劃片刀(Wafer Saw) 主要由電鑄鎳基結(jié)合劑、金剛石/類金剛石等硬質(zhì)顆粒組成。切割時由主軸帶動刀片高速旋轉(zhuǎn)獲得高剛性，從而去除材料實(shí)現(xiàn)切割。由于刀片具有一定的厚度，要求劃片線寬較大。金剛石劃片刀能夠達(dá)到的最小切割線寬為 25~35um。切割不同材質(zhì)、厚度的晶圓，需要更換不同的刀具。在旋轉(zhuǎn)砂輪式劃片過程中，需要采用去離子水對刀片進(jìn)行冷卻，并帶走切割后產(chǎn)生的硅渣碎屑。

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半導(dǎo)體劃片刀示意圖

1、劃片刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

劃片刀表面粗粘，有凸起的硬質(zhì)顆粒和刀口，如圖 2-15 所示。普通刀具，刀尖表面較為光滑，刃部尖銳，刀尖與水平面的夾角 較大;而劃片刀的刀尖表面粗糙，刃部近似矩形，與水平面的夾角日接近0°，如圖 2-16 所示。

2、高速轉(zhuǎn)動

普通刀具利用鋒銳尖端在物體表面施加集中應(yīng)力,可直接分裂物體進(jìn)行切割。劃片刀與普通刀具不同。因?yàn)楸旧斫Y(jié)構(gòu)、材質(zhì)特性,在靜態(tài)或低速轉(zhuǎn)動時,劃片刀無法實(shí)現(xiàn)切割,必須高速旋轉(zhuǎn)獲得高剛度,從而以碾碎去除材料的形式實(shí)現(xiàn)切割(見圖2.17)。在這種切割方

式下，金剛石刀片以3000~40000r/min的高轉(zhuǎn)速切割晶圓劃片槽。同時，承載著晶圓的丁作臺以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點(diǎn)的切線方向呈直線運(yùn)動，切割晶圓產(chǎn)生的硅屑被去離子水沖走。

3、刀口

刀口是經(jīng)磨刀后在刃部形成的，由順刀方向硬質(zhì)顆粒及其與結(jié)合劑尾端間的細(xì)微凹槽或空洞組成（見圖2-18），其根據(jù)刀片配方不同而變化。刀口具有排屑和冷卻的作用，刀口的存在使刀片切割能力得以維持。

表2-3給出了3種劃片刀刀刃材質(zhì)參數(shù)，包括刀刃的磨料粒度號、濃度和結(jié)合劑強(qiáng)度。圖2-19給出了基于鎳基結(jié)合劑的金剛石劃片刀刀刃掃描電鏡(SEM)圖。

4、劃片刀切割機(jī)理

圖 2-20 給出了劃片刀切割機(jī)理示意。

1.撞擊

切割硅等硬脆性材料時，刀片依靠高速旋轉(zhuǎn)使金剛石等硬質(zhì)顆粒高頻撞擊晶圓，在表面形成微裂紋，壓碎后利用刀口將碎屑帶走。

2. 刮除

切割延展性金屬材料時，刀口持續(xù)刮擦物體表面，將表面拉毛，刮除，并將碎屑排除。

硬質(zhì)顆粒的撞擊和刀口的刮擦使材料能夠從物體表面剝離，同時刀口能夠?qū)⑺樾技皶r排除。這兩者協(xié)同作用以保持物體表面材料被持續(xù)剝離，達(dá)到切割的效果。

為了使去除的材料盡可能少，那么使用的劃片刀越薄越好。但是，如果劃片刀太薄，在切削過程中又很容易變形，導(dǎo)致加工質(zhì)量變差甚至損壞工件。一般切割硅晶圓的刀片突出刃長度與硅晶圓厚度關(guān)系如表2-4所示。

5、刀刃與線寬

劃片線寬指的是使用劃片刀切割晶圓所需破壞的線條寬度尺寸，是劃片工藝的特征尺寸，表征著劃片工藝的技術(shù)水準(zhǔn)。影響線寬的主要因素有以下三個∶

1. 刀片厚度。
2. 崩邊尺寸。

3）擴(kuò)展尺寸。

圖2-21給出了劃片刀具與劃片線寬的關(guān)系圖。劃片線寬與主要因素之間的關(guān)系如下：

W=t刀片+2W崩邊+2W擴(kuò)展

式中，W為劃片線寬；t刀片為刀片尺；W崩邊為崩邊尺寸；w擴(kuò)展為毛刺擴(kuò)展區(qū)域尺寸。

6、刀片磨損

基于刀片切割運(yùn)動形式（高速旋轉(zhuǎn)、水平進(jìn)給）及工作環(huán)境（去離子水及添加劑），刀片主要受以下作用影響：

1. 機(jī)械應(yīng)力，法向、切向壓力及切屑的摩擦力。

2）熱應(yīng)力，摩擦導(dǎo)致的溫升熱應(yīng)力。

3）化學(xué)腐蝕，切割水酸堿度（pH值）及化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)。

在一般情況下刀片連續(xù)切割，主要考慮機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的磨損。劃片刀的組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動模式和工作環(huán)境，決定刀片磨損主要為硬質(zhì)顆粒斷裂和結(jié)合劑磨耗兩種模式。

1.斷裂

硬質(zhì)顆粒在長期的撞擊之下，某些顆粒會破裂而磨損，如圖2-22所示。

2. 磨耗

切割時，硬質(zhì)顆粒外包裹的結(jié)合劑也會因磨損而越來越少，當(dāng)結(jié)合劑減少到某種程度，不足以再承受切割物體和切屑的作用力時，硬質(zhì)顆粒會自然脫落（見圖2-23），暴露出新的顆粒，形成新的刀口。

可以說，刀片在磨損的同時也是再生的過程。硬質(zhì)顆粒斷裂可在斷裂面形成一些銳角，使刀片能夠繼續(xù)維持在鋒利的狀態(tài)，硬質(zhì)顆粒會自然脫落，暴露出新的顆粒，形成新的刀口。在刀片和被切物之間，通過參數(shù)維持適當(dāng)?shù)哪p可使刀片保持相對穩(wěn)定的切屑力。

研究表明，刀具在劃片過程中的磨損可以分為兩個階段。第一個是過渡階段，切割距離在0300m，劃片縫寬度、刀具磨損率和表面粗糙度迅速增加。第二個是穩(wěn)定階段，切割距離在3002000m，刀具磨損率緩慢增長，劃片縫寬度和表面粗糙度緩慢降低。這是由于，在過渡階段，金剛石與刀片粘結(jié)較少的砂粒首先脫落，留下空穴，刀具表面粗糙度上升，并導(dǎo)致較大的切屑尺寸。在穩(wěn)定階段，大多數(shù)砂粒均勻地嵌入結(jié)合劑中，因此磨損均勻。因此，葉片的粗糙度趨于穩(wěn)定。這兩個階段的劃片機(jī)制是不同的，在過渡階段，金剛石砂粒的沖擊和摩擦力主導(dǎo)切割在穩(wěn)定階段，晶圓靠金剛石摩擦力切割。圖2-24~圖2-26分別給出了劃片縫寬度、刀具磨損率、刀具表面粗糙度與切割距離的關(guān)系。

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審核編輯 黃宇