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研究生： 張弘杰
Chang, Hung-Chieh
論文名稱： 終極鑽石碟薄化矽晶圓之加工特性研究
A study on thinning silicon wafer with Ultimate Diamond Disk
指導教授： 左培倫
Tso, Pei-Lum
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 98
中文關鍵詞： 晶圓薄化 、應力集中 、終極鑽石碟 、延性加工 、脆性破壞
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    • 使用鑽石刀具薄化晶圓到一定程度會有表面應力集中及裂痕的出現，需要藉由不同的後續加工，例如：化學機械拋光(CMP)、蝕刻…等，增強晶圓強度及減少表面損傷，所以晶圓薄化將使加工成本增加，所以有效改善表面內應力的產生以及加工成本將是首要解決的問題。
    過去用來薄化矽晶圓的鑽石刀具，因切刃高度不一致造成切削深度不同、工件受力分布不均，使得某些區域產生嚴重的破壞，終極鑽石碟(Ultimate Diamond Disk，UDD)是刀片式設計，刀片平均高度大約差數個微米(micrometer)，刀刃高度一致，將使切削力分布均勻，工件表面減少刮痕和損傷層並延長UDD的使用壽命。
    本研究將觀察UDD切削矽晶圓後，其表面形貌以及次表面裂痕，了解轉速與切深對矽晶圓表面裂痕生成之影響，藉由UDD切削生成之切屑以及量測切削力與比切削能得到其移除機制(延性加工或脆性破壞)與加工特性，並觀察UDD磨耗後之形貌及磨耗特性。

    章節目錄 第一章 簡介 ......................................................................................... 1 1.1 研究背景 ............................................................................................................. 1 1.2 研究動機 ............................................................................................................. 3 1.3 終極鑽石碟(Ultimate Diamond Disk，UDD)簡介 ......................................... 5 1.4 問題描述 ............................................................................................................ 12 1.5 研究目標 ............................................................................................................ 13 第二章 文獻回顧 ................................................................................. 14 第三章 實驗設備與規劃 ..................................................................... 31 3.1 實驗設備 ............................................................................................................ 31 3.1.1 CNC綜合加工機 ..................................................................................... 31 3.1.2 精密升降平台 ......................................................................................... 32 3.1.3光學顯微鏡（Optical microscopy）........................................................... 33 3.1.4 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope－SEM）.............. 34 3.1.5 切削力量測裝置 ..................................................................................... 35 3.1.6 接觸式表面粗度儀 ................................................................................. 36 3.1.7 拋光機 ..................................................................................................... 36 3.1.8 VERTEX 110三次元量測儀 .................................................................. 37 3.2 實驗材料 ............................................................................................................ 38 3.3 實驗規劃 ............................................................................................................ 38 3.3.1 加工參數影響實驗 ................................................................................. 39 3.3.2 切削力與比切削能 ................................................................................. 40 3.3.3 刀具磨耗實驗 ......................................................................................... 40 第四章 晶圓表面觀察與UDD切屑生成特性 ................................... 42 4.1 表面形貌觀察 …................................................................................................ 42 4.1.1 切削深度影響 …..................................................................................... 42 4.1.2 主軸轉速影響 …..................................................................................... 44 4.1.3裂痕生成類型與特性 .............................................................................. 48 4.2 UDD切削生成之切屑與切削模式研究 ............................................................ 54 4.2.1 切削過程中切屑生成機制 ..................................................................... 54 4.2.2 脆性與延性模式的移除機制 ................................................................. 55 4.3 UDD切削切屑之型態與加工模式觀察 ............................................................ 57 4.4 比切削能與切屑型態 ........................................................................................ 61 第五章 終極鑽石碟(Ultimate Diamond Disks，UDD)之切削特性 .. 63 5.1 無因次磨粒切深與等效切屑厚度 .................................................................... 63 5.2 切削力與比切削能 ............................................................................................ 65 5.2.1 切削力與無因次磨粒切深 ..................................................................... 68 5.2.2 比切削能與無因次磨粒切深 ................................................................. 71 5.3 表面粗糙度 ........................................................................................................ 