李超，潘繼先，韓華超，蔣興橋，李東旭，陳立新

（沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110094）

砂輪劃片機(jī)主要是通過高速旋轉(zhuǎn)的砂輪片強(qiáng)力磨削晶圓片加工出溝槽或切斷。砂輪劃片機(jī)通過電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)空氣軸承主軸一起運(yùn)動(dòng)，通過空氣軸承主軸的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)砂輪片劃切真空吸附在轉(zhuǎn)角模塊上的晶圓片，在晶圓片上切出溝槽或者切斷，該劃切晶圓片的過程為砂輪劃片機(jī)的切片過程。砂輪劃片機(jī)的工作示意如圖1，砂輪片劃切晶圓的磨削原理圖如圖2。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，市場對劃切工藝設(shè)備的要求越來越嚴(yán)格，對其切割精度更高、崩邊更小、開槽寬度更窄等技術(shù)指標(biāo)更加迫切。因此，各家半導(dǎo)體生產(chǎn)商都在劃片機(jī)的結(jié)構(gòu)方面做了改進(jìn)。在砂輪片劃切不同材質(zhì)以及轉(zhuǎn)角模塊的參數(shù)方面的各個(gè)參數(shù)對砂輪片劃切晶圓的影響非常重要。因此，提高劃切晶圓橫斷面的刀口面質(zhì)量以及砂輪劃片機(jī)的安裝調(diào)試效率成為劃片機(jī)劃切工藝的主要研究方向。本文通過改進(jìn)砂輪劃片機(jī)轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)調(diào)平轉(zhuǎn)角模塊的水平度并對晶圓磨削橫斷面的影響因素進(jìn)行研究。

1 影響劃切因素

1.1 安裝工藝因素

砂輪劃片機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由X、Y、Z、T軸四個(gè)部分模塊所組成的。其中影響晶圓橫斷面切口面的因素主要有X軸模塊的直線度、Y軸模塊的步進(jìn)精度以及直線度、Z軸模塊的重復(fù)定位精度、主軸的俯仰水平精度、T軸模塊的轉(zhuǎn)角精度、吸盤上水平面相對于Y軸進(jìn)給方向的水平度。其中X軸模塊的劃切直線度決定晶圓劃切的溝槽直線度，Y軸模塊的步進(jìn)精度決定切割晶粒的邊長是否一致，Y軸模塊的直線度對刀口的寬度有影響。Z軸模塊的重復(fù)定位精度決定晶圓磨削留厚的一致性。空氣軸承主軸的俯仰水平精度影響磨削時(shí)刀口的橫斷面是否垂直于吸盤臺(tái)面。T軸模塊的轉(zhuǎn)角精度決定磨削時(shí)晶粒相鄰兩條邊所夾的角度，如圖3所示。

圖3 磨削溝槽

其中T軸模塊的轉(zhuǎn)角吸盤上面的相對于Y軸模塊進(jìn)給方向的水平度是磨削過程中導(dǎo)致切口的崩邊和是否切偏的主要因素。如圖4所示，在空氣軸承主軸的俯仰水平調(diào)節(jié)在合理范圍的情況下，若轉(zhuǎn)角吸盤上表面與Y軸模塊進(jìn)給方向不平行，那么在切割過程中將會(huì)出現(xiàn)夾角，磨削的晶粒質(zhì)量就難以保證。由于磨削過程中可能會(huì)產(chǎn)生背崩的情況，背面崩邊可能是由裝配關(guān)系、冷卻液、吸盤負(fù)壓等因素決定。

圖4 晶圓磨削截面圖

1.2 冷卻水因素

砂輪劃片機(jī)磨削物料時(shí)有兩路冷卻水對磨削位置及刀片磨削點(diǎn)進(jìn)行冷卻。磨削晶圓片的過程中冷卻液可以帶走砂輪片磨削物料的殘?jiān)约澳ハ魉a(chǎn)生大量的熱為砂輪片及磨削點(diǎn)降溫，通常調(diào)節(jié)范圍0L/min～1L/min。

1.3 真空吸力因素

真空吸盤所產(chǎn)生的負(fù)壓將物料或UV膜吸附在吸盤上，由于有時(shí)吸附壓力不穩(wěn)，導(dǎo)致物料在吸盤上受力不均而發(fā)生物料局部地方翹曲，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的砂輪磨削到了翹曲的地方，就會(huì)發(fā)生磨削留厚不均的現(xiàn)象。通常吸盤吸附晶圓或UV膜后負(fù)壓達(dá)到-80kPa來保證晶圓片的切削面牢牢吸附在吸盤的上表面。

2 改進(jìn)調(diào)平轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)角調(diào)平機(jī)構(gòu)

