來源：天氏庫力 發布日期
2022-12-16 瀏覽：劃片刀(Wafer Saw) 主要由電鑄鎳基結合劑、金剛石/類金剛石等硬質顆粒組成。切割時由主軸帶動刀片高速旋轉獲得高剛性，從而去除材料實現切割。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、厚度的晶圓，需要更換不同的刀具。在旋轉砂輪式劃片過程中，需要采用去離子水對刀片進行冷卻，并帶走切割后產生的硅渣碎屑.今天小編就來詳細科普一下半導體集成電路劃片刀知識！
1、劃片刀結構特點
劃片刀表面粗粘，有凸起的硬質顆粒和刀口，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、高速轉動
普通刀具利用鋒銳尖端在物體表面施加集中應力,可直接分裂物體進行切割。劃片刀與普通刀具不同。因為本身結構、材質特性,在靜態或低速轉動時,劃片刀無法實現切割,必須高速旋轉獲得高剛度,從而以碾碎去除材料的形式實現切割(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，切割晶圓產生的硅屑被去離子水沖走。
3、刀口
刀口是經磨刀后在刃部形成的，由順刀方向硬質顆粒及其與結合劑尾端間的細微凹槽或空洞組成（見圖2-18），其根據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種劃片刀刀刃材質參數，包括刀刃的磨料粒度號、濃度和結合劑強度。圖2-19給出了基于鎳基結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，刀片依靠高速旋轉使金剛石等硬質顆粒高頻撞擊晶圓，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，刀口持續刮擦物體表面，將表面拉毛，刮除，并將碎屑排除。
硬質顆粒的撞擊和刀口的刮擦使材料能夠從物體表面剝離，同時刀口能夠將碎屑及時排除。這兩者協同作用以保持物體表面材料被持續剝離，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，導致加工質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水準。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系圖。劃片線寬與主要因素之間的關系如下：
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擴展為毛刺擴展區域尺寸。
6、刀片磨損
基于刀片切割運動形式（高速旋轉、水平進給）及工作環境（去離子水及添加劑），刀片主要受以下作用影響：
1）機械應力，法向、切向壓力及切屑的摩擦力。
2）熱應力，摩擦導致的溫升熱應力。
3）化學腐蝕，切割水酸堿度（pH值）及化學物質反應。
在一般情況下刀片連續切割，主要考慮機械應力導致的磨損。劃片刀的組成、結構特點、運動模式和工作環境，決定刀片磨損主要為硬質顆粒斷裂和結合劑磨耗兩種模式。
1.斷裂
硬質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，硬質顆粒外包裹的結合劑也會因磨損而越來越少，當結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。硬質顆粒斷裂可在斷裂面形成一些銳角，使刀片能夠繼續維持在鋒利的狀態，硬質顆粒會自然脫落，暴露出新的顆粒，形成新的刀口。在刀片和被切物之間，通過參數維持適當的磨損可使刀片保持相對穩定的切屑力。
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0~300m，劃片縫寬度、刀具磨損率和表面粗糙度迅速增加。第二個是穩定階段，切割距離在300~2000m，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，金剛石與刀片粘結較少的砂粒首先脫落，留下空穴，刀具表面粗糙度上升，并導致較大的切屑尺寸。在穩定階段，大多數砂粒均勻地嵌入結合劑中，因此磨損均勻。因此，葉片的粗糙度趨于穩定。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切割在穩定階段，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系。
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