74 5.3.1 Ra與等效切屑厚度 ................................................................................. 74 5.3.2 Ra與比切削能 ......................................................................................... 75 5.4 UDD與ADD(crown type)之磨耗特性 .......................................................... 77 5.4.1終極鑽石碟(UDD)的磨耗特性 ............................................................... 77 5.4.2先進鑽石碟(ADD_ crown type)的磨耗特性 ......................................... 81 5.5 UDD與ADD(crown type)磨耗情形比較 ...................................................... 86 第六章 結論與未來展望 ..................................................................... 91 6.1 結論 .................................................................................................................... 91 6.2 未來展望 ............................................................................................................ 93 6.3 四刀刃設計 ........................................................................................................ 94 參考文獻 ............................................................................................. 97 圖表目錄 圖1. 1磨削晶圓示意圖【3】 ...................................................................................... 4 圖1. 2 鑽石固定在碟盤上的方法【4】 ..................................................................... 9 圖1. 3 由26片刀片組成的UDD鑽石碟【4】 ........................................................ 10 圖1. 4 UDD刀片高度分布圖【4】 ............................................................................ 10 圖1. 5 UDD鑽石碟示意圖及刀刃剖面示意圖 ...................................................... 11 圖2. 1 加工變質層各狀態分布層【5】 .................................................................... 15 圖2. 2 裂痕形成過程【6】 ........................................................................................ 16 圖2. 3 脆性材料的三種移除機制【7】 .................................................................... 17 圖2. 4 延性模式移除的條痕【8】 ............................................................................ 17 圖2. 5 次表面裂痕【9】【10】 ................................................................................. 19 圖2. 6 TEM拍出的中央裂痕【11】 .......................................................................... 19 圖2. 7 Evans等人提出的刮痕模型【12】 ................................................................ 20 圖2. 8 各種磨削方式的磨削阻力【5】 .................................................................... 23 圖2. 9 切削力與切削轉速關係圖【11】 .................................................................. 24 圖2. 10 (a)切深小(b)切深大【11】 ............................................................................ 24 圖2. 11 鈍角壓痕器的壓入模型【7】 ....................................................................... 25 圖2. 12 銳角壓痕器的壓入模型【7】 ...................................................................... 26 圖2. 13 切削示意圖【15】 ........................................................................................ 27 圖2. 14 切刃邊緣的形貌【16】 ................................................................................ 29 圖2. 15 flank face磨耗的情形【16】 ........................................................................ 29 圖2. 16 主切刃與次切刃示意圖【16】 .................................................................... 30 圖3. 1 實驗機台架設示意圖 .................................................................................. 31 圖3. 2 CNC綜合加工機 .......................................................................................... 32 圖3. 3 精密升降平台 .............................................................................................. 32 圖3. 4 光學顯微鏡 .................................................................................................. 34 圖3. 5 掃描式電子顯微鏡 ...................................................................................... 35 圖3. 6 接觸式表面粗度儀 ...................................................................................... 36 圖3. 7 拋光機 .......................................................................................................... 37 圖3. 8 三次元量測儀 .............................................................................................. 37 圖3. 9 晶圓上欲觀測點量測位置圖 ...................................................................... 39 圖4. 1 矽晶圓表面形貌(主軸轉速2000 rpm ，切深1μm，進給速率50mm/min) ................................................................................................................ 43 圖4. 2 矽晶圓表面形貌(主軸轉速2000 rpm ，切深2μm，進給速率50mm/min) ................................................................................................................ 43 圖4. 3 矽晶圓表面形貌(主軸轉速2000 rpm ，切深3μm，進給速率50mm/min) ................................................................................................................ 