黃蕊慰

（惠州市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東 惠州516001）

內(nèi)圓鋸切具有切片精度高，成本低，晶向便于調(diào)整和適合小批量多規(guī)格晶體加工的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶棒的切片加工工序中。內(nèi)圓鋸切使用的鋸片是一種基體極薄的金剛石刀具，在內(nèi)圓刃口處電鍍有一層厚度約為0.20~0.32 mm，寬度約為2.5 mm的鎳基金剛石復(fù)合鍍層，是鋸切過程中實(shí)際進(jìn)行加工的部位。由于基體極薄，加工前必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)初始張緊，以增強(qiáng)鋸片的剛性和保證內(nèi)圓刀刃的圓度，確保加工過程的穩(wěn)定可靠。液壓張緊和機(jī)械張緊是兩種主要的鋸片初始張緊方式[1~2]，而且機(jī)械張緊較液壓張緊具有張緊可靠，張力大和剛性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此目前應(yīng)用較多。在實(shí)際生產(chǎn)中，衡量鋸片初始張緊狀態(tài)合格與否的主要指標(biāo)是內(nèi)圓刀刃擴(kuò)張量。在鋸切加工過程中，鋸片的磨損主要表現(xiàn)為刀刃的磨損，刀刃的磨損狀態(tài)是影響鋸切加工穩(wěn)定性和工件加工品質(zhì)的一個(gè)重要因素。

本文通過實(shí)驗(yàn)加工和掃描電鏡（SEM）觀測，對(duì)正常初始張緊狀態(tài)和非正常初始張緊狀態(tài)下的鋸片刀刃磨損微觀形貌進(jìn)行觀察，分析研究不同初始張緊狀態(tài)下鋸片刀刃的磨損狀況，以對(duì)鋸片磨損機(jī)理建立較清楚的認(rèn)識(shí)，為改善鋸片磨損狀況，提高加工質(zhì)量，延長鋸片使用壽命奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

本文的鋸切加工實(shí)驗(yàn)在臥式切片機(jī)STC-16上開展，將鋸片安裝在切片機(jī)主軸上，并采用機(jī)械張緊的方式對(duì)鋸片進(jìn)行初始張緊，使鋸片具備一定的初始應(yīng)力，以增強(qiáng)徑向剛性和保持內(nèi)圓刀刃的圓度。鋸片結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用以下鋸切條件進(jìn)行加工：鋸片內(nèi)徑153 mm、外徑422 mm，鋸片基體厚度0.12 mm，鋸片刀刃金剛石鍍層厚度0.29 mm、寬度2.5 mm，金剛石粒度60~80μm，硅晶棒直徑52 mm，主軸轉(zhuǎn)速1 800 rpm，徑向進(jìn)給速度50 mm/min，在加工過程中，刀刃區(qū)域采用的冷卻方式是自來水冷卻。

圖1 內(nèi)圓鋸片

2 正常初始張緊狀態(tài)下內(nèi)圓鋸片刀刃的磨損

對(duì)內(nèi)圓鋸片進(jìn)行機(jī)械張緊，張緊后將內(nèi)圓刀刃的圓度誤差控制在0.005 mm[3]以內(nèi)，以達(dá)到正常鋸切加工所需的初始張緊狀態(tài)。對(duì)硅晶棒進(jìn)行切片加工，選取三片加工過的內(nèi)圓鋸片，采用掃描電鏡（SEM）對(duì)刀刃進(jìn)行微觀形貌觀察。三片鋸片分別為鋸切了10片硅晶片后的鋸片、鋸切了600片硅晶片后的鋸片以及鋸切了2 670片硅晶片并開始失效的鋸片。

2.1 刀刃磨損表面特征

對(duì)刀刃的側(cè)表面和頂表面進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖2所示，刀刃的磨損具有以下的表面特征：一是在刀刃的側(cè)表面上，可以觀察到一些剝落的金屬結(jié)合劑碎屑或硅晶片碎屑，金屬結(jié)合劑上和金剛石磨粒周邊區(qū)域上分布著很多龜裂裂紋，磨損形貌以金屬結(jié)合劑龜裂和部分金剛石顆粒脫落為主。切屑容易在這樣的側(cè)表面殘留并形成堵塞，不利于加工散熱和金屬結(jié)合劑的適當(dāng)剝落以保持金剛石的出刃高度，也會(huì)造成鋸片軸向力的不平衡形成軸向偏擺。二是在刀刃的頂表面上，可以觀察到完整的金剛石磨粒、金剛石磨粒的微破碎、金剛石磨粒的大破碎、金剛石磨粒的脫落凹坑、金屬結(jié)合劑的磨耗磨損和金屬結(jié)合劑上分布的龜裂裂紋等形貌，磨損形貌較側(cè)表面的磨損形貌類型多，表明受力狀況復(fù)雜，是加工受力的主要部位。

圖2 刀刃磨損表面微觀形貌

2.2 刀刃磨損類型

通過對(duì)三片內(nèi)圓鋸片刀刃磨損微觀形貌的大量觀察，在內(nèi)圓鋸片整個(gè)正常工作壽命周期內(nèi)，刀刃的磨損類型主要是金剛石磨粒微破碎、金剛石磨粒大破碎、金剛石磨粒磨鈍、金剛石磨粒脫落、金屬結(jié)合劑龜裂和金屬結(jié)合劑磨耗磨損，如圖3所示。

