晶體倒角工藝改進方法研究

羅夏林,甘 禹,王 強,冉孟紅,丁雨憧,胡吉海,王洪剛

(中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

目前在軍事電子裝備中廣泛應用壓電和聲光晶體材料,每種晶體材料具有各自特點和應用要求。壓電和聲光器件的核心晶體材料主要外形規格有晶塊和晶圓,晶塊倒角是對每塊晶塊相應的棱邊進行倒角處理,晶圓倒角是把切割好的晶圓邊緣磨削成指定的形狀。倒角工藝是為了防止晶體在后續加工過程中邊緣出現裂紋、崩邊及晶格缺陷的產生[1],提高晶體的機械強度和可加工性[2],同時在后續生產中,如果晶體不倒角,在拋光和清洗工序中,鋒利的晶體邊緣會劃傷拋光布,影響壽命[3],也會影響晶體的表面質量,同時晶體倒角也可去除外周產生的參考邊弧面,控制參考邊長度和晶圓直徑[4]。然而在工藝設計中倒角工藝常被認為是輔助工序而被忽視。因此,長期以來倒角工藝的研究處于停滯狀態。本文主要對晶體倒角工藝改進方法進行研究,以提升產品的合格率。

1 倒角工藝原理

晶體倒角工藝主要包括晶塊棱邊倒角和晶圓倒角兩種工藝。

1.1 晶塊棱邊倒角工藝

圖1為晶塊棱邊倒角原理。

圖1 晶塊倒角示意圖

由圖1可知,晶塊按照順序布滿在對應的夾具上,置于設備工作臺的固定位置,并真空吸附固定,其附近中線水平方向上有一高速旋轉砂輪,倒角時,砂輪自轉且向z軸方向運動,從而實現邊緣倒角。

1.2 晶圓倒角工藝

圖2為晶圓倒角工藝原理。晶圓真空吸附在吸盤上,其附近水平方向上有一高速旋轉砂輪,倒角時,砂輪按固定路徑進行周期運動,冷卻液噴射在磨削區域,從而實現邊緣倒角[5]。

圖2 晶圓倒角示意圖

2 倒角工藝實驗

2.1 晶塊倒角工藝實驗

2.1.1 設備

實驗設備采用數控三軸精雕機,由計算機、控制器及主軸電機3部分組成。通過計算機內配置的專用設計軟件對其進行設計和排版,將刀具路徑信息自動傳送到控制器中,再由控制器把這些信息轉化成能驅動伺服電機按照X、Y、Z走刀路徑進行加工。其主軸電機及工作臺等運行正常,誤差不大于3 μm。

2.1.2 晶塊材料

某型晶體材料莫氏硬度小于5,外形為長方體(見圖3)。圖中,S1、S2均表示表面。經加工后側面四面細磨,端頭拋光,涂刷光刻膠保護表面。經檢測,晶塊尺寸合格,涂刷均勻,一致性好。

圖3 某型晶塊示意圖

2.1.3 刀具

刀具采用錐度為90°的金剛砂刀具,其目數按工藝技術標準執行。刀具路徑采用單一直線物理磨削的工藝路徑,能有效地降低因晶體材料、夾具、裝夾等綜合因素帶來的誤差,具有一致性好的優點。

2.1.4 夾具及工藝方法

圖4為傳統的單個插入式倒角夾具。外框為硬鋁件,中間為聚酯氟乙烯材料,使用時每塊晶塊插入夾具卡位中,擰緊螺絲固定。

傳統倒角工藝加工時存在較多質量問題:定位塊體為聚酯氟乙烯材料,加工毛刺多且粗糙度大,裝夾時易破損,加工穩定性不可控。傳統夾具平行度誤差為0.15～0.22 mm,產品一致性差。當晶塊的長度大于18 mm時,容易破損(見圖5),無法繼續加工。

