王蘭青 黃 輝 崔長(zhǎng)彩

華僑大學(xué)制造工程研究院，廈門，361021

0 引言

隨著光伏、微電子等行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石、晶體硅、碳化硅等硬脆性材料的加工要求也日益提高[1]。硬脆性材料常見的加工制程為：切片-研磨-拋光[2]。目前常采用多線切割技術(shù)將其由晶棒變?yōu)榫?，隨后通過(guò)研磨加工去除線切劃痕，因此切割后的晶片質(zhì)量對(duì)后續(xù)的研磨及拋光工藝有很大的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)線切后晶片的表面質(zhì)量進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3-5]對(duì)多線切割加工運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行理論分析，通過(guò)調(diào)整加工工藝參數(shù)提高線切晶片的表面質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]通過(guò)仿真研究多線鋸切過(guò)程中的切削溫度對(duì)切割后晶片表面翹曲度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)線網(wǎng)不同位置處的晶片表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，分析了線鋸磨損對(duì)晶片表面質(zhì)量的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[9]研究了工藝參數(shù)對(duì)單晶硅表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

在上述研究中，對(duì)線切后晶片面形質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要采用了拋光晶片的表面質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括總厚度偏差(total thickness variation TTV)、彎曲度(bow)、翹曲度(warp)?？偤穸绕钪当碚髁思庸ず缶畲蠛穸戎蹬c最小厚度值的絕對(duì)差值。晶片彎曲度是晶片中心點(diǎn)到參考平面的差值，反映晶片的凹凸程度。晶片翹曲度是用晶片中間面上的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的距離來(lái)表征晶片的翹曲程度。

線鋸加工中，一方面在磨粒的作用下，晶片形成高低起伏的表面，另一方面受到加工過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力及溫度應(yīng)力的綜合作用[10]，晶片整體會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。但現(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo)難以較好地統(tǒng)一表征線鋸加工后的晶片面形質(zhì)量。

本文針對(duì)目前線切晶片面形質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的問(wèn)題，提出一種新型的線切晶片面形質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，給出了新評(píng)價(jià)指標(biāo)的檢測(cè)方法，并比較分析了不同工藝參數(shù)對(duì)線切片面形質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 線切片最小加工余量的計(jì)算

1.1 最小加工余量的定義及計(jì)算原理

本文提出以線切片的最小加工余量(minimum machining allowance，MMA)為線切片面形質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。線切片最小加工余量是指在線切片內(nèi)部尋找一組平行的平面(為假想的襯底片理想平面)，平面外側(cè)部分是需要在后續(xù)研磨拋光中去除的加工余量，通過(guò)尋找合適的平行平面，保證其最外側(cè)的加工余量最小。此時(shí)計(jì)算得到的外側(cè)體積總和為最小加工余量，如圖1所示。

圖1 線切片的最小加工余量Fig.1 MMA for wire saw wafer

線切片的MMA計(jì)算流程如圖2所示。首先在晶片表面進(jìn)行分區(qū)選點(diǎn)，對(duì)晶片每個(gè)點(diǎn)位置處上下表面進(jìn)行精密測(cè)量；然后通過(guò)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的擬合，得出晶片上下表面的形貌；由上下表面的極值點(diǎn)，做相應(yīng)的平行平面，計(jì)算其外側(cè)的工件體積量，從而獲得MMA值。具體實(shí)施過(guò)程如下。

圖2 MMA計(jì)算流程Fig.2 MMA calculation flow chart

晶片不受其他外力作用的情況下放置在一個(gè)可移動(dòng)的晶片夾具上，晶片上下安裝有兩個(gè)傳感器探頭，可分別測(cè)量傳感器到晶片表面的距離。其中上傳感器探頭到晶片上表面的距離為a，下傳感器探頭到晶片下表面的距離為b，如圖3所示。上下傳感器同時(shí)進(jìn)行掃描，即可得到晶片不同位置處所對(duì)應(yīng)的a、b值。

圖3 線切片MMA檢測(cè)原理圖Fig.3 Schematic of wire saw wafer MMA detection

對(duì)所獲得上下平面的點(diǎn)數(shù)據(jù)分別擬合，對(duì)得到的晶片進(jìn)行找平處理，以消除因晶片放置引起的測(cè)量誤差。對(duì)找平后的晶片上下表面分別積分，得到上表面與下表面對(duì)應(yīng)的曲面體積Vup和Vdown：

Vup=?(a1x2+b1y2+c1x+d1y+e1z+f1)dV

(1)

Vdown=?(a2x2+b2y2+c2x+d2y+e2z+f2)dV

(2)

式中，x、y為晶片不同位置的測(cè)量點(diǎn)；z為晶片測(cè)量點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高度值；a1、b1、c1、d1、e1、f1、a2、b2、c2、d2、e2、f2為擬合曲面參數(shù)；V為曲面總體積。

對(duì)兩個(gè)曲面體積作差即可得到線切片體積：

VT=Vup-Vdown

(3)

通過(guò)上下表面的極值點(diǎn)(上表面的最低值amax和下表面的最高值bmax)做出兩個(gè)平行的理想平面，將兩個(gè)理想平面的間距定義為線切片理論上下表面間距h(圖3)：

h=z-amax-bmax

(4)

