组合电沉积小型金刚石切削片打磨散布的匀和情况

组合电沉积小型金刚石切削片打磨散布的匀和情况 文章来源：中国切割机网

　
　　1引言　厚度仅为0.010.05mm的超薄金刚石切割片作为目前IC制造行业硅晶圆划片工序主要的加工工具，已经开始在生产中得到普遍推广应用。随着IC集成度按照摩尔定律不断增加，要求超薄金刚石切割片的厚度越来越薄，给超薄金刚石切割片的制造提出了新的挑战。超薄切割片一般有树脂结合剂和金属结合剂两种，而金属结合剂切割片因具有结合强度高、成型性好、使用寿命长等显著特性，其应用价值更为显著。对于厚度仅为0.010.05mm的金属结合剂切割片，一般多采用复合电沉积的方法制备。由于要求的切割片厚度薄、精度高、刚性好，所以制作难度很大，目前该方面的产品制造技术主要为美国、日本、韩国所拥有和垄断。国内也有单位研制和生产此类产品，但精度达不到国外同类产品水平，市场占有率几乎为零。加速国产超薄金刚石切割片的自主研制与开发，对于降低生产成本，促进我国IC制造业的产业化发展具有重要的意义和推动作用。
　　硅晶圆的划片过程实际上是金刚石磨粒对硅片的磨削去除过程，金刚石磨粒的浓度过低或分布不均匀会导致严重的摩擦，产生大量的热量。同时，金属基与硅片的接触摩擦会导致切割片的快速磨损而失效。因此，切割片的磨粒浓度及其均匀性对于产品的质量和性能关系极大。在研制复合电沉积的方法制备超薄金刚石切割片的过程中，发现复合电沉积超薄切割片制造的技术难度之一在于对金刚石磨粒浓度及其均匀性的控制，这是影响超薄切割片硬度、刚度和使用寿命等指标的关键因素之一。而如何评价切割片中金刚石微粉磨料的均匀性，则是控制超薄切割片金刚石磨粒浓度及其均匀性的理论依据。为此，本文结合0.010.05mm复合电沉积超薄切割片的研制，对复合电沉积切割片磨粒分布均匀性的评价方法和影响因素进行了初步研究。
　　2超薄切割片磨粒浓度及分布均匀性评定方法2.1磨粒浓度的评定指标金刚石砂轮的浓度有很多评价方法，其中质量百分数、体积百分数和表面积百分数使用为广泛。由于电沉积超薄切割片使用的金刚石颗粒很小，一般为13m左右，若采用酸蚀称重法，将使检测结果繁杂且精度不高；而显微镜观察金刚石的表面积又无法近似给出，所以上述方法均不适用于本文研究的切割片。
　　为了便于观察和计算，本文提出了一种采用单位微元面积上金刚石颗粒的个数作为评定镀层金刚石浓度的指标。其表示方法为：SANAS金刚石颗粒个数单位微元面积（1）具体地说，由于金刚石颗粒为13m左右，研究中单位微元面积取值设定为25m　25m，见图1所示。在显微镜下读出此微元面积上金刚石颗粒的个数NA，进而计算出SA，以此评定金刚石的浓度。
　　2.2金刚石分布均匀性评定指标普通金刚石工具（砂轮）中磨粒的浓度作为重要的性能指标之一，一直是人们关注的焦点。对于磨粒分布的均匀性，由于对加工质量的影响敏感性相对较小，所以较少得以研究和关注。然而在超薄切割片中，若金刚石微粉磨粒分布不均匀，则会出现磨粒划切不均匀的现象，进而导致区域性的循环应力集中，出现端面跳动，严重影响刀片的使用寿命和划片质量。
　　理论上，切割片周向圆周工作端面的金刚石分布均匀性直接关系到划片的质量。然而在显微镜下直接观测圆周端面金刚石磨粒比较困难，为此改用切割片侧面外边缘处的金刚石分布替代端面上的金刚石分布，提出如下一种具有操作简单而不失可证性的基于方差的磨料分布均匀性评定方法。具体方法为：在切割片侧面外边缘处，每隔45选取一个观测微元位置，划分出一个25m　25m的微元面，然后在显微镜下读出每个微元面上的金刚石颗粒个数NAi（i1，2，　8），并依据公式（2）和公式（3）求出其方差S，以此评定切割片的金刚石磨粒分布均匀性。
　　NAni1NAin（2）Sni1（NAi-NA）2n（3）3电沉积参数对磨粒分布影响的试验分析3.1试件的制备研究中采用复合电沉积方法制备以铝合金为基体的轮毂型切割片，部分工艺规范如表1所示。
　　对电沉积成型的切割片，经过适当的表面处理后，在其外边缘上随机取一点，以此得到均布的8个观测点。在显微镜下可以得到这8个观测点处25　25m微元面上的金刚石颗粒个数，分别计算得出NAi和方差S，作为评定金刚石磨粒的浓度和分布均匀性数据。
　　镀液中金刚石的浓度与阴极电流密度是决定电沉积金刚石含量及分布的两个重要因素。为了得出两者与镀层金刚石浓度与分布的关系，在搅拌条件不变的工况下改变阴极电流密度（分别为1、2、3、4A/dm2）与镀液金刚石浓度（分别为5、10、15、20g/L），得到微元面平均金刚石颗粒个数NA与溶液金刚石浓度及阴极电流密度的关系曲线（如图3所示）.
