隨著LED技術(shù)的迅速發(fā)展，藍(lán)寶石晶體作為GaN芯片的主要襯底材料，其市場(chǎng)需求不斷增加。金剛石線鋸技術(shù)在藍(lán)寶石晶體切割中得到了廣泛應(yīng)用，藍(lán)寶石晶體的高硬度也給加工帶來(lái)了挑戰(zhàn)，切割所得藍(lán)寶石晶片的表面粗糙度和形貌是衡量切割質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過(guò)美能光子灣3D共聚焦顯微鏡的高精度測(cè)量，我們能夠深入分析不同切割參數(shù)對(duì)藍(lán)寶石晶片表面質(zhì)量的影響，從而為工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

由于藍(lán)寶石具有硬度高、耐高溫、耐腐蝕、透光性好以及整體性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種出色的多功能材料，它已在機(jī)械、半導(dǎo)體、通信、電子、航空航天、光學(xué)和軍事裝備等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，由于環(huán)保節(jié)能、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高等優(yōu)勢(shì)，LED技術(shù)發(fā)展迅速，而藍(lán)寶石晶體是LED生產(chǎn)中GaN芯片的主要襯底材料。藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)過(guò)程包括切片、研磨和拋光等多個(gè)工序，其中藍(lán)寶石晶體切片是襯底成型加工的第一道工序。

#Photonixbay.01

金剛石線鋸技術(shù)

金剛石線鋸技術(shù)已被廣泛用于藍(lán)寶石晶體的切片，在鋸切過(guò)程中，通過(guò)固定在鋸線表面的金剛石磨料對(duì)材料的切削作用去除材料。切片后晶圓的表面粗糙度和表面形貌是衡量其表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，藍(lán)寶石晶體硬度高(莫氏硬度9.5)，若切片后晶圓的表面粗糙度值較大，會(huì)增加后續(xù)研磨和拋光的成本。

金剛石線鋸鋸絲結(jié)構(gòu)示意圖

在脆性材料去除模式的鋸切過(guò)程中，切片后晶圓的表面粗糙度值越大，其亞表面微裂紋深度增加，因此切片后晶圓的表面粗糙度也可作為晶圓亞表面微裂紋深度的衡量指標(biāo)。所以，優(yōu)化鋸線切割工藝以降