在划痕出口处形成宏观裂纹而处于脆性断裂的临界条件。当加载压力达到1 000 mN以上时声发射信号强度介于65%~100%，单晶硅材料开始呈脆性断裂去除，单晶硅入口与出口两处都呈现出较大体积的边缘崩碎现象。综上所述，声发射信号与材料去除方式有密切关系，其强度与破碎损伤程度正相关。单晶硅划痕破碎的声发射临界阈值约为10%，边缘崩碎的声发射临界阈值约为55%。 不同加载压力作用下的切入深度变化规律如 图6 图6 所示。随着加载压力越大，金刚石磨粒对单晶硅材料表面的切入深度也越大。磨粒刚切入试件材料的切削深度都明显大于材料内部表面的切削深度。这是由于入口边缘处材料承受了磨粒给予的较大滑动冲击载荷，使得边缘材料更容易以较大的深度与体积被去除。划痕出口处惟有在较高压力加载作用下的切入深度才会突然增大，这主要是缘于材料出口处发生的边缘崩碎现象。当法向加载压力少于500 mN的较低加载水平时，切入深度在划刻过程的变化曲线较平坦，数值波动可忽略不计。当加载压力达到800 mN以上时，切入深度开始在划刻过程中发生了规则性波动变化。随着加载压力的继续增大，切入深度在划刻过程中变化的波动幅度也越大。这说明在少于800 mN的较低加载水平时，即切入深度约为1.5~5.5 µm，单晶硅材料内部表面划痕的材料去除方式由以塑性变形为主逐步转变成以微破裂为主，因此切入深度变化较弱小。其中，法向加载压力80 mN左右时发生塑脆转变的临界切入深度约2 µm。然而，当大于800 mN的较高加载水平时，即切入深度达到6 µm以上，单晶硅表面划痕的材料去除方式由以微破裂为主转变成以剥落为主，因此切入深度呈现出较大的波动现象。当加载载荷达到5 000 mN时，切入深度已达到23.5 µm，单晶硅内部表面在金刚石磨粒的挤压和切割下，材料去除主要以脆性断裂为主。因此，切削深度是影响单晶硅等脆性材料去除机理的关键因素。 图7 图7 为不同加载压力作用下的摩擦系数变化规律。当法向加载压力介于50 mN~80 mN时，摩擦系数随切入深度的增大而增大，且波动幅度较大，此阶段均值介于0.34~0.35。这说明了材料去除主要以塑性去除为主，塑性划擦作用随切入深度的增大而增大。当加载压力达到500 mN时，摩擦系数却又显著的变小，同时波动幅度变小，摩擦系数均值降至0.29。这说明材料去除方式已转变成以微破裂去除为主，磨粒与材料之间的塑性摩擦作用明显减弱。当加载压力介于800 mN~5 000 mN时，摩擦系数又随切入深度的增大而增大，此阶段均值介于0.33~0.39。这说明磨粒与材料之间的切向滑动载荷作用逐渐增强，材料去除方式逐渐转变成剥落形式。 磨削力是材料加工过程中最直接的重要特征信号，能直观的体现出磨粒与单晶硅之间接触状态、相互作用及成屑的实时情况。在不同压力加载作用下，如 图8 图8 所示，单晶硅在划刻过程中的切削力具有一定相似性特征。当磨粒刚开始切入单晶硅材料时，切向磨削力都骤然增大，在极短的划刻距离后又突然降下，由此形成了一个显著的波峰。这说明磨粒切入材料边缘时会存在较大切向冲击力作用，这是导致入口边缘崩碎形成的主要原因。然而，磨粒在单晶硅材料内部划刻过程中，由于存在切屑破碎剥落、划痕槽底粗糙形貌等因素的影响，使得切向磨削力存在规则性波动。在50 mN与80 mN加载压力尚不足以形成边缘破碎现象时，划痕出口边缘区域的切向磨削力形成了一个突起波峰。然而，当加载压力增大至能导致单晶硅出口边缘区域形成崩碎现象后，切削力却没有了明显的突变现象。这主要是单晶硅边缘区域受到胶粘包裹增韧作用的影响，使得材料边缘区域在较低压力作用时的抵抗损伤能力增强。综上所述，单晶硅切削过程中材料的脆性破坏行为与切向磨削力的大小及波动行为密切相关。 4 结　论 1 （1）单晶硅在不当切削工艺下极易发生脆性破碎损伤，伴随的声发射、切入深度、摩擦系数、磨削力等过程特征为材料去除机理及损伤形式的分析提供了重要依据。 （2）单晶硅边缘区域因受到胶粘包裹形成一定程度的增韧效应，使得硬脆材料边缘区域抵抗碎裂损伤能力增强。 （3）随着加载压力越大，磨粒切入试件深度越大，则单晶硅加工破碎损伤程度越大，进而引发的声发射强度越大。出口边缘崩碎损伤比入口边缘崩碎损伤更加严重。入口边缘崩碎主要原因是磨粒对单晶硅边缘的冲击载荷作用。出口边缘崩碎主要原因是缺少材料支撑作用，由划痕两侧生成主裂纹呈八字形向自由边缘驰豫扩展而形成。 （4）单晶硅划痕微破碎发生的临界载荷约为80 mN，临界切入深度约为2 µm，声发射临界阈值约为8%。胶层包裹增韧抑制作用下单晶硅边缘崩碎发生的临界载荷约为800 mN，临界切入深度约为6 µm，声发射临界阈值约为55%。切入深度约为1.5~5.5 µm，单晶硅划痕的材料去除方式由以塑性变形为主逐步转变成以微破裂为主。切入深度达到6 µm以上，单晶硅划痕的材料去除方式由以微破裂为主转变成以破碎剥落为主。 参考文献 HAMAKAWA Y . 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