单晶硅片倒角时边缘磨削力和磨削温度的研究
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作者: 康洪亮 张伟才 陈建跃 陶术鹤
[摘 要]本文对硅片倒角过程中三个最重要的因素；磨轮转速、硅片转速和圈去除量一一进行了原理分析，并倒角机进行了试验得到了比较合理的组合方案。
[关键词]硅片；倒角；磨轮转速；硅片转速；圈去除量
中图分类号：TG303.04 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0039-02
为了解决单晶硅片边缘的精密磨削问题，磨削力和磨削温度是研究磨削加工中两个最基本的物理因素，磨削力是影响磨削加工质量的主要因素。磨削力起源于砂轮与硅片接触后产生的弹、塑性变形以及磨粒和结合剂与硅片表面之间的摩擦。磨削温度主要是由摩擦和切屑变形能产生的。对于脆性材料而言，由于其切屑的形成机理与金属材料有很大的不同，因此反映在磨削力和磨削温度上也有很大的不同。
1 原理分析
第一阶段为滑擦阶段，内切削刃与硅片表面开始接触，硅片仅发生弹性变形。随着切削刃切过硅片表面，进一步发生变形，法向力会稳定地上升，摩擦力及切向力同时稳定增加。磨粒微刃不起切削作用，只在表面滑擦。
第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转化为热。逐步增加的法向力超过了随温度上升而下降的材料屈服力时，切削刃就被压入塑性基体中，最终导致表面的隆起，这是磨削中的耕犁作用。
第三阶段为切屑形成阶段。在滑擦和耕犁阶段，磨粒并不产生切屑。磨粒在微小时间间隔内，当切刃切入塑性区，最终导致应力的增加，一直达到硅片材料的最大剪切能为止，这样最终导致材料的局部僵化，上升到材料的临界应力，就出现再次的剪切。当切削厚度达到临界值时，被磨粒推挤的材料明显地滑移而形成切屑。
1.1 磨削力分析
磨削力 可分解为相互垂直的三个分力，作用于磨削轮圆周速度方向的切向分力pz，作用于磨削深度方向径向分力py，作用于磨削轮轴线方向的轴向分力px，由于磨粒对硅片的挤压，径向力大于切向力，这是磨削加工的特征之一。一般情况下py是pz的二至三倍（pz=py /2）。在磨削过程中，轴向分力px较小，对于硅片倒角这种特殊的加工过程中，由于没有纵向进给，px为零。
硅片倒角属于精密磨削（精密磨削是使用金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接磨出超光滑表面）。
径向力py可以按下式计算[3]
py=CpyW0.7Bk （1-1）
式中：Cpy为切削力系数；
B为磨削轮宽度（毫米）；
k为磨削轮硬度系数；
W为磨削轮的每一毫米宽度每分钟切下的加工量。
精密磨削是磨削的一种，服从金属磨削的普遍规律。但与常规磨削相比，又存在较大的差别，主要有以下几个方面：
（1）常规磨削中，多为炭化硅砂轮磨削黑色金属，其磨削力、磨削温度、砂轮摩擦、磨损都很大，而精密加工多为金刚石砂轮加工非金属及有色金属。
（2）常规磨削中，切削量比较大，所以剪切力比较大，其它力（如沿纵向进给方向磨削力）与之相比可忽略不计。但在精密加工中，剪切力和摩擦力都很小，这个力就不可忽略。
（3）常规磨削中，磨削速度比较低，可以不考虑切削速度对切削力的影响。但在超精密加工中，其磨削速度很高，因此不得不考虑速度对切削过程的影响。
综上所述，精密加工具有一些特殊的规律。可以从滑移理论和切削动力学入手，建立精密磨削时切削力模型，进而分析切削力的影响因素，建立局部磨削力模型。
关于磨削力的数学模型，G. Werner等建立的磨削力数学模型考虑了砂轮圆周磨削刃分布的随机特性及磨削过程的动态情况，该磨削力数学模型包括了切削变形力及摩擦力等两方面。另外，砂轮磨钝后磨粒顶部磨钝平面逐渐加大，磨削力也逐渐加大，该磨削力数学模型不能直观说明。为此，我们对磨削力数学模型做了进一步分析，直接划分为切削变形力及摩擦力两项。
由磨削实验知，在以磨耗磨损为主要磨损的磨削过程中，未发生烧伤前，磨粒顶部磨损面积率与磨削力呈线性关系。在不变的磨削用量条件下，法向磨削力随着砂轮磨粒顶部磨损面积率增大而线性增大，所以磨损平面与硅片间的接触压强为常数；另外，由于切向磨削力也随磨粒顶部磨损面积增大而线性增大，所以，硅片与磨损平面间的摩擦系数也是常数。
线速度提高，进给量相同，则每颗磨粒的切削厚度减小，从而使每颗磨粒上承受的切削负载减小。这样，每颗磨粒的切削寿命可以相应的提高，同时磨削力降低，因此也提高了磨粒的结合强度。线速度提高后，相应的增加了动力硬度，磨削时不容易产生挤压变形，减小了磨粒的滑动磨削，因此也增加了磨削轮的耐用度，增加了磨削轮的寿命。单晶硅片倒角采用了切入磨削法。利用公式（1-1）