圖5 倒角破損實例

針對傳統晶塊倒角工藝存在的問題,優化夾具設計如圖6所示。該夾具包括外框架、定位塊體、端頭擋板、壓板和橡膠墊,外框架上表面有1個安裝槽,定位塊體固定安裝在安裝槽內并突出于安裝槽。定位塊體上表面形成有由端部凸起和中心凸起構成的T型凸起結構,T型凸起高度小于待加工聲光晶體的厚度,定位塊體上表面中心凸起兩側的區域構成用于放置晶塊。端頭擋板可在調節機構作用下橫向移動,以便均勻夾持晶塊,將晶塊安放區上的晶塊于端頭擋板和端部凸起之間夾緊;壓板可拆卸地設置在中心凸起上,壓板長度和中心凸起長度匹配,壓板寬度大于中心凸起寬度,用于同時豎向壓緊中心凸起兩側晶塊安放區上的晶塊;橡膠墊置于壓板下表面,以增大晶塊豎向壓緊力和晶塊壓緊后的橫向摩擦力。優化后的夾具能有效地保護晶塊表面,減少單個晶塊的承載力,且易于裝夾,減少晶塊破損的質量問題。

圖6 并排式組合夾具示意圖

2.2 晶圓倒角工藝實驗

本實驗采用數控三軸精雕機(見第2.1.1節)。材料采用非標準壓電和聲光晶體材料晶圓。刀具采用圓弧槽的金剛砂刀具,開口尺寸(+0.02 mm)按實際晶圓厚度執行,其目數按工藝技術標準執行。刀具路徑采用晶圓實際外形,正偏移工藝路徑。

傳統的晶圓倒角工藝夾具如圖7所示。采用硬鋁真空吸附盤組件,真空泵工作時產生負壓。晶圓安裝時,先將定位卡沿平行軸承向上移動至上表面高于吸盤上表面,晶圓按設計路徑圖輕放置,大小基準邊與定位卡邊緣對齊。開啟真空泵,向下放置或取下定位卡即可。傳統倒角工藝夾具存在安裝時晶圓鋒邊易崩缺,且倒角后不能去除損傷問題。由于晶圓滾圓后的直徑誤差,造成晶圓邊緣不能完全磨削或成品直徑過小等質量問題。

圖7 真空吸附盤組件示意圖

針對傳統晶圓倒角存在的問題,優化夾具及加工工藝方法如下:

1) 晶圓裝夾時,定位卡沿平行軸承向上移動至上表面高于吸盤上表面0.6 mm,且在平行軸承軌道安裝固定卡,確保運動位移的一致性。

2) 刀具開口槽尺寸比晶圓厚度大0.2 mm,設計預倒口(見圖8),降低晶圓在z方向上倒角尺寸的誤差,且保護晶圓邊緣。

圖8 倒角刀具與晶圓示意圖

3) 晶圓由A位置相對位移到B位置時(見圖8),晶圓外邊緣與刀具外邊緣平齊,且厚度d≥0.8 mm時,進給量v=0.1 mm/r,收刀進給量v=0.04 mm/r;d<0.8 mm時,進給量v=0.07 mm/r,收刀進給量v=0.025 mm/r;

4) 刀具收口邊緣圓弧時,設計路徑原點坐標與晶圓裝夾中心坐標一一對應,刀具按設計路徑加工,確保晶圓直徑合格。

3 結束語

本文應用新型夾具及對配套的倒角工藝進行優化,有效地保護了晶體表面質量,減少用力裝夾時產生的破損,在保證加工精度的同時,極大地提高了加工效率和合格率。通過多個批次晶塊和圓晶產品生產統計,與傳統的倒角工藝相比,優化后晶體的崩邊、崩缺不合格率從14.78%降低到3.09%。

在實際生產加工中應根據產品的原始狀態、過程缺陷等做合理的程序設定;同時倒角工藝的制定需要考慮各方面因素及設備所能達到的狀態、客戶的技術需求等選擇最佳的工藝參數、工藝路線和工藝輔料,有效地解決了倒角過程中產生的崩邊、崩缺等問題,提高了產品合格率。