劃片刀(Wafer Saw) 主要由電鑄鎳基結(jié)合劑、金剛石/類金剛石等硬質(zhì)顆粒組成。切割時由主軸帶動刀片高速旋轉(zhuǎn)獲得高剛性，從而去除材料實現(xiàn)切割。由于刀片具有一定的厚度，要求劃片線寬較大。金剛石劃片刀能夠達到的最小切割線寬為 25~35um。切割不同材質(zhì)、厚度的晶圓，需要更換不同的刀具。在旋轉(zhuǎn)砂輪式劃片過程中，需要采用去離子水對刀片進行冷卻，并帶走切割后產(chǎn)生的硅渣碎屑。

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半導(dǎo)體劃片刀示意圖

1、劃片刀結(jié)構(gòu)特點

劃片刀表面粗粘，有凸起的硬質(zhì)顆粒和刀口，如圖 2-15 所示。普通刀具，刀尖表面較為光滑，刃部尖銳，刀尖與水平面的夾角 較大;而劃片刀的刀尖表面粗糙，刃部近似矩形，與水平面的夾角日接近0°，如圖 2-16 所示。

2、高速轉(zhuǎn)動

普通刀具利用鋒銳尖端在物體表面施加集中應(yīng)力,可直接分裂物體進行切割。劃片刀與普通刀具不同。因為本身結(jié)構(gòu)、材質(zhì)特性,在靜態(tài)或低速轉(zhuǎn)動時,劃片刀無法實現(xiàn)切割,必須高速旋轉(zhuǎn)獲得高剛度,從而以碾碎去除材料的形式實現(xiàn)切割(見圖2.17)。在這種切割方

式下，金剛石刀片以3000~40000r/min的高轉(zhuǎn)速切割晶圓劃片槽。同時，承載著晶圓的丁作臺以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點的切線方向呈直線運動，切割晶圓產(chǎn)生的硅屑被去離子水沖走。

3、刀口

刀口是經(jīng)磨刀后在刃部形成的，由順刀方向硬質(zhì)顆粒及其與結(jié)合劑尾端間的細微凹槽或空洞組成（見圖2-18），其根據(jù)刀片配方不同而變化。刀口具有排屑和冷卻的作用，刀口的存在使刀片切割能力得以維持。

表2-3給出了3種劃片刀刀刃材質(zhì)參數(shù)，包括刀刃的磨料粒度號、濃度和結(jié)合劑強度。圖2-19給出了基于鎳基結(jié)合劑的金剛石劃片刀刀刃掃描電鏡(SEM)圖。

4、劃片刀切割機理

圖 2-20 給出了劃片刀切割機理示意。

1.撞擊

切割硅等硬脆性材料時，刀片依靠高速旋轉(zhuǎn)使金剛石等硬質(zhì)顆粒高頻撞擊晶圓，在表面形成微裂紋，壓碎后利用刀口將碎屑帶走。

2. 刮除

切割延展性金屬材料時，刀口持續(xù)刮擦物體表面，將表面拉毛，刮除，并將碎屑排除。

硬質(zhì)顆粒的撞擊和刀口的刮擦使材料能夠從物體表面剝離，同時刀口能夠?qū)⑺樾技皶r排除。這兩者協(xié)同作用以保持物體表面材料被持續(xù)剝離，達到切割的效果。

為了使去除的材料盡可能少，那么使用的劃片刀越薄越好。但是，如果劃片刀太薄，在切削過程中又很容易變形，導(dǎo)致加工質(zhì)量變差甚至損壞工件。一般切割硅晶圓的刀片突出刃長度與硅晶圓厚度關(guān)系如表2-4所示。

5、刀刃與線寬

劃片線寬指的是使用劃片刀切割晶圓所需破壞的線條寬度尺寸，是劃片工藝的特征尺寸，表征著劃片工藝的技術(shù)水準(zhǔn)。影響線寬的主要因素有以下三個∶

1. 刀片厚度。
2. 崩邊尺寸。

3）擴展尺寸。

圖2-21給出了劃片刀具與劃片線寬的關(guān)系圖。劃片線寬與主要因素之間的關(guān)系如下：

W=t刀片+2W崩邊+2W擴展

式中，W為劃片線寬；t刀片為刀片尺；W崩邊為崩邊尺寸；w擴展為毛刺擴展區(qū)域尺寸。

6、刀片磨損

基于刀片切割運動形式（高速旋轉(zhuǎn)、水平進給）及工作環(huán)境（去離子水及添加劑），刀片主要受以下作用影響：

1. 機械應(yīng)力，法向、切向壓力及切屑的摩擦力。

2）熱應(yīng)力，摩擦導(dǎo)致的溫升熱應(yīng)力。

3）化學(xué)腐蝕，切割水酸堿度（pH值）及化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)。

在一般情況下刀片連續(xù)切割，主要考慮機械應(yīng)力導(dǎo)致的磨損。劃片刀的組成、結(jié)構(gòu)特點、運動模式和工作環(huán)境，決定刀片磨損主要為硬質(zhì)顆粒斷裂和結(jié)合劑磨耗兩種模式。

1.斷裂

硬質(zhì)顆粒在長期的撞擊之下，某些顆粒會破裂而磨損，如圖2-22所示。

2. 磨耗

切割時，硬質(zhì)顆粒外包裹的結(jié)合劑也會因磨損而越來越少，當(dāng)結(jié)合劑減少到某種程度，不足以再承受切割物體和切屑的作用力時，硬質(zhì)顆粒會自然脫落（見圖2-23），暴露出新的顆粒，形成新的刀口。

可以說，刀片在磨損的同時也是再生的過程。硬質(zhì)顆粒斷裂可在斷裂面形成一些銳角，使刀片能夠繼續(xù)維持在鋒利的狀態(tài)，硬質(zhì)顆粒會自然脫落，暴露出新的顆粒，形成新的刀口。在刀片和被切物之間，通過參數(shù)維持適當(dāng)?shù)哪p可使刀片保持相對穩(wěn)定的切屑力。

研究表明，刀具在劃片過程中的磨損可以分為兩個階段。第一個是過渡階段，切割距離在0300m，劃片縫寬度、刀具磨損率和表面粗糙度迅速增加。第二個是穩(wěn)定階段，切割距離在3002000m，刀具磨損率緩慢增長，劃片縫寬度和表面粗糙度緩慢降低。這是由于，在過渡階段，金剛石與刀片粘結(jié)較少的砂粒首先脫落，留下空穴，刀具表面粗糙度上升，并導(dǎo)致較大的切屑尺寸。在穩(wěn)定階段，大多數(shù)砂粒均勻地嵌入結(jié)合劑中，因此磨損均勻。因此，葉片的粗糙度趨于穩(wěn)定。這兩個階段的劃片機制是不同的，在過渡階段，金剛石砂粒的沖擊和摩擦力主導(dǎo)切割在穩(wěn)定階段，晶圓靠金剛石摩擦力切割。圖2-24~圖2-26分別給出了劃片縫寬度、刀具磨損率、刀具表面粗糙度與切割距離的關(guān)系。

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審核編輯 黃宇