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张迪 崔庆安 祝小威 闫贺亮

（郑州大学 超硬材料磨具国家重点实验室郑州磨料磨具磨削研究所有限公司）

 

摘要 

 

利用试验设计方法（ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ＤＯＥ），以不同配方的划片刀划切砷化镓晶圆，并检测其正、背、侧面的崩裂尺寸，找出划片刀配方对砷化镓晶圆切割崩裂尺寸的影响规律。研究表明：划片刀的磨料粒度与砷化镓晶圆切割质量密切相关，即磨料粒度越细，正、背、侧面崩裂尺寸越小；而磨料浓度和结合剂强度与砷化镓晶圆正、背、侧面的切割质量相关性并不显著。可通过缩小磨粒尺寸的方式提高划切质量，并视情况调整磨料浓度和结合剂强度。

 

砷化镓（ＧａＡｓ）属Ⅲ～Ⅴ族化合物半导体材料，因其具有较高的饱和电子速率和电子迁移率，在激光、发光和微波等应用领域显示出优异的性能。但是砷化镓晶圆的脆性高，材料的弹性极限和屈服强度接近，与硅材料晶圆相比，在切割过程中更容易产生芯片崩裂现象，使芯片的晶体内部产生应力损伤，导致产品失效和使用性能降低。

 

国内外学者对硅晶圆切割进行了深入的研究。闫伟文等介绍了划片机的划切原理，并对划切中影响划切质量的关键因素进行了系统分析研究。刘定斌等指出用磨料粒度小的刀片切割硅晶圆后，其正面崩裂尺寸小，背面崩裂尺寸大；软结合剂强度刀片切割硅晶圆，对正面崩裂尺寸无影响，背面崩裂尺寸小；高磨料浓度刀片切割硅晶圆，对正面崩裂尺寸无影响，背面崩裂尺寸大。庞零指出可通过对划片刀进行合适的选型来改善硅晶圆切割过程中引起的背面崩裂问题。ＴＡＮＧＡＨＡ等指出硅晶圆的侧面崩裂原因是背面崩裂后裂纹一直向正面延伸。

 

上述研究均是以硅晶圆划切为对象，而针对砷化镓划切的相关研究较少。郎小虎等介绍了分别用磨料尺寸为３μｍ和４．５μｍ的划片刀划切砷化镓晶圆，发现用磨料尺寸为３μｍ的划片刀可以得到更光滑的正面边缘，但是没有对砷化镓晶圆背面和侧面的切割质量进行研究。

 

本试验通过试验设计方法（ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ＤＯＥ），制备不同配方的划片刀用于划切砷化镓晶圆，并检测砷化镓正、背、侧面崩裂的尺寸，找出划片刀配方对砷化镓晶圆切割崩裂尺寸的影响规律。

 

１ 试验条件与方法

 

１．１ 试验设备与原理

 

试验使用的划片机型号为ＤＩＳＣＯ ＤＡＤ３２３，最高主轴转速６０ ０００ｒ／ｍｉｎ，安装有１５．２４ｃｍ（６英寸）微孔陶瓷吸盘工作台。划片刀以３０ ０００～４０ ０００ｒ／ｍｉｎ的高转速切割砷化镓晶圆，承载有晶圆的工作台以一定的速度沿刀片最下沿的切线方向直线运动（图１）。

 

１．２ 试验条件

 

试验用划片刀为轮毂型电镀超薄金刚石划片刀，其厚度为１５～２０μｍ，刃长为３８０～５１０μｍ。被切工件材料为砷化镓晶圆，其相关参数如表１所示。试验用厚度０．０７ｍｍ的日东白膜作为基材，将砷化镓晶圆贴在绷有卡环的白膜上（如图２），放入恒温８０℃烘箱中烘膜２０ｍｉｎ，取出自然冷却至室温，再放入划片机中进行划切，其工艺参数如表２。

 

１．３ 检查方法

 

试验设定每种配方的划片刀划切１片砷化镓晶圆。划切完毕后在晶圆圆周方向上等分８个区域，每个区域随机拾取３颗芯片（如图３）。

 

使用带有拍照和尺寸测量功能的工业显微镜，将抽样的芯片放到显微镜载物台上，物镜调至２００倍放大倍率，进行焦点调节至可以清楚成像为止。对被切产品的正面切割状态、背面切割状态和侧面切割状态进行拍照。使用显微镜测量软件对上述照片中正、背、侧面崩裂尺寸（如图４所示）进行测量，并记录。

 

１．４ 试验方案

 

划片刀结构主要由铝轮毂、金刚石磨料与镍基结合剂三部分组成，如图５所示。金刚石磨料和镍基结合剂组成的复合镀层为切割过程中的工作区域，即刀刃。一般来说，刀刃的磨料粒度、磨料浓度与结合剂强度都会影响划片刀的划切质量，以此３种影响因素作为因子进行试验设计，选取３因子３水平试验设计组合方式，如表３所示。

 

对试验所选取的金刚石磨料形貌及尺寸进行对比，其电子扫描显微镜下的照片如图６所示。

 

２ 试验结果及分析

 

根据上述试验设计可得出２７种划片刀配方，制作每种配方对应的划片刀样品，各划切１片砷化镓晶圆（划切距离约１５０ｍ）后，按事先设定的抽样方法进行抽样，并使用工业显微镜对样品的正、背、侧面崩裂尺寸进行测量、记录。结合每种划片刀配方对应的划切质量试验数据，通过ＭＩＮＩＴＡＢ数据统计软件分析，找出砷化镓晶圆正、背、侧面崩裂的显著影响因素及影响规律。

 

２．１ 划片刀配方对砷化镓晶圆划切正面崩裂的影响

 

