砂輪劃片機在砷化鎵材料切割中的應用研究

郎小虎，張瑋琪，孫 彬，閆啟亮

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

砷化鎵是一種重要的半導體材料，用砷化鎵制成的半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優(yōu)點，是半導體材料中兼具多方面優(yōu)點的材料。作為第二代半導體，砷化鎵單晶價格昂貴，相當于同尺寸硅單晶片的10～30倍，即使價格不菲，目前國際上砷化鎵半導體的年銷售額在10 億美元以上。2010年中國宣布已掌握一種生產(chǎn)這種材料的新技術(shù)，并在“十二五”計劃中，我國將實現(xiàn)該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。

但砷化鎵加工要求高，難度大，對加工設(shè)備要求嚴格，而且國內(nèi)砷化鎵劃切工藝還不完善，劃切設(shè)備發(fā)展也比較落后。本文從材料特性出發(fā)，探索改善和提高砂輪劃片機切割砷化鎵材料劃切質(zhì)量的方法。

1 脆性材料磨削機理

1.1 脆性斷裂

材料的去除原理一般可分為脆性斷裂和塑性變形兩大類。塑性變形去除方式與金屬磨削中的切屑成型過程相似，包括劃擦和切屑的形成，材料是以剪切切屑形成方式去除的。而脆性斷裂的去除方式是通過空隙和裂紋的形成或擴展，剝落以及碎裂等方式來完成，在脆性破壞時，裂痕是發(fā)生在磨粒后方的接觸邊界附近，往側(cè)向成長而形成裂片，直至斷裂時也無顯著的變形。所以在脆性材料加工時難以獲得光滑平坦的加工面，甚至會損傷損壞材料本身。

1.2 脆性材料塑性域磨削

研究表明實現(xiàn)脆性材料塑性域磨削的條件是：砂輪單個磨粒的最大切削深度應小于脆性材料的臨界切削深度。

一些工程學者通過用金剛石壓頭刻劃過玻璃等脆性材料表面來模擬金剛石砂輪上的微小磨粒的切削過程，當所施加載荷大于臨界荷時，實現(xiàn)對脆性材料的超精密磨削，關(guān)鍵是使材料以塑性變形方式去除。在磨粒的作用下，材料表面會產(chǎn)生微裂紋，此時磨粒切入的厚度叫臨界切削厚度，圖1為磨粒作用下脆性裂紋示意圖。

圖1 磨粒作用下脆性裂紋示意圖

美國學者T．G．bifano 在對玻璃、陶瓷等脆性材料做了大量的磨削實驗的基礎(chǔ)上，得到了超精密磨削中的臨界切削厚度公式：

式中：dc是臨界切削厚度，E 是材料的彈性模量，H 為材料硬度，Kc是材料的斷裂韌性。日本的學者用不同粒度的磨粒對單晶硅、鈮酸鋰表面進行了印壓實驗，發(fā)現(xiàn)不同粒度的磨粒對材料表面的影響是不同的，因此在超精密磨削過程中，金剛石砂輪磨粒粒度的大小必然會影響到臨界切削厚度。也正是由于砂輪磨粒尺寸越小,同時參與磨削的磨粒越多,越易形成塑性域磨削。

2 砷化鎵材料特性分析

2.1 砷化鎵劃切質(zhì)量

在半導體劃切工藝流程環(huán)節(jié)，切割質(zhì)量直接影響產(chǎn)品性能，砷化鎵材料性脆而硬，是典型的硬脆材料，在應用中加工要求高，難度大，一直是劃切生產(chǎn)線上的難題。

我們在國內(nèi)某砷化鎵芯片生產(chǎn)線上調(diào)研發(fā)現(xiàn)，砷化鎵晶圓劃切流程效率低，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，導致成品率低下。尤其對于同一張圓片，兩個方向上的劃切效果截然不同，一個方向上劃切寬度較窄，邊緣平坦光滑，如圖2 所示；而另一方向上劃切寬度寬，且邊緣崩邊較大，如圖3 所示，如果崩邊接近或超過劃切街區(qū)，將會損傷損壞芯片內(nèi)部，直接導致廢片。針對此狀況，我們對此進行工藝研究，尋求發(fā)生該狀況的原因，探索解決同一圓片劃切質(zhì)量不一致方法。

2.2 砷化鎵解理面

理想的籽晶，應是同一材料的無缺陷或很少缺陷的有一定取向單晶制成。砷化鎵外觀呈亮灰色，具金屬光澤、性脆而硬。生長的砷化鎵晶體一般有<11l>、<100>、<21l>等晶向。晶體的解理，就是當晶體受到定向機械應力的作用時，可以平行一個或幾個平整的面分裂開的性質(zhì)。這些分裂的平整平面稱為解理面。