砂輪劃片機(jī)的當(dāng)前常用調(diào)平機(jī)構(gòu)為配磨圓柱，調(diào)平時(shí)，需要技工配磨圓柱的上表面依次試驗(yàn)四角的調(diào)平高度費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對技師要求水平較高。而改進(jìn)轉(zhuǎn)角模塊調(diào)平機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)角模塊吸盤水平方向調(diào)節(jié)達(dá)到與Y軸進(jìn)給面平行的效果，使Y軸主軸的切割晶圓的深度、切割角度達(dá)到一個(gè)參數(shù)設(shè)定要求。調(diào)平機(jī)構(gòu)由原來的配磨支撐柱改為螺紋調(diào)節(jié)，降低了調(diào)節(jié)難度以及調(diào)試維修人員的要求。

2.2 改進(jìn)調(diào)平機(jī)構(gòu)

劃片機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)平裝置其滑板需要預(yù)先固定在劃片機(jī)導(dǎo)軌滑塊上，轉(zhuǎn)角調(diào)平機(jī)構(gòu)安裝在其上，滑板四周分別垂直固定設(shè)有個(gè)轉(zhuǎn)角調(diào)平機(jī)構(gòu)。將調(diào)整地腳錨栓通過螺紋連接擰入滑板內(nèi)，將調(diào)整地腳孔配合一端插入轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)板的孔內(nèi)。將帶有調(diào)整地腳的轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)板安放在調(diào)整地腳錨栓的調(diào)整地腳錨栓調(diào)整接觸球面內(nèi)。將內(nèi)六角圓柱頭螺柱套上彈墊和平墊后從轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)板一側(cè)穿入轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)板、調(diào)整地腳、調(diào)整地腳錨栓及滑板內(nèi)并擰緊內(nèi)六角圓柱頭螺柱。將調(diào)整地腳錨栓及調(diào)整地腳通過內(nèi)六角圓柱頭螺柱壓緊轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)板與滑板。當(dāng)轉(zhuǎn)角模塊吸盤的水平度未達(dá)到技術(shù)要求時(shí)，擰松內(nèi)六角圓柱頭螺柱，使用活扳手卡住調(diào)整地腳錨栓的兩個(gè)平行的平面，使其旋轉(zhuǎn)調(diào)整地腳錨栓調(diào)節(jié)滑板與轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)板間的高度，達(dá)到一個(gè)調(diào)節(jié)水平的效果，最后擰緊內(nèi)六角圓柱頭螺柱，如圖5所示，調(diào)平機(jī)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)角模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 調(diào)平結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本案例以切割1mm厚的玻璃板為實(shí)驗(yàn)物料，使用刀片的規(guī)格58×40×0.07-4/6的金剛石砂輪片、設(shè)定步距長度為5mm，進(jìn)刀速度為2mm/s。前置噴水量設(shè)置為0.5L/min，側(cè)噴水量設(shè)置為0.4L/min，空氣軸承主軸的俯仰水平均調(diào)節(jié)到5μm內(nèi)。通過改進(jìn)的轉(zhuǎn)角調(diào)平機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)吸盤與Y軸模塊進(jìn)給方向的水平度，來測量切斷面的傾角以及崩邊尺寸來判別切斷面質(zhì)量與轉(zhuǎn)角平面之間的關(guān)系，通調(diào)節(jié)吸盤下方的四個(gè)調(diào)平地腳，配平吸盤的四個(gè)端角與主軸進(jìn)給方向的水平度。通過驅(qū)動(dòng)Z軸帶動(dòng)主軸砂輪分別輕接觸吸盤表面的測量測高位置四個(gè)點(diǎn)的高度，運(yùn)動(dòng)控制卡通過檢測砂輪接觸吸盤時(shí)使電流回路閉合產(chǎn)生的電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制卡收到檢測信號(hào)后，發(fā)出指令Z軸抬刀，測高檢測完成。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為實(shí)驗(yàn)所得磨削玻璃片橫斷面夾角及崩邊數(shù)據(jù)。

表1 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角水平度對切口的影響

僅考慮測高位置2、3對角度和崩邊的影響，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)角的上表面水平度差越大時(shí)，玻璃的切割橫斷面所產(chǎn)生的夾角也越大，并且磨削時(shí)產(chǎn)生的崩邊也會(huì)漸漸隨之加大。

4 結(jié)語

砂輪片磨削溝槽所產(chǎn)生的各種偏差都可能是由多種因素產(chǎn)生的。但由轉(zhuǎn)角吸盤上面的相對Y軸進(jìn)給方向的水平度是磨削過程中導(dǎo)致切口的崩邊和是否切偏是主要因素。所以，針對轉(zhuǎn)角的水平度對晶圓橫切面的角度及崩邊的切割工藝還需大量的實(shí)驗(yàn)獲得更多的數(shù)據(jù)保證晶圓的切割質(zhì)量。一個(gè)方便調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角水平的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不僅能節(jié)約安裝調(diào)試時(shí)間，并且也為晶圓的磨削質(zhì)量提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)。