使用ＭＩＮＩＴＡＢ数据统计软件对划切试验正面崩裂数据进行方差分析，结果如表４。其中，Ｓｅｑ（ＳＳ）表示顺序因子的离散差平方和，Ａｄｊ（ＳＳ）表示调整后的离散差平方和，Ａｄｊ（ＭＳ）表示调整后的均方差，Ｆ为检验统计值，Ｐ为显著性水平。

 

Ｓ－Ｔｏｐ＝２．３８８ ２４

ＲＳｑ－Ｔｏｐ＝８２．４５％

ＲＳｑ（调整）－Ｔｏｐ＝７７．１９％

 

其中Ｓ表示回归模型误差的标准方差；ＲＳｑ回归模型误差占总误差的百分比，ＲＳｑ（调整）为调整后的ＲＳｑ。

 

由表４可知，磨料粒度的Ｐ值＜０．０５，表明磨料粒度是正面崩裂尺寸的显著影响因素；磨料浓度和结合剂强度的Ｐ值均＞０．０５，表明磨料浓度和结合剂强度不是正面崩裂尺寸的显著影响因素。从图７所示的帕累托图也可看出，正面崩裂的主要影响因素是磨料粒度。

 

图８所示为磨料粒度对正面崩裂尺寸的影响规律。由图８可知：划片刀磨料粒度越细，砷化镓晶圆划切的正面崩裂尺寸越小。砷化镓属于硬脆材料，金刚石磨料划切硬脆材料类似于敲击作用，每一颗磨料都相当于一个小锤，当磨料敲击到砷化镓材料后，被敲击的材料会形成粉末（如图９所示）。当金刚石磨料粒度越细时，磨料露刃高度越小，敲击产生的砷化镓粉末尺寸也越小，所以表现出砷化镓正面崩裂尺寸越小。

 

国内外学者对硅晶圆划切研究得出，较细的磨料粒度，切割硅晶圆后正面崩裂尺寸较小。因此，划片刀配方对砷化镓晶圆和硅晶圆划切正面崩裂尺寸的影响规律基本一致。

 

２．２ 划片刀配方对砷化镓晶圆划切背面崩裂的影响

 

使用ＭＩＮＩＴＡＢ数据统计软件对划切试验背面崩裂数据进行方差分析，结果如表５所示。

 

Ｓ－Ｂａｃｋ＝８．４３０ １０

ＲＳｑ－Ｂａｃｋ＝７８．７１％

ＲＳｑ（调整）－Ｂａｃｋ＝７２．３３％

 

由表５可知，磨料粒度的Ｐ值＜０．０５，表明磨料粒度是背面崩裂尺寸的显著影响因素；磨料浓度和结合剂强度的Ｐ值均＞０．０５，表明磨料浓度和结合剂强度不是背面崩裂尺寸的显著影响因素。从图１０所示的帕累托图也可看出，背面崩裂的主要影响因素是磨料粒度。

 

图１１所示为磨料粒度对背面崩裂尺寸的影响规律。由图１１可知：划片刀磨料粒度越细，砷化镓晶圆划切的背面崩裂尺寸越小。磨料粒度越细，磨料露刃高度越小，其对被切材料底部的冲击力越小，刀片向晶圆底部方向的挤压越小（如图１２所示），砷化镓晶圆背面崩裂的尺寸也越小。

 

国内外学者对硅晶圆划切研究得出，较细的磨料粒度、较硬的结合剂强度或较高的磨料浓度，会导致切割硅晶圆后背面崩裂尺寸较大。划片刀配方对砷化镓晶圆和硅晶圆划切背面崩裂尺寸的影响规律不同。

 

２．３ 划片刀配方对砷化镓晶圆划切侧面崩裂的影响

 

使用ＭＩＮＩＴＡＢ数据统计软件对划切试验侧面崩裂数据进行方差分析，结果如表６所示。

 

Ｓ－Ｓｉｄｅ＝３．０２６ ４３

ＲＳｑ－Ｓｉｄｅ＝８６．８６％

ＲＳｑ（调整）－Ｓｉｄｅ＝８２．９１％

 

由表６可知，磨料粒度的Ｐ值＜０．０５，表明磨料粒度是侧面崩裂尺寸的显著影响因素；磨料浓度和结合剂强度的Ｐ值均＞０．０５，表明磨料浓度和结合剂强度不是侧面崩裂尺寸的显著影响因素。图１３所示为侧面崩裂主要影响因素帕累托图。从图１３也可看出：侧面崩裂的主要影响因素是磨料粒度。

 

图１４所示为磨料粒度对侧面崩裂尺寸的影响规律。由图１４可知：划片刀磨料粒度越细，砷化镓晶圆划切的侧面崩裂尺寸越小。磨料粒度越细，磨料露刃高度越小，其对被切材料侧面的切削力越小，刀片向晶圆侧面方向的挤压越小，砷化镓晶圆侧面崩裂的尺寸也越小。

 

国内外学者对硅晶圆划切研究得出，较细的磨料粒度、较硬的结合剂强度或较高的磨料浓度，均会导致切割硅晶圆后侧面崩裂尺寸较大。划片刀配方对砷化镓晶圆和硅晶圆划切侧面崩裂尺寸的影响规律不同。

 

３ 结论

 

（１）划片刀磨料粒度越细，切割砷化镓晶圆正、背、侧面的崩裂尺寸越小，即切割质量越好。

 

（２）同种磨料粒度状态下，磨料浓度和结合剂强度不是砷化镓晶圆正、背、侧面切割崩裂的显著影响因素。

 

（３）划片刀配方（磨料粒度、磨料浓度和结合剂强度）对砷化镓晶圆和硅晶圆划切正面崩裂尺寸的影响规律一致，对砷化镓晶圆和硅晶圆划切背面、侧面崩裂尺寸的影响规律不同。