金剛石刀輪滾壓脆斷單晶硅和藍寶石的實驗研究

陳 絨，周 聰，謝 晉*，陳釗杰

（1.廣東科技學院，廣東 東莞523083；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州510641）

1 引 言

單晶硅和藍寶石作為半導體襯底材料，具有優越的性能［1-2］，已被廣泛應用于LED、CMOS、MEMS器件制造產業［3-5］。在制作此類微電子器件時，需要對基底材料上光刻后的芯片電路進行分割并封裝，切割質量直接影響著器件質量和成本［6］。此外，硬脆性硅和藍寶石易產生裂紋，加工難度大［7-8］。

玻璃基板常采用硬質合金刀輪滾壓切割［9］，但其壽命和精度較低；芯片切割采用金剛石高速旋切［10］，但由于磨粒產生應力集中，易出現崩邊［11］。激光切割會殘留熔融物質和微觀裂紋［12］。也有學者提出一種干凈平滑的冰輔助激光切割，但增加了成本［13］。1921年，A.A.Griffith提出了微裂紋理論，Griffith認為，實際材料中存在許多細小的裂紋或缺陷。在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近產生應力集中現象。當應力達到一定程度時，裂紋開始擴展導致斷裂。所以，斷裂不是兩部分晶體沿整個晶面拉斷，而是裂紋擴展的結果［14］。

以此理論為基礎，早期采用單點金剛石刀具劃線切斷單晶硅，但是對刀刃精度要求較高［15］。因此，在采用直徑50 mm左右的金剛石砂輪片高速旋轉劃線切割時，需要在位修整砂輪片尖端［16-17］。由于半徑大的砂輪片切割時有不規則微裂紋橫向擴展乃至邊緣破碎，直徑2 mm左右的金剛石刀輪已逐漸開始被產業化應用［18-19］。此外，刀輪滾壓壓力和深度與表面質量的關系也一直被探究［20］。

在本研究中，利用金剛石微刀輪對單晶硅及藍寶石進行滾壓脆斷分割。根據脆性材料特性，微裂紋擴展機理，研究刀輪角度和滾壓壓力對工件材料應力分布的影響。此外，實驗研究不同工藝參數對裂紋擴展和斷面質量的影響。最終應用于集成電路芯片的切割工藝中。

2 精密滾壓應力場分析

2.1 刀輪精密滾壓脆斷模型

圖1為刀輪精密滾壓脆斷過程圖。在施加滾壓壓力p的作用下，使用刃端角度為α的金剛石刀輪在單晶硅和藍寶石表面進行滾壓，劃痕下方產生垂直裂紋。然后，通過施加力矩，垂直裂紋沿脆斷面擴展，產生脆斷分離［21］。采用ANSYS仿真軟件分析單晶硅和藍寶石滾壓脆斷過程的應力分布。在仿真條件中，將刀輪定義為剛體，刃端角度α為115°和120°，尖端半徑r為0，將工件材料定義為彈性體。單晶硅和藍寶石的物理性質如表1所示。

圖1 刀輪精密滾壓脆斷過程Fig.1 Cutting wheel precision scribing and brittle fracture

表1 單晶硅和藍寶石物理性質Tab.1 Physical properties of single crystal silicon and sapphire

2.2 刀輪角度對工件表面應力的影響

圖2為滾壓過程的刀輪刃端處應力分布云圖。可以發現，工件表面應力的分布與刃端位置和刀輪形狀有關，在刃端處，張應力達到最大，導致脆性材料的裂紋擴展。隨著離開刃端距離增大，張應力逐漸減小，然后轉變成壓應力。沿著滾壓方向，張應力范圍逐漸擴大，最終工件表面形成直線劃痕，用于最后的脆斷切割。但是，刀輪刃端垂直下方的張應力因逐漸轉變成壓應力，裂紋不會進一步擴展。

圖2 滾壓過程的刀輪刃端處應力分布云圖Fig.2 Stress distribution at the edge of wheel during scribing

圖3為刀輪角度α對最大表面應力σ的影響?？梢钥闯觯敠?115°，單晶硅的最大張應力為86.24 MPa，相 比α=120°的 應 力，提 高 了 約33.2%。相反，滾壓藍寶石時，α=115°的刀輪產生的最大張應力相比α=120°的低約5.2%。由此可知，刀輪滾壓脆斷韌度小且硬度較低的晶圓材料時，使用較大角度的刀輪會產生較低應力，可保證脆斷面質量。

圖3 刀輪角度α對工件表面最大應力σ的影響Fig.3 Effect of cutting wheel angleαon workpiece surface maximum stressσ

2.3 滾壓壓力對單晶硅和藍寶石表面應力的影響

圖4為滾壓壓力p與工件表面最大應力σ的關系?？梢园l現，隨著滾壓壓力p的上升，工件表面應力σ線性上升。當滾壓壓力p較低時，單晶硅表面應力σ迅速上升，說明提高滾壓壓力p易產生更多裂紋，導致破碎。但是，藍寶石表面應力σ上升速率比單晶硅低，原因是藍寶石斷裂韌度大，抵抗破碎能力更好，且精密滾壓脆斷所需滾壓壓力p也更大。此外，斷裂韌度為1.9～5.5的材料適合的滾壓壓力p的范圍約為0.03～0.07 MPa。