估算单晶硅片倒角时的磨削力
径向力： py=CpyW0.7Bk
切向力： pz=py /2
带入以下参数：
磨削量W：粗磨削时，W=0.1835（mm3/Min・mm）。
磨削轮加工圆弧槽等效宽度（最大值）：B=0.8433mm ；
硬度系数：k=1.0；
切入磨削法系数：Cpy = 0.11；
磨削力是磨削量w的函数，粗磨削时磨削力较大。要提高加工效率，主要是增加粗磨时硅片转速，但会增加磨削力，而过大的磨削力会造成局部表面温度过高，导致磨削时硅片碎裂。
1.2 磨削温度分析
磨削时在滑擦、耕犁和切屑形成的三个阶段所消耗的能量，绝大部分都转化为热能。这是磨削过程中磨削热产生的根源。在一般切削加工中，大部分切削热均被切屑带走，只有少部分传入硅片。磨削时由于砂轮的导热性能差，磨屑的体积微小，容纳热量的能力低，加之冷却液难以进入磨削区，所以大部分磨削热将传入硅片。磨削时不仅线速度很高，而且切除单位体积材料所消耗的能也非常高，会造成磨粒与硅片接触处达到1000。C以上的高温。这种高温作用时间极短，作用的区域很小，仅为磨削区中有效磨粒和硅片接触的一些离散接触点。因此对于硅片表面质量有影响，会促使磨粒与硅片的界面处发生一些物理、化学变化，对于砂轮磨损有重大影响。 对于硅片表面质量有影响的是磨削区的温度及其分布情况。一般所说的“磨削温度”就是指磨削区的温度。磨削时对于硅片表面及距离表面不同深处的温度分布情况是离硅片表面越远处，其温度越低。
磨削时消耗的大量能量在极短的时间变为热能，从而使磨削区的温度以1x105℃/s的数量级的加热速度急剧升温口因此硅片表层的组织将迅速变化，并产生表层残余应力。这种情况还能造成磨削表面的热损伤，使表面出现烧伤和微裂纹。此外，磨削区温度的急剧变化，还可能使硅片产生热变形，从而影响加工精度。
影响磨削温度的因素很多，但主要的有以下几个：
（1）砂轮速度？s
砂轮速度增大，单位时间内的工作磨粒数将增多，单个磨粒的切削厚度变小，挤压和摩擦作用加剧，滑擦热显著增多，此外还会使磨粒在硅片表面的摩擦次数增多。所有这些都将促使磨削温度的升高。
（2）硅片速度？W
硅片速度增大就是热源移动速度增大，硅片表面温度可能降低，但不明显。这是由于硅片速度增大后，增大了切除量，从而增加了发热量。因此，为了更好地降低磨削温度，应该在提高硅片速度的同时，适当降低磨削深度，使单位时间内的切除量保持为常值或略有增加。
（3）圈去除量量fx
圈去除量也叫径向进给量，随着圈去除量的增大，将导致磨削过程中磨削变形力和摩擦力的增大，从而引起发热量的增多和磨削温度的升高。
磨削温度主要是由摩擦和切屑变形能产生的，该能量绝大部分转化为热量，使磨削区的温度升高。当磨削区温度升高，磨削温度对被加工零件的表面表层组织发生变化，出现磨削烧伤，在瞬时高温作用下，表面轻微烧伤时深度约为0.01-0.02mm。更高的瞬时温度，在磨削和冷却过程中，形成热应力，被磨表面产生较大的残余应力，这主要是由于磨削热使组织发生变化引起的，造成不均匀的热膨胀，当局部应力超过材料表面的强度极限时就产生裂纹。对于磨削导热系数较小的材料，上述现象更加严重。另外，高温下，磨粒的硬度大大下降，而且磨粒与被磨削材料之间产生粘结磨损与扩散磨损，这就使磨粒快速钝化，失去应有的切削能力。
在硅片边缘倒角磨削加工中产生的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错，尤其是在硅片制备的高温过程中这种情况更为突出。另外，小裂缝会在生产过程中成为有害玷污物的聚集地并产生颗粒脱落。因此通过硅片倒角，获得平滑的边缘半径，使这些不利影响降到最小是非常重要的。此外破裂的硅片边缘在硅片制备的热处理中会引起边缘位错生长。
研究磨削热的许多文献大都引用Joager于1942年提出的运动热模型，当热流密度为q、长度为l的热源以恒定的速度Vm在无穷大物体表面上运动时，设该物体的热传导系数为k，单位体积热容量为C，则物体表面的平均温度为
θ=0.754ql0.5/k （1-2）
式中：q=RFtVm/bl为热流密度，R为热分配系数，Ft为切向磨削力，Vm为硅片速度，b为磨削宽度，l为磨削长度，？s为磨削轮速度。
因此得到计算磨削的硅片表面平均温度为：
θ=0.754RFt？s/bVw0.5l0.5（kc）0.5 （1-3）
单晶硅片边缘磨削时，磨削接触面为圆弧，磨削深度不均匀，为了简化计算，假设磨削深度一致，估算粗磨削和精磨削时硅片的局部表面温度。采用金刚石砂轮磨削单晶硅，则热分配系数R约为0.175，单晶硅的热传导率为0. 353，热容量为4.78.