圖3 正常初始張緊狀態(tài)下刀刃磨損微觀形貌類型

依據(jù)刀刃磨損微觀形貌的不同，可將內(nèi)圓鋸片的加工過程分為三個(gè)階段，分別是初始加工階段、中間加工階段和末尾加工階段。在初始和末尾加工階段，刀刃的磨損形式主要是金剛石磨粒脫落、金屬結(jié)合劑龜裂剝落和金剛石磨粒大破碎。其中，在初始加工階段，刀刃表面金剛石出刃高度不均勻一致，加工時(shí)鋸切力急劇變化，部分內(nèi)部有缺陷的金剛石磨粒在出刃高度過大時(shí)，受力作用下容易出現(xiàn)較大的局部破碎，金屬結(jié)合劑也會(huì)因鋸切力的變化沖擊產(chǎn)生龜裂裂紋，造成結(jié)合劑剝落和金剛石磨粒脫落，但隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行，金剛石出刃高度逐漸趨于均勻一致，鋸切力平穩(wěn)，鋸片隨即進(jìn)入正常加工階段。在末尾加工階段，刀刃經(jīng)過復(fù)雜受力過程后，金屬結(jié)合劑會(huì)因?yàn)楣ぜ哪Σ磷饔靡约扒行己徒饎偸樾嫉臎_刷研磨作用而出現(xiàn)機(jī)械磨損，當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)金剛石磨粒的有效包裹能力將大幅降低，致使金剛石磨粒未經(jīng)歷微破碎、大破碎和磨鈍的過程，在沒有起到加工作用的情況下就過早脫落。在中間加工階段，刀刃上分布著以上各種類型的磨損形式，各種類型的磨損交替出現(xiàn)，確保了適當(dāng)?shù)慕饘俳Y(jié)合劑剝落和金剛石磨粒破碎、脫落與出刃。適當(dāng)程度的金剛石磨粒微破碎和脫落有助于鋸片的自銳，降低鋸切力。

3 非正常初始張緊狀態(tài)下內(nèi)圓鋸片刀刃的磨損

為了研究非正常初始張緊狀態(tài)下刀刃的磨損情況，對(duì)內(nèi)圓鋸片進(jìn)行機(jī)械張緊時(shí)，將張緊后內(nèi)圓刀刃的圓度誤差控制在0.01 mm左右，偏離正常鋸切加工所需的初始張緊狀態(tài)。對(duì)硅晶棒進(jìn)行切片加工，加工過程中鋸片劇烈振動(dòng)，在加工到第五片硅晶片時(shí)，硅晶片出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象，此時(shí)即刻停止了切片加工，并采用掃描電鏡（SEM）對(duì)該鋸片的刀刃進(jìn)行了微觀形貌觀察。

由刀刃的微觀形貌圖可見（如圖4所示），大量未出刃的金剛石磨粒仍被龜裂的金屬結(jié)合劑包裹著，同時(shí)金屬結(jié)合劑層上分布著很多金剛石磨粒脫落后留下的凹坑。此時(shí)刀刃的磨損形式主要是金屬結(jié)合劑的龜裂和金剛石磨粒的脫落。非正常初始張緊狀態(tài)下，由于內(nèi)圓刀刃的圓度誤差較大，引起刀刃所受載荷大幅波動(dòng)，造成切片加工過程中鋸片的強(qiáng)烈振動(dòng)，這種振動(dòng)沖擊引發(fā)金屬結(jié)合劑龜裂裂紋的不斷產(chǎn)生并向外擴(kuò)展，無法有效包裹金剛石磨粒，使大量金剛石磨粒在未完全經(jīng)歷切削過程的情況下就過早脫落，致使刀刃迅速磨損，無法進(jìn)行正常的切片加工?？梢?，內(nèi)圓鋸片的初始張緊質(zhì)量對(duì)鋸片刀刃的磨損有著顯著的影響。

圖4 非正常初始張緊狀態(tài)下刀刃磨損微觀形貌

4 結(jié)束語

通過上述分析，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）內(nèi)圓鋸片鋸切加工硅晶棒后刀刃的磨損形式主要有以下幾種類型：金剛石磨粒微破碎、金剛石磨粒大破碎 金剛石磨粒磨鈍 金剛石磨粒脫落 金屬結(jié)合劑龜裂和金屬結(jié)合劑磨耗磨損。

（2）在正常初始張緊狀態(tài)下，依據(jù)內(nèi)圓鋸片刀刃磨損微觀形貌的不同，可將內(nèi)圓鋸片的加工過程分為三階段。初始和末尾加工階段的刀刃磨損形式主要是金剛石磨粒脫落、金屬結(jié)合劑龜裂剝落和金剛石磨粒大破碎。中間加工階段，刀刃磨損形式類型較多，各種類型的磨損交替出現(xiàn)，確保了適當(dāng)?shù)慕饘俳Y(jié)合劑剝落和金剛石磨粒破碎、脫落與出刃。

（3）在非正常初始張緊狀態(tài)下，刀刃所受載荷波動(dòng)幅度大，鋸片振動(dòng)劇烈，大量金剛石磨粒在未完全經(jīng)歷切削過程的情況下就過早脫落，刀刃磨損迅速，切片加工無法正常進(jìn)行。

（4）載荷變化帶來的振動(dòng)沖擊對(duì)刀刃磨損具有顯著影響。通過提高初始張緊品質(zhì)，可減少刀刃圓度誤差引起的振動(dòng)沖擊；通過適當(dāng)?shù)男薜?，可減弱刀刃表面金剛石出刃高度不均勻一致造成的振動(dòng)沖擊。

[1]種寶春.內(nèi)圓切片機(jī)的張刀對(duì)切片的影響[J].集成電路應(yīng)用，2002(9)：60-62.

[2]蔡鑫泉.硅片的磨割加工[J].電子工藝專業(yè)設(shè)備，1992，21（8）：29-34.