　　3.2镀液中金刚石浓度的影响试验结果表明：镀液中金刚石浓度在015g/L范围时，镀层金刚石浓度随着镀液金刚石浓度增大而增大；当浓度大于15g/L后镀层金刚石浓度呈下降趋势，同时镀层内金刚石出现结块现象，见图4所示。这可能是由于在溶液金刚石浓度过大的条件下，大量金刚石积聚在镀层表面，产生阻挡效应，使金属不易沉积，并导致镀层金刚石结块的形成和浓度的降低。
　　在电流密度为1A/dm2时通过计算得出不同溶液金刚石浓度值下金刚石磨粒分布方差分别为：S51.369；S101.541；S152.236；S202.646（其中S5表示镀液金刚石浓度为5g/L时的磨粒分布方差）.
　　说明镀液金刚石浓度较高时，金刚石分布表现出不均匀现象。这是由于金刚石的阻挡效应使得在各处磨料沉积的偶然性增大，有的地方沉积顺利，颗粒含量较多，有的地方由于阻挡效应的存在使得金刚石有效埋入基体的个数变少，从而分布不均。
　　3.3阴极电流密度的影响在溶液金刚石浓度为15g/L，阴极电流密度在1A/dm2和2A/dm2时，金刚石磨粒个数在40个左右；但电流密度增加至3A/dm2和4A/dm2时，磨粒个数明显降低。说明阴极电流密度的增加使得镀层中金刚石浓度变小。这是因为阴极电流密度增加以后，金属沉积的速度加快。虽然金刚石由于电泳作用被送到阴极附近嵌入镀层中的速度也随之加快，但是赶不上金属沉积速度增大的幅度，导致镀层中金刚石的含量降低。
　　在溶液金刚石浓度为15g/L时计算得出各阴极电流密度值下金刚石磨粒分布方差分别为：S12.121；S22.345；S32.622；S43.202（其中S1表示电流密度为1A/dm2时的磨粒分布方差）.说明随着阴极电流密度的增加，镀层中金刚石的分布均匀性会降低。这是由于电流密度增大，使得金刚石的埋入速度加大，在搅拌作用下，区域性的溶液金刚石浓度差异会复映到镀层之中，快速的沉积速度使得溶液的金刚石浓度来不及缓冲，从而导致磨粒分布的不均匀性增加；而且，阴极电流密度的增加可能会导致析氢，在氢气的冲击下，妨碍了金刚石与金属的共沉积，这也是影响金刚石分布均匀性的因素。另外，较大的阴极电流密度也会导致针孔麻点等缺陷，影响镀层与基体之间的结合力。
　　3.4搅拌的影响电沉积过程中搅拌的主要作用是将金刚石磨粒充分而均匀地分散悬浮在镀液中。搅拌对金刚石的影响有搅拌强度和搅拌方式两个方面。
　　搅拌强度太低，镀液流动的速度很小，微粒在镀液中的有效浓度会降低，无法达到配方浓度值。而连续性的强搅拌会将沉降在基体表面的金刚石冲刷下来，不利于金刚石的嵌入。采用间歇搅拌方式，将有助于提高金刚石在镀层中的浓度与均匀性。
　　由于镀液黏性引起的表面摩擦阻力对微粒在镀液中的沉降占主导地位，故可用Stokes公式计算金刚石的沉降速度：v29gr2s（p-s）（4）式中：g为重力加速度；s与s分别为镀液的黏度和密度；p为金刚石微粒半径，r为金刚石微粒的半径。
　　通过以下计算得出W2.5的金刚石微粒在镀液中自由沉降速度为：v299800.00890.0001252（3.5-1）9.6　10-4cm/s试验结果表明金刚石微粒在镀液中自由沉降10mm的时间为17.4min，加上近似补偿系数，可增至20min.磁力搅拌器在2min内可以使金刚石完全悬浮于镀液中，因此可以按照220（即110）的停歇时间比来对镀液进行搅拌。试验证明，搅拌方式不当，会出现的区域性镀覆盲区。采用间歇搅拌方式能提高溶液中金刚石的浓度，改善其分布均匀性，同时还能有效消除由于金刚石过于堆积而导致阻碍金属电沉积产生的区域性镀覆盲区。
　　3.5其它工艺参数的影响复合电沉积工艺中的其它参数如温度、pH值对镀层硬度和强度的影响也较为明显；添加剂的合理配制可以提高镀层的光泽度和平整度。但是这些参数对镀层金刚石分布的影响远低于溶液金刚石浓度、阴极电流密度和搅拌的作用。在本文中不作详细讨论。
　　基于上述电沉积工艺参数优化试验获得的超薄切割片样件（厚度0.02mm）表面边缘处的金刚石磨粒分布观测结果，可见所研制的超薄切割样件的磨粒分布达到了预期的均匀性。
　　4结论针对复合电沉积金刚石超薄切割片的结构与划片特点，提出了一种基于观测切割片表面外缘微元面磨粒数及其方差来评价金刚石超薄切割片磨粒浓度和均匀性的方法。复合电沉积工艺与其存在密切的相关性，能够很好地评价与说明其制造质量。
　　试验结果表明：在溶液金刚石浓度为15g/L，阴极电流密度为1A/dm2以及搅拌停歇时间比为1！10的条件下，复合电沉积超薄金刚石切割片磨粒分布的均匀性能够得到有效改善。合理地优化复合电沉积工艺参数，可以获得分布均匀致密、性能优良的超薄金刚石切割片。　
　

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