44 圖4. 4 矽晶圓表面形貌(主軸轉速3000 rpm ，切深1μm，進給速率50mm/min) ................................................................................................................ 46 圖4. 5 矽晶圓表面形貌(主軸轉速3000 rpm ，切深2μm，進給速率50mm/min) ................................................................................................................ 46 圖4. 6 矽晶圓表面形貌(主軸轉速3000 rpm ，切深3μm，進給速率50mm/min) ................................................................................................................ 47 圖4. 7 切深與主軸轉速不同對Ra影響 ................................................................ 47 圖4. 8 裂痕與壓縮應力關係示意圖【17】 .............................................................. 51 圖4. 9 矽晶圓試片的斜拋面 .................................................................................. 51 圖4. 10 中央裂痕延伸 ............................................................................................ 52 圖4. 11 裂痕交錯產生剝落 .................................................................................... 52 圖4. 12 洋蔥狀剝落 ................................................................................................ 53 圖4. 13 中央裂痕產生V型溝槽 ............................................................................. 53 圖4. 14 切屑生成機制之示意圖 ............................................................................ 55 圖4. 15 脆性破壞移除材料【7】 .............................................................................. 56 圖4. 16 延性模式移除材料【7】 .............................................................................. 57 圖4. 17 UDD轉速2000 rpm切削得到之切屑 ....................................................... 59 圖4. 18 切深0.5 μm放大圖 .................................................................................... 60 圖4. 19 轉速3000 rpm，切深0.5 μm之切屑 ......................................................... 60 圖4. 20 切深量與切屑型態以及加工模式的關係示意圖 .................................... 60 圖4. 21 細長切屑示意圖 ........................................................................................ 62 圖4. 22 塊狀切屑示意圖 ........................................................................................ 62 圖5. 1 最大切屑厚度與單位磨削斷面積示意圖 .................................................. 64 圖5. 2 進給方向的切削力Ff以及垂直進給方向的切削力Ffn示意圖【21】 ..... 67 圖5. 3 切線與法線切削力示意圖【21】 .................................................................. 67 圖5. 4 切削力與無因次磨粒切深的關係圖(Vs=2000 rpm) .................................. 70 圖5. 5 切削力與無因次磨粒切深的關係圖(Vs=3000 rpm) .................................. 70 圖5. 6 比切削能與無因次磨粒切深的關係圖 ...................................................... 73 圖5. 7 Ra與等效切屑厚度的關係圖 ...................................................................... 76 圖5. 8 Ra與比切削能的關係圖 .............................................................................. 76 圖5. 9 未切削前UDD的刀片原始形貌 ................................................................. 77 圖5. 10 UDD頂部摩擦式磨耗 ................................................................................ 79 圖5. 11 前離隙面(Rake face)與側離隙面(Flank face)磨耗 ................................. 80 圖5. 12 UDD磨耗示意圖 ........................................................................................ 81 圖5. 13 未切削前ADD(crown type)的原始形貌 .................................................. 82 圖5. 14 ADD(crown type)頂部摩擦式與邊角摩擦與破碎式磨耗的磨耗型態 ... 84 圖5. 15 ADD(crown type)底部邊角摩擦與破碎式磨耗的磨耗型態 ................... 85 圖5. 16 ADD(crown type)磨耗示意圖 ................................................................... 85 圖5. 17 大範圍的邊角與底部的摩擦與破碎式磨耗 ............................................ 89 圖5. 18 UDD與ADD(crown type)的Ra比較(主軸轉速2000 rpm) ..................... 89 圖5. 19 UDD與ADD(crown type)的Ra比較(主軸轉速3000 rpm) ..................... 90 圖6. 1 四刀刃示意圖1 ............................................................................................. 95 圖6. 2 四刀刃示意圖2 ............................................................................................. 95 圖6. 3 四刀刃之表面粗糙度 .................................................................................. 96 圖6. 4 四刀刃之法線與切線切削力 ...................................................................... 96 表1. 1 莫式硬度表 .................................................................................................... 6 表3. 1 加工參數影響實驗 ...................................................................................... 41 表3. 2 切削力與比切削能實驗 .............................................................................. 41 表5. 1 加工所需的能量【5】 .................................................................................... 73 表5. 2 UDD與ADD(crown type)的Ra增加率 ...................................................... 90

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