圖4 滾壓壓力p與工件表面最大應力σ的關系Fig.4 Relationship between rolling pressure p and the maximum surface stressσ

3 滾壓脆斷實驗數據及分析

3.1 工藝條件及參數

圖5為刀輪滾壓實驗裝置以及金剛石刀輪形貌。根據第2節的模擬仿真結果，選擇合適工藝參數，進行滾壓脆斷實驗。其中，工件材料通過真空吸盤固定，在刀架上裝有金剛石刀輪，刀輪中央為刀輪軸安裝孔，刀輪裝入輪軸后固定在刀頭部位，如圖5（a）、（b）所示。圖5（c）、（d）為實驗使用的金剛石微刀輪形貌圖，刃端半徑r為5μm，用來保證精密滾壓時的精度。金剛石刀輪規格如表2所示。

圖5 實驗裝置及金剛石刀輪形貌Fig.5 Experimental setup and diamond wheel morphology

表2 金剛石刀輪規格Tab.2 Specifications of diamond cutter wheel

3.2 刀輪角度對滾壓脆斷斷面的影響

圖6為刀輪角度α對晶片斷面質量的影響?？梢钥吹剑?120°的單晶硅脆斷面裂紋比α=115°的裂紋分布更加均勻，斷面質量更高，但是，a=115°的藍寶石脆斷面相對α=120°的質量更高。結合第2節刀輪角度α對工件表面應力σ的分析，加工斷裂韌度小和硬度低的材料使用α=120°的刀輪可以產生更低的應力σ，而加工斷裂韌度大和硬度高的材料時使用α=115°的刀輪產生的應力σ更低。

圖6 刀輪角度α對晶片斷面質量的影響Fig.6 Effect of wheel angleαon wafer cross-section quality

由此可知，斷裂韌度小且硬度低的材料應選擇角度偏大的刀輪，滾壓產生的應力更低，裂紋擴展更加集中，使芯片材料的斷面品質更高。

3.3 滾壓壓力與斷面質量的關系

3.3.1 單晶硅和藍寶石的裂紋擴展

圖7為滾壓后的工件裂紋SEM形貌?？梢钥闯?，當滾壓壓力p較低時，單晶硅產生明顯微裂紋，且隨著壓力上升橫向裂紋逐漸增多，甚至產生破裂。對于藍寶石，在p=0.07 MPa的滾壓壓力下，幾乎沒有微裂紋，提高壓力p后開始出現垂直裂紋。結合應力分析結果，說明藍寶石材料產生微裂紋所需要的應力約為單晶硅的5倍，且由于其斷裂韌度大，硬度高，抵抗破碎和裂紋擴展的能力較強，需要更高的滾壓壓力p來產生垂直裂紋。

圖7 滾壓后的工件裂紋SEM形貌Fig.7 SEM morphology of crack in the workpiece after rolling

3.3.2 斷面質量對比

圖8為單晶硅劃痕的SEM形貌圖（α=120°）。使用不同壓力p進行滾壓脆斷，獲得脆斷面?？梢钥闯鰡尉Ч柙跐L壓處兩側出現邊沿破碎，長度在1.12～1.35μm，且在增大滾壓壓力p的條件下，雖然滾壓深度增加，但應力σ也增大，邊沿破碎程度更大。

圖8 單晶硅劃痕的SEM形貌圖（α=120°）Fig.8 SEM morphology of scratched silicon（α=120°）

圖9為單晶硅劃痕的斷面光學形貌圖（α=120°）。由圖可知，在p=0.015 MPa時，劃痕深度裂紋擴展相對均勻；在p=0.010 MPa時，斷面發生雞毛頸區，為非正常局部區域；p=0.020 MPa時斷面發生非正常分離局部鏡面區域。由此可知，單晶硅在滾壓壓力p為0.015 MPa左右時斷面質量最優。

圖9 單晶硅劃痕的斷面形貌圖（α=120°）Fig.9 Cross-section morphology of scratched silicon（α=120°）

圖10為藍寶石劃痕的SEM形貌圖（α=115°）?？梢钥闯?，表面邊沿破碎程度比單晶硅低約20%，且形狀規則。這也說明，藍寶石斷裂韌度大且硬度高，能產生質量較好的劃痕。對應的藍寶石劃痕的斷面形貌如圖11所示。從圖中可以看到，在p=0.095 MPa時，藍寶石斷面劃痕深度裂紋擴展較均勻，斷面質量較高。