圖2 解理面方向切割刀痕

圖3 解理面垂直方向切割刀痕

在砷化鎵晶體中，鎵原子帶負電，砷原子帶正電。因此在<111>晶面與<-1-1-1>晶面之間存在靜電引力作用，外來的機械作用力不易把它們分裂開。而在每個< 110>晶面間上都有相同數(shù)目的鎵原子和砷原子，所以<110>晶面間不存在靜電引力。同時因<110>晶面間單位面積上作用的鍵數(shù)僅比<111> 晶面多，而比其它晶面都少，所以<110> 晶面在外來機械作用力的作用下極易分裂開，成為極完整的解理面。

3 劃切工藝實驗

3.1 劃切刀片

劃切刀片是劃切動作的執(zhí)行體，所以對于劃切刀片的選擇是研究金剛石劃切工藝的首要條件。劃片刀是由金剛砂顆粒通過粘合劑粘合而成，在刃口暴露的金剛砂使刀刃呈鋸齒狀，見圖4 所示。在劃片過程中，劃片刀的金剛砂顆粒會不斷地被磨損、剝落和更新，以保證刃口鋒利。如果金剛砂顆粒更新及時，切割效果就比較好，劃槽邊緣較光滑。如果被磨損的金剛砂顆粒沒有及時更新，就會導致劃片刀變鈍、切割負載變大、切割溫度過高，產(chǎn)生一系列的劃切質(zhì)量問題。

圖4 金剛刀刃示意圖

圖3 顯示的是劃片槽崩邊的情況，如果崩邊過大可能會導致芯片損傷和破壞，造成嚴重的后果，所以要防止崩邊裂片狀況的發(fā)生，選擇合適的劃片刀顯得尤為重要。綜合劃片質(zhì)量和劃片刀壽命兩方面考慮，傳統(tǒng)的集成電路封裝劃片一般選擇4～6 μm 的金剛砂顆粒、中等強度結(jié)合劑和中等金剛砂密度的劃片刀。而在應對劃片刀過載問題時，必須選擇較小的顆粒（如2～6 μm）、低密度和軟結(jié)合劑的劃片刀，從而保證金剛砂顆粒能及時剝落和更新，保持劃片刀鋒利。

3.2 實驗及結(jié)果

綜上所述，我們明確了砷化鎵在砂輪劃切過程中影響劃切質(zhì)量的兩個關(guān)鍵因素，一是砷化鎵本身特性造成解理面和其垂直方向劃切質(zhì)量不一致；二是在劃片刀的選取上對于磨粒和粘合劑的要求不同而出現(xiàn)劃切效果不同。實驗中平臺采用北京中電科電子裝備有限公司研制的8 英寸精密雙軸自動劃片機，裝備自主研發(fā)的空氣靜壓主軸，一切實驗均在標準等級的凈化實驗室內(nèi)進行。本次實驗主要針對砷化鎵解理面的垂直面（即<111>面）采用顆粒大小不同的劃片刀進行切割實驗。

在刀片的選擇上，我們選用集成電路封裝劃片其中兩種典型劃片刀，顆粒度大小分別為3500# 和4800#，在同等的劃切條件下，分別進行劃切實驗，劃切槽圖像如圖5，圖6 所示。顯然顆粒度更小的劃片刀4800# 劃切質(zhì)量更好，并且劃切穩(wěn)定，見圖7 所示。

從圖像我們可以看出不同粒度的磨粒對砷化鎵材料劃切槽邊緣的影響是不同的，因此可以得出結(jié)論：在砷化鎵材料的劃切過程中，金剛石砂輪磨粒粒度的大小必然會影響其臨界切削厚度。

圖5 3500# 刀片切割刀痕

圖6 4800# 刀片切割刀痕

圖7 ZHZZ 系列刀片切割刀痕

4 總 結(jié)

通過砂輪劃片機切割砷化鎵圓片的大量試驗，驗證了磨粒粒度的大小與其臨界切削厚度存在的關(guān)系，同時對砷化鎵切割方式，刀片應用等方面做出了有效的改進。然而隨著芯片的厚度越來越薄，劃切街區(qū)越來越窄，要使得砷化鎵材料的劃片過程處于一個快速、穩(wěn)定的狀態(tài)，還需要在此改進基礎(chǔ)上更加深入量化的研究。

[1] Rogelio L Hecker.Steven Y Liang.Predictive modeling of surface roughness in griding.International Journal of machine Tools & Manufacture.2003.43：755-761.

[2] 李伯民，趙波實用磨削技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1996(4)：10-100.

[3] 李亞飛，趙文祥，王西彬杯形砂輪修整蝶形金剛石砂輪磨削力研究[J]. 金剛石與磨料模具工程，2004(5)37-39.

[4] 陳明君，董申，李旦，張飛虎 脆性材料超精密磨削時影響表面質(zhì)量因素的研究. 機械工程學報，2001.37(3)：1-4.