金刚石锯片切割硅与碳化硅晶圆的崩边尺寸控制研究综述

《Journal of Materials Research and Technology》：Chipping Size in Si and SiC Wafers Dicing with a Diamond Saw Blade – A Review

本文针对半导体制造中Si和SiC晶圆切割产生的崩边问题，系统综述了聚晶金刚石(PCD)锯片切割技术的优化策略。研究人员通过元分析方法，从刀具参数、工艺模式和工件特性三个维度总结了崩边尺寸最小化方案，发现预成型街区和晶向选择可使崩边尺寸降至36μm和3μm。该研究为高精度芯片封装提供了重要理论依据和实践指导。

　　

在半导体产业飞速发展的今天，硅(Si)和碳化硅(SiC)晶圆作为集成电路的核心基材，其加工质量直接决定着芯片性能的优劣。然而，这些硬脆材料在切割分离过程中极易产生边缘崩裂现象，就像切割玻璃时出现的毛刺一样，成为制约芯片良率提升的技术瓶颈。特别是在当前芯片尺寸不断缩小、集成度持续提高的背景下，微米级的崩边缺陷就可能导致整个集成电路失效。这种被称为"崩边"(chipping)的加工缺陷，不仅影响芯片的机械强度，更会引发电路短路等致命问题，成为高端半导体器件制造领域亟待突破的痛点。

为了解决这一行业难题，来自韩国岭南大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了系统性综述，深入探讨了聚晶金刚石(PCD)锯片切割技术中的崩边控制策略。研究人员采用元分析(meta-analysis)方法，对现有研究成果进行量化整合，首次从刀具特性、工艺参数和材料性质三个维度构建了完整的崩边控制理论框架。

在技术方法层面，该研究主要运用了力学建模、显微观测和工艺优化三大手段。通过建立切割力数学模型，分析了法向力F_n和切向力F_t对裂纹扩展的影响；利用扫描电镜等显微观测技术，对崩边形貌进行定量表征；采用多因素正交实验方法，系统优化了主轴转速、进给速度和切割深度等工艺参数。

2.1 切割力对崩边行为的影响

研究发现，切割过程中的力学行为遵循特定的矢量关系。通过动态测力仪测量发现，X轴和Z轴的切割力分量对崩边形成起主导作用，其合力F_r的大小和方向直接影响裂纹的扩展路径。当切割力与晶向呈特定角度时，更容易引发{111}滑移面的解理断裂。

2.2 崩边形成的阶段性特征

研究揭示了崩边形成的三阶段规律：初始阶段的30°贝壳状崩边、中间阶段的60°阶梯状崩边和最终阶段的90°半圆形崩边。特别值得注意的是，在(111)晶向的硅晶圆上沿[110]方向切割时，由于与<110>滑移方向家族形成最佳夹角，崩边尺寸最小可达3μm，仅占全部碎屑的47%。

2.3 裂纹形成机制

亚表面损伤深度研究发现，从晶圆中心到边缘的损伤深度呈梯度分布，<110>晶向的裂纹深度显著大于<100>晶向。通过控制切削参数实现韧性域加工(ductile-regime machining)，可有效抑制裂纹扩展，将亚表面损伤深度控制在7.29-12.77μm范围内。

3.1 工艺参数与崩边尺寸的关联性

参数优化实验表明，当主轴转速n=30000rpm时，进给速度f=1-3mm/s与切深a_p=100-225μm的组合能实现崩边尺寸<20μm的最佳效果。金属结合剂锯片在切割SiC时表现出更优性能，在n=20000rpm、f=4mm/s、a_p=0.1mm参数下，崩边面积可控制在80μm2以内。

3.2 街区预成型技术的突破

最具创新性的发现是街区预成型技术(street pre-forming)的应用。通过先用较宽锯片(27-32μm)进行预切割，再用标准锯片(25-30μm)完成精切，可使硅晶圆的崩边尺寸稳定在36.0-36.8μm。这种"分步切割"策略有效分散了切削应力，抑制了裂纹的随机扩展。

3.3 其他降崩边技术

研究还总结了双程切割(double-pass)、激光辅助切割等创新工艺。特别是激光预开槽与机械切割相结合的混合工艺，通过预先释放材料内应力，使芯片的机械强度和电学性能得到显著提升。

通过建立自然对数模型y=aln(x)+b，研究实现了崩边尺寸的精准预测。模型显示，采用#3500细粒度锯片(粒径5.67μm)时，崩边宽度可始终控制在10-12μm以内，显著优于#2000粗粒度锯片(粒径9.58μm)的15-20μm表现。该模型的确定系数R2达到0.84-1.00，展现出优异的预测精度。

这项研究的意义不仅在于提出了具体的工艺优化方案，更在于建立了完整的崩边控制理论体系。通过揭示切割力-材料各向异性-裂纹扩展的内在联系，为半导体制造业提供了从"经验摸索"到"理论指导"的技术转型路径。特别是在第三代半导体SiC加工需求日益增长的背景下，该研究成果对推动宽禁带半导体器件的产业化应用具有重要价值。未来，随着激光微加工、超声辅助切割等新技术的融合发展，晶圆切割精度有望向亚微米级迈进，为芯片性能的持续提升奠定坚实基础。