博九彩票

公司主营产品:人造金刚石,高纯石墨,Ib型单晶-工具类
咨询电话:15946797888/0467-6240777
新闻资讯 / NEWS
新闻动态/ NEWS
联系我们 / CONTACT US
黑龙江浩市新能源材料有限公司
联系人:赵建民
手机:15946797888
电话:0467-6240666 / 6240777
传真:0467-6240201
邮箱:jxhsxny@163.com
地址:黑龙江省鸡西市恒山区中兴社区永胜委
当前位置:网站首页 > 新闻资讯 > 公司新闻 公司新闻

浩市新能源为您解读半导体晶片的金刚石工具切割技术

来源:www.hsxny.cn  发布时间:2016-08-25 16:34:03  浏览量:

      随着电子工业的飞速发展,晶片的应用范围越来越大,晶片加工越来越重视。半导体材料的消耗反映出一个国家IC制造业的规模和工艺水平。硅材料生产以及硅圆片生产水平代表了一个国家IC工业材料的基础实力。与发达国家相比,我国在晶片加工上还远远落后,晶片大多采用进口的。对晶片的研究主要集中在磨削工序上,对晶片切割技术方面研究很少。
      晶片切割常用的方法有:外圆切割、内圆切割和线切割。外圆切割时,刀片因为太薄且径向承受晶体的压力,容易产生变形和侧向摆动,使晶体材料损耗大,晶面不平整。因此,外圆切割主要用于对晶向偏转大的长晶体进行定向切割和大尺寸材料整形切割。内圆切割和线切割是晶片切割的两种主要方法。本文介绍这两种晶片切割设备、刀具,分析切割系统存在的主要问题,在此基础上介绍了一些改进方法。
      1晶片切割方法及其加工设备
      晶片加工的工序通常为:长单晶→滚外圆→切割→倒角→研磨→抛光→激光检测→取向附生等。
      1.1晶片内圆切割及内圆切片机
      目前,中、小尺寸晶片切割主要采用内圆切割方法,这种方法是在刀片内径电镀金刚石磨料作为切削刃,如图l所示。内圆切割时,切割刀片由主轴带动高速旋转,同时相对工件径向进给。内圆切割技术优点在于:(1)切片精度高,直径为300mm晶片的厚度差仅为0.01mm;(2)切片成本低,同规格级的内圆切片机价格是线切割机价格的1/3-1/4;(3)每片都可以进行晶向调整和切片厚度调整;(4)小批量多规格加工时,具有灵活的可调性。其缺点是:(1)晶片表面损伤层较大;(2)刀口宽,材料损失大;(3)生产率低,每次只切割一片。

640.jpg

内圆切割机床按照主轴的方向可以分为立式和卧式两种结构。晶体典型的特征是各向异性,切割方向对晶片的性质有着很大影响,因此加工机床带有晶向调节机构。晶向调节机构有二维与四维之分,二维调节机构适于加工无晶向脆硬材料;四维调节机构可以使工作台垂直转动(范围±200°),水平转动(±10°),实现晶体的精密定向切割。
      我国生产内圆切片机的厂家不多,电子部45所研制开发了切割从ɸ50到ɸ200mm的系列机床,其中QP—108型卧式内圆切片机是该所自行研制的国内首台大直径切片机,自动化程度较高。
     1.2晶片的线切割及其机床
     随着半导体工业的飞速发展,晶片直径趋向于增大,目前已经生产出直径400mm的晶棒。对于大直径(ɸ≥200mm)和小厚度(厚度≤0.3mm,)的晶片加工,内圆切割从产量和能力上远远不能满足生产要求,线切割已经成为主流技术(其切割原理如图2所示)。线切割每小时切割300一2000平方英寸(大约为内圆切割的3-5倍),锯痕损失仅为0.2-0.3mm(大约为内圆切割的60%),损伤层厚度为10-15μm。当切割晶片直径为300mm时,内圆刀片外径达到1.18m,内径为410mm,这么大的薄壁刀片在制造和装夹上都有很大难度,而且在加工中振动等现象也会增大。线切割却不受这些因素影响。但是由于发展历史短,技术还有待于进一步成熟,主要表现为:(1)片厚不均匀,误差较大;(2)切割过程中智能检测控制难以实现;(3)风险大。一旦断丝,整根晶棒报废;(4)成本高,金属线为一次性使用,切削液只有少部分进入切痕起作用等。