式中，z為兩傳感器探頭的間距。

在理想狀態(tài)下，研磨后線切片厚度為h，此時(shí)線切片理論平整體積

VM=Sh

(5)

式中，S為理論線切片的底面積。

最小加工余量VMMA則為總體積VT和理論平整體積VM之差：

VMMA=VT-VM

(6)

1.2 最小加工余量的具體計(jì)算方法

試驗(yàn)以φ101.6 mm(4英寸)藍(lán)寶石晶片為例，將線切片表面沿橫縱方向20等分，在分割線的交點(diǎn)處進(jìn)行采樣測(cè)量，共計(jì)400個(gè)采樣點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 線切片采樣點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic of sampling points for the wire saw wafer

在自行研制的襯底厚度檢測(cè)儀上進(jìn)行晶片采樣，如圖5所示。襯底厚度檢測(cè)儀由上下兩個(gè)激光位移傳感器探頭和一個(gè)X-Y數(shù)控工作臺(tái)組成。激光位移傳感器探頭精度為0.01 μm。數(shù)控工作臺(tái)可以控制晶片進(jìn)行X、Y方向的平行移動(dòng)(精度為0.01 mm)。將所需檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)輸入檢測(cè)儀中，設(shè)備自動(dòng)完成各檢測(cè)點(diǎn)上下表面a、b值的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖5 襯底厚度檢測(cè)儀Fig.5 An instrument of wafer thickness detection

圖6 晶片單面檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Single side detection data of the wafer

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量曲面擬合。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入為不同位置處的距離測(cè)量值，輸出為擬合曲面。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入層與輸出層已經(jīng)給定，只需確定隱含層結(jié)構(gòu)即可得到完整的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)和層數(shù)的選取對(duì)擬合結(jié)果的準(zhǔn)確度有很大影響。最佳隱含層節(jié)點(diǎn)參考公式如下：

(7)

式中，n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；l為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；c為0～10的常數(shù)。

根據(jù)式(7)確定節(jié)點(diǎn)數(shù)的大致范圍，并用試湊法確定最佳節(jié)點(diǎn)數(shù)和隱含層層數(shù)[11]。預(yù)測(cè)誤差與隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)關(guān)系如圖7所示。根據(jù)試湊結(jié)果，確定網(wǎng)絡(luò)的隱含層層數(shù)為3，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為11，晶片單面的擬合曲面結(jié)果如圖8所示。圖9是根據(jù)上述方法所獲得的同一晶片上下表面的擬合曲面。由圖9可以看出，晶片表面呈現(xiàn)一定的傾斜，這主要是晶片的安裝誤差所致。因此在計(jì)算晶片MMA值前，需要對(duì)擬合面進(jìn)行平面取平。

圖7 不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)所對(duì)應(yīng)的誤差波動(dòng)Fig.7 Error of nodes number in hidden layers

圖8 晶片單面擬合結(jié)果Fig.8 Single side fitting result of the wafer

圖9 晶片上下表面的擬合結(jié)果Fig.9 Fitting result of the wafer upper and lower sides

本文采用最小二乘法進(jìn)行晶面取平，具體操作如下。將擬合后得到的晶片表面數(shù)據(jù)記為點(diǎn)集P={(xi，yi，zi)}。假設(shè)有一個(gè)擬合平面，其點(diǎn)集數(shù)據(jù)位于z=Ax+By+C平面，按最小二乘法確定該平面的點(diǎn)集W滿足(zi-Axi-Byi-C)2。點(diǎn)集Q為點(diǎn)集P與點(diǎn)集W之差。對(duì)表面點(diǎn)集數(shù)據(jù)P求均值，并將其均值作為參考水平面高度H。將點(diǎn)集Q與參考水平高度H相加，即可完成對(duì)擬合曲面的晶面取平，取平后的結(jié)果見圖10。利用MATLAB編程，根據(jù)式(6)計(jì)算出線切晶片的MMA。

圖10 晶面取平后的擬合晶片表面Fig.10 Flattening result of the wafer upper and lower sides

2 鋸切試驗(yàn)方案

切割試驗(yàn)采用X07M250×350-1D-O多線切割機(jī)，線槽間距0.75 mm，切割所用金剛石固結(jié)線鋸線徑基體為φ0.18 mm，磨粒大小30～40 μm。切割所用工件為長(zhǎng)114 mm的藍(lán)寶石晶棒，工件在定向后裝夾于夾具上，加工過(guò)程中工件自上而下進(jìn)給并且同時(shí)進(jìn)行搖擺運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11 多線切割試驗(yàn)裝置Fig.11 Experimental setup of multi-wire sawing

本文采用單一變量法，通過(guò)改變切割過(guò)程中的不同工藝參數(shù)，得到不同工藝參數(shù)下的線切晶片。試驗(yàn)參數(shù)見表1[12]。

表1 切割試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Sawing parameters

一次切割加工可得152片晶片，從供線端開始每隔10片抽取一片晶片進(jìn)行檢測(cè)，一組工藝中共計(jì)取15片晶片進(jìn)行檢測(cè)。采用上文所述方法進(jìn)行MMA值的檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 總耗線量的影響