圖10 藍寶石劃痕的SEM形貌圖（α=115°）Fig.10 SEM morphology of sapphire scratches（α=115°）

圖11 藍寶石劃痕的斷面形貌圖（α=115°）Fig.11 Cross-section of sapphire scratches（α=115°）

圖12為滾壓壓力p與工件表面滾壓深度h的關系?？梢钥闯?，滾壓深度h與滾壓壓力p呈線性關系。單晶硅的滾壓深度h在38～58μm，藍寶石的滾壓深度h在77～115μm，約為單晶硅的2倍。也可以預測，斷裂韌度為1.9～5.5的材料適合的壓力范圍為0.03～0.07 MPa。對于不同角度刀輪的滾壓效果，在單晶硅上使用α=120°的刀輪可以產生更深的滾壓深度，斷面質量較好，而在藍寶石上使用α=115°刀輪的效果更優，這是由于滾壓時產生的表面應力σ更小所導致的。

圖12 滾壓壓力p與工件表面滾壓深度h的關系Fig.12 Relationship between rolling pressure p and depth h of workpiece surface

綜上所述，在進行晶片滾壓脆斷分離時，對應不同的晶片材料首先需要選擇合適角度的刀輪，并在合適的滾壓壓力p下進行。過小的滾壓壓力p導致過小的應力σ，無法在劃痕下方產生垂直裂紋；而過大的滾壓壓力p導致過大的應力σ，會產生破碎以及崩裂。其中，單晶硅滾壓壓力p為0.015 MPa，藍寶石的滾壓壓力p為0.095 MPa時，滾壓脆斷后的斷面裂紋擴展相對均勻，斷面質量最優。

根據最優滾壓壓力p，結合圖4的應力分析，單晶硅的最佳張應力σ在100 MPa左右，藍寶石的為350 MPa左右，在適宜的外加應力σ下，切痕表面不會產生過多的邊沿破碎，同時保證了一定的垂直裂紋長度（約10μm），可以獲得高質量的斷面。

3.4 集成電路芯片的滾壓脆斷切割

集成電路產業分為電路設計、芯片制造以及封裝測試三個行業。在集成電路芯片封裝過程中，首先需要對芯片進行切割，這一過程具有重要影響。在切割過程中，精密的切割軌跡能夠保證在后續的分離過程中產生盡可能小的缺陷，不破壞表面電路，并減少后續的側面磨拋時間。

以上述的刀輪精密滾壓實驗研究為基礎，使用不同滾壓壓力p對集成電路芯片進行精密滾壓脆斷分離，觀察刻有電路的芯片表面破碎情況，如圖13所示。可以看出，在滾壓壓力p增大時，芯片的邊沿破碎較為嚴重，出現缺口以及崩碎，影響芯片的性能。在選擇滾壓壓力p較小的條件下產生的邊沿破碎不會破壞晶片表面電路，保證性能。

圖13 集成電路芯片分割后邊緣形貌對比圖Fig.13 Edge comparison after integrated circuit chips splitting

根據以上分析，使用帶鋸齒的120°金剛石刀輪以p=0.005 MPa的滾壓壓力對芯片背面進行滾壓脆斷分離，最終得到的芯片表面如圖14所示。帶鋸齒的刀輪滾壓脆斷后，所得到的芯片邊緣幾乎不產生破碎，不會損傷芯片中的電路線。

圖14 低損傷芯片分割形貌圖Fig.14 Low damage chip splitting

4 結 論

（1）在金剛石刀輪精密滾壓過程中，工件表面應力分布與與刃端位置和刀輪形狀相近，張應力最大的部分集中在刀輪刃端下方，且工件表面的應力值與滾壓壓力總體呈線性關系。張應力過低，劃痕下方無法產生垂直裂紋；張應力過高，會產生橫向裂紋，易使芯片脆斷邊緣破碎和崩裂。

（2）在單晶硅精密滾壓時，刀輪角度為115°產生的張應力相比120°約高33.2%，而在藍寶石中，刀輪角度為115°產生的張應力相比120°刀輪約低5.2%。在選擇刀輪角度時，硬度和斷裂韌度越大的材料選用角度偏小的刀輪，滾壓時產生的應力更低，裂紋擴展范圍更加集中，工件材料的斷面品質更高。

（3）在進行對單晶硅與藍寶石精密滾壓脆斷時，滾壓深度與滾壓壓力成正相關關系。同時，在合適的滾壓壓力和張應力范圍內，劃痕表面邊沿破碎低至約1μm，微裂紋擴散均勻且方向一致，斷面質量高。其中，單晶硅滾壓壓力為0.015 MPa，張應力在100 MPa左右，藍寶石的滾壓壓力為0.095 MPa，張應力在350 MPa左右時，滾壓脆斷后的斷面裂紋擴展相對均勻，斷面質量最優。

（4）將金剛石刀輪滾壓脆斷技術應用于集成電路芯片切割中可減少后續加工磨拋的時間，提高效率。滾壓壓力增大會引起芯片邊沿破碎的增多，甚至出現缺口以及崩碎，影響芯片的性能。所以，在進行芯片切割時，應盡可能選擇較小的滾壓壓力，選用帶微鋸齒的刀輪，保證芯片分離時表面電路完整性。