线切割原理图.jpg

线切割机床主要有三线轴和四线轴两种形式。与三线轴相比,四线轴设备可以增大工作台面积,增大切割能力。国外生产线切割设备的厂家主要有日本TAKATORI公司、NTC公司和瑞士HCT等公司。我国只有少数几个公司引进了线切割设备,而线切割设备的生产上还属于空白。
       2内圆切割刀片与切割线及其安装
晶片切割质量、精度、切割效率及成品率等与切割刀片、切割线的性能、安装方法和张紧方法有着密切关系。
      2.1内圆切割刀片的结构
      内圆切割刀片是一个圆环,由刀片基体和内圆磨料工作部分组成。刀片基体通常为不锈钢,目前最佳的基体材料是强度大于137.2931 MPa的不锈钢,厚度通常为0.1-1.15mm。随着加工晶体直径的增大,基体厚度也增加。日本旭日金刚石工业公司开发的切割ɸ300mm晶片的刀片,外径达1.18mm。由于采用抗拉强度高的不锈钢,不但满足了切割要求,而且使刀片厚度(0.36~0.38mm)与切割ɸ200mm晶片的厚度(0.34-0.38)相近。刀片在靠近外圆处,有用来与主轴连接的螺栓孔,内圆用复合电镀的方法镀一层金刚石粉,形成一定厚度的金刚石刃口。镀层时,镀液中杂质含量对刀片的工作寿命有着显著影响。镀液中Fe3+、Cu2+、Zn2+、Cr2+、和NO3-等离子的浓度增加,复合镀层的结合力急剧下降,刀片寿命急剧下降,甚至使切出的晶片成为废品。
       2.2内圆切割刀片的安装
      刀片安装是内圆切割中一个关键工序,其安装质量直接影响刀具寿命、加工质量和材料的损失。目前内圆切割刀片安装方法主要有两种:液压法和机械法,如图3、4所示。液压法是向上刀环的刀槽内与压力环上面形成的腔体内注入黄油,使其产生足够的压强而夹紧刀片。这种方法的优点是,腔体内各点的压强相等,因此刀片张力均匀。缺点是压强不足够大,而且随着加工的进行,液压油容易泄露导致压力下降,使刀片失去了刚性不能继续切割。目前这种方法使用很少。机械张刀是用螺栓将刀片的外圆与机床主轴连接,调节压力环中的压力螺钉夹紧刀片。刀片扩张量为内径的0.5%-0.8%为最好。这种方法优点是夹紧力大,能够修正刀片的椭圆变形,并且使刀片有较好的张紧力,提高了刀片的刚度和切割性能,因而被广泛使用。缺点是不能保证刀片的张力均匀,因此刀片只有局部的点进行切割,切割过程中容易产生振动。安装内圆切割刀片不但费工时,而且对操作者的技能要求很高。

液压张刀.jpg

机械张刀.jpg


       2.3切割线和切割液
      线切割过程是自由研磨加工(Free Abrasive Machining)的过程,线切割使用直径为(0.15-0.3)mm的不锈钢线,线上镀金刚石微粉。线轴上按照所需要晶片厚度加工出线槽,几百米切割线缠绕在线轴上。切割时,在电机的带动下,切割线在输入线轴和输出线轴间高速运动,晶棒径向进给,在切割液辅助作用下完成晶片切割。切割液中加入SiC或金刚石微粒,同时起到切削作用和冷却作用。线切割过程中,存在着三种物质之间的摩擦,即不断运动的切割线和晶体之间,切割液和晶体之间都存在摩擦。因此,晶体加工过程是切割线和切削液共同作用的结果。线切割技术中,最为关键的就是减少切痕损失和提高线切表面质量,这两个因素主要取决于切割线的横向振动。切割线横向振动与切割线缠绕的松紧有关,而与切割线运动速度关系不大。在不影响加工质量前提下,提高线轴转速,可以提高生产率。此外,提高切割线的硬度、提高切削液利用率,是线切割晶片所要解决的关键技术问题。
      3内圆切割和线切割的加工质量
      内圆切割过程是刀片内圆上的金刚石微粒磨削晶体的过程。线切割是研磨过程,切削液是研磨剂,在金属线的压力下切割晶体。浙江大学樊瑞新等人对内圆切割硅片和线切割硅片表面质量进行了对比。试验均选用直径为4英寸的硅片。内圆切割硅片是在美国STC22英寸切割机上加工的,厚度为602μm。、线切割硅片是由德国科尔公司提供,厚度为383μm。测得线切割表面粗糙度为内圆切割硅片表面粗糙度的2倍。用x射线双晶衍射测量,发现线切割硅片表面的微裂纹和严重畸变、损伤层厚度明显小于内圆切割,主要是因为线切割的金属线柔性大,减小了切割剐的残余应力。
      4内圆切割系统的改进
      4.1 内圆切割刀片安装方法的改进。
       美国的G.s.Kachajian等人对内圆切割刀片装夹方法进行了改进,下刀环设有凹坑,上刀环与刀片之间留有空隙,方便刀片变形。压力环放在上刀环里面与刀片接触。压力环前端有圆形凸台,后端有内螺纹孔,如图5所示,(a)图为刀具的安装示意图,(b)图为局部放大图。旋转相应部位的压力螺钉,使甩力环沿轴向移动,压力环的凸台挤压刀片,使刀片产生微最的向下弯曲而张紧刀片。这样可以快速安装刀片,压力螺钉数目趟多,刀片安装精度越高。这种安装方法的优点:


(1)依靠压力环来调节刀片的张紧度,刀片有一定的伸缩空问。压力螺钉的存在也使压力环相列于刀片的压力减少,减轻了刀片的安装难度。
(2)在切割过程中,压力环沿着径向移动,不会产生角度的偏转,因此保证了较高的切割精度。
(3)压力环处于一个密闭环境里,由挡圈把滑块与外界隔离,避免了外界杂质的侵入而影响刀片的装央精度。
(4)所有螺栓都是沉头的,在主轴高速旋转时(3000r/min)螺栓不会在离心力的作用下飞出,从而提高了工作的安全性。这种装夹方法不但得到较高的装夹精度,而且能使刀片在很长的加工时间内保持位置精度。
       4.2监测方法的改进
      传统刀片安装时,监测刀片的张紧力是,使用显微镜或者带有指针的端面圆跳动表,检测刀片的径向圆跳动量。装夹过程费时而且工人的劳动强度很大,要求有很高的技巧,在技术上也存在着缺点。日本的Kenji.Oba教授对刀片装夹时张紧力的监测进行了改进。刀片的状态通过目镜、中继镜、刻度盘,最后用电荷耦合照相机拍摄,并且在屏幕上显示。通过所湿示的数字来凋节相应部位的压力螺钉。通过精密设计使压力螺钉旋转一周,刀片变形为50μm-100μm。当切削刃状态调整到系统所预先设定的范围内,则认为刀片已经安装好。这种方法不但提高了刀片的装夹精度,而且不依赖工人的工作经验,大大减轻了工人的劳动强度。
       4.3改变进给量来减少晶片弯曲
       随着所加工芯片直径的增大,刀片的直径也会增加,刀片装夹精度降低。刀片切割一段时间后会产生磨损,增加了刀片的振动,这些因素都引起晶片发牛弯曲。Kohei Toyama等通过改变刀片的进给量来提高平面度;当径向进给量大列,切削力增大,刀片弯曲增大。在进给系统上安装控制器,预先设定晶体沿B方向进给量周期的增大和减小,大大减小了晶片的弯曲度,但是这种方法会使晶片表面出现不规则纹路。通过设计调整进给周期町减小这种不规则的纹路,磨削后可以使晶片达到很好的平面度。用这种方法加工6寸晶片的平均弯曲度为6μm,是匀速进给切割时弯曲度的一半。Kohei Toyama等进一步采用三个垂直方向的传感器(图6)测量三个不同方向切削力的变化,并根据切削力的变化,改变刀片的进给量,不但可减小晶片弯曲度,同时增大了主轴的转速,不会影响到加工效率。

�?.jpg

      4.4内圆切割刀片轨迹的控制方法减小晶片弯曲
      晶片平整度是晶体加工中需要控制的一个重要指标。美国R.E.Steere等人通过控制刀片轨迹的方法术减小晶片弯曲度。控制过程由两个空气轴承垫、两个传感器实现。每一个传感器和空气轴承垫相邻.并安装在共同的基准面上,如图7所示。空气轴承垫通过压缩空气,提供一个恒定的压力,在刀片与率气轴承垫之间形成一个空气薄膜。切割时传感器测量刀片的偏移。该位移信号用于控制空气轴承垫,使它相对于刀片发生偏转,保持刀片在切削过程中位置不变。这种方法的优点是:(1)在切削过程中可以控制刀片的切割位置;(2)用很少的压缩空气就可以控制刀片轨迹;(3)结构简单,易于实现;(4)用空气轴承垫代替以往的空气喷嘴,避免了使用空气喷嘴的缺点。

刀片轨迹的控制.jpg



       晶片大直径化,一方面使晶片弯曲度增加,另一方面使切割过程中的振动增加,如何改进设备和选择合理的工艺参数,控制这两个指标,成为晶片切割面临的主要问题。通过精密的锯片控制和传感器技术可提高内圆切割晶片的质量。减小切割线的横向振动,提高切割线的刚度等可提高线切割。系统地研究晶片切割机理及过程规律,提高切割系统性能,提高晶片切割质量和效率,是晶片切割的主要研究课题。

       黑龙江浩市新能源材料股份有限公司是通过ISO9001:2008质量管理体系认证,集研发、生产、销售为一体的石墨产品精深加工的节能、环保、科技型中外合资企业。公司致力于超高纯石墨粉及其上、下游产品生产开发,产品主要有超高纯石墨粉、增碳剂、人造金刚石单晶及金刚石制品等,在此期待与您的合作!

 
秒速牛牛开奖网tumlumtala.com版权所有  ©  2015-2020   黑龙江浩市新能源材料有限公司   保留所有权利
咨询电话:0467-6240666 / 6240777   公司地址:黑龙江省鸡西市恒山区中兴社区永胜委
友情链接:秒速时时彩  秒速牛牛  秒速时时彩  秒速时时彩官网  秒速时时彩官网  秒速牛牛注册官网  

免责声明: 本站资料及图片来源互联网文章,本网不承担任何由内容信息所引起的争议和法律责任。所有作品版权归原创作者所有,与本站立场无关,如用户分享不慎侵犯了您的权益,请联系我们告知,我们将做删除处理!