2 实验部分
2.1 设备和仪器
W-GM4200倒角机，XY-1510影像测量仪
2.2 原材料
4英寸无参考面N（111）硅切割片，厚度480-520um，槽半径为228.6um的金刚石倒角砂轮。
2.3 实验过程
通过倒角机按不同的倒角吸盘转速，磨轮转速和圈去除量来加工晶片，测试加工质量和效率。
3 实验数据结果与分析
3.1 磨削力和磨削温度随磨轮转速的变化情况（表1）
从表1中可知，随磨轮转速的提高，径向分力py保持不变，而磨削区温度则呈现线性提高的趋势；且随磨轮转速提高，工作台震动增大，端跳提高，导致倒角硅片崩边概率增大。
3.2 磨削力和磨削温度随硅片速度的变化情况：（表2）
从表2中可知，随硅片转速的提高，径向分力py增大，但增加的越来越慢，而磨削区温度也是升高，但升高的速率变小；且随硅片转速提高，工作台和吸盘震动增大，导致倒角硅片崩边概率增大；此外，当转速提高到18mm/s时硅片加工速率保持不变，不再增加，因为此时磨削区时间时间短于机械臂取放片、对中及甩干时间。
3.3 磨削力和磨削温度随硅片圈去除量的变化情况（表3）
线性增大圈去除量后，径向力和磨削温度均明显升高，且增大到0.5mm后极易出现崩边，加大金刚石砂轮的消耗。磨削区的表面局部温度对硅材料而言显得很高，在500～ 1400 。C温度范围内（单晶硅的熔化温度1412。C），硅材料的抗拉强度会显著下降，表面局部温度将影响单晶硅的组织结构，并且在磨削中会造成单晶硅片破裂。
4 总结
对于磨削加工单晶硅，除了选择合理的磨削深度和磨削速度以外，对于磨削产生的热量，通常要使用冷却液带走磨削热量，以降低局部表面温度，避免表面烧伤和磨削时硅片碎裂，保证磨削质量。流量太小，增加了摩擦力，使温度分布不均匀，降低了磨削表面的平整度。大流量不仅使反应生成物迅速脱离硅片表面，更重要的是降低了由于摩擦产生的热量引起硅片表面局部过高的温度，使硅片表面温度一致性好。
由于线速度很高，在磨削轮周围表面产生强大的气流，使磨削液不易进入磨削区域，为了使磨削也能顺利进入磨削区域，以改善磨削区散热条件，可以作特殊的磨削液喷嘴。另外，喷嘴的布置很重要，通常，有一个主磨削冷却喷嘴，还设置一个副冷却喷嘴，前者主要是冷却磨削硅片，后者主要是清洗磨削轮。
此外，由于我室主要是加工2-6英寸的硅片为主，主要是2、3、4英寸硅片，以四英寸硅片为例，硅片速度为15mm/s，倒一周只需20s，而机械臂从把硅片释放在倒角吸盘上到回来移载的时间是25s， 此时上是硅片在等机械臂取放晶片 、晶片对中、硅片甩干等。若想进一步提高效率，还需改进整个倒角系统的各步骤的时间， 特别是研究如何缩短硅片甩干时间。
通过对磨削力和磨削温度的分析，可以得出磨削深度和速度是影响磨削力和温度的参数。为了提高磨削效率的同时保证磨削质量，确定系统的磨削参数：粗磨削时线速度达到18mm/s，磨削深度为0.3mm，磨轮转速为6000rpm。宽度上的磨削流量1升/分钟，硅片倒角磨削宽度等效的最大值约为0.8433mm），带走磨削热量，以降低局部表面温度，避免表面烧伤和磨削时硅片碎裂。
在完成本文中，得到了倒角组组长张伟才，副组长陈建跃等各位领导和同事的大力支持和帮助，在此致以由衷的感谢！
参考文献
[1]康自卫，王丽 《硅片加工技术》化学工业出版社2010
作者简介
康洪亮（1987年4月-）汉族 助理工程师 籍贯河北深州市 毕业于河北工业大学材料学院 现就职于中国电子科技集团公司第46研究所半导体事业部 主要研究硅、锗、磷化铟等半导体材料加工。
张伟才 （1985年-）汉族 工程师 就职于中国电子科技集团公司第46研究所半导体事业部 主要研究硅、锗、磷化铟等半导体材料加工。
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