圖12所示是三組不同總耗線量下的MMA檢測(cè)結(jié)果，其中t=360 min,θ=10°,F=45 N,vf=25 m/s。從圖中可以看出，從供線端到收線端，晶片的MMA呈現(xiàn)先減小再逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)總耗線量為2 km和2.5 km時(shí)，除了在供線端和收線端首尾有所波動(dòng)外，其中間部分晶片的MMA大致呈線性增加；當(dāng)總耗線量為3 km時(shí)，MMA從供線端到收線端呈現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)?？傮w而言，隨著總耗線量的減少，晶片的MMA逐漸減小，但減小幅度不大。

圖12 不同總耗線量下的MMAFig.12 MMA with different total consumption wire

3.2 張緊力的影響

圖13所示是三組不同張緊力下的MMA變化情況，其中t=360 min,M=3 km,θ=10°,vf=25 m/s。從圖中可以看出，晶片的MMA值從供線端到收線端是先減小再逐漸增大，當(dāng)張緊力為35 N時(shí)，MMA值從供線端到收線端大致保持穩(wěn)定?？傮w而言，隨著張緊力的減小，MMA值大致減小。

圖13 不同張緊力下的MMAFig.13 MMA with different tensions

3.3 線速度的影響

圖14所示是三組不同線速度下的MMA變化情況，其中t=360 min,M=3 km,θ=10°,F=45 N。從圖中可以看出，晶片的MMA值從供線端到收線端先減小再增大。當(dāng)線速度較高時(shí)，MMA值變化較大；當(dāng)線速度減小到一定程度時(shí)，MMA值的變化不明顯。

圖14 不同線速度下的MMAFig.14 MMA with different wire speeds

3.4 總切割時(shí)間的影響

圖15所示是兩組不同總切割時(shí)間下MMA的檢測(cè)結(jié)果，其中M=3 km,θ=10°,F=45 N,vf=25 m/s。從圖中可以看出，晶片的MMA值從供線端到收線端的變化趨勢(shì)與上文相似，都是先減小再增大?？偳懈顣r(shí)間為360 min時(shí)，MMA的變化起伏較大；當(dāng)總切割時(shí)間增加時(shí)，MMA的變化減小?？傮w而言，隨著總切割時(shí)間的增加，MMA值減小。

圖15 不同總切割時(shí)間下的MMAFig.15 MMA with different total cutting time

3.5 搖擺角度的影響

圖16所示是兩組不同搖擺角度下的MMA變化情況，其中t=540 min,M=3 km,F=45 N,vf=25 m/s。從圖中可以看出，晶片的MMA值從供線端到收線端的變化規(guī)律與上文相似。在大搖擺角度下，MMA值變化較為平穩(wěn)；在小搖擺角度下，MMA值呈明顯的線性增長(zhǎng)。

圖16 不同搖擺角度下的MMAFig.16 MMA with different swing angles

4 討論與分析

本文試驗(yàn)條件下藍(lán)寶石線切片的總厚度偏差、彎曲度、翹曲度的測(cè)量值見文獻(xiàn)[12]。試驗(yàn)結(jié)果表明，線切后藍(lán)寶石晶片的總厚度偏差在5～20 μm波動(dòng)，彎曲度在-25～25 μm波動(dòng)，翹曲度在20～80 μm波動(dòng)。常規(guī)的晶片面形質(zhì)量評(píng)價(jià)體系與加工工藝參數(shù)中沒(méi)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此難以評(píng)價(jià)線切片的面形質(zhì)量。

當(dāng)加工機(jī)床確定時(shí)，線切片的加工面形質(zhì)量主要受加工工藝參數(shù)以及線鋸磨損的影響。結(jié)合圖12～圖16可以看出，在所有的加工條件下，MMA值從供線端到收線端都大致呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。與常規(guī)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同的是，MMA值基本與工藝參數(shù)的變化有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。相比而言，隨著總耗線量的減小，張緊力的減小，線速度的減少，總切割時(shí)間的增加以及搖擺角度的增大，單片MMA的值都大致呈減小的趨勢(shì)，與此同時(shí)，整個(gè)加工過(guò)程中晶片的面形質(zhì)量也會(huì)更加穩(wěn)定。試驗(yàn)得到的規(guī)律與實(shí)際生產(chǎn)加工的經(jīng)驗(yàn)有較好的吻合性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)切割加工晶片，提出了一種新的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)：線切片最小加工余量(MMA)，建立了一套完整的MMA評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)不同加工參數(shù)下的線切藍(lán)寶石晶片加工質(zhì)量的綜合檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：MMA值從供線端到收線端大致呈先減小后增大的趨勢(shì)。MMA值反映了晶片加工后的表面質(zhì)量變化，也包括了晶片的整體形狀變化，是總厚度偏差和翹曲度的綜合體現(xiàn)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，線切片MMA值基本與工藝參數(shù)的變化有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以更直觀地反映鋸切工藝參數(shù)的影響規(guī)律，更有效地為后續(xù)磨削加工提供參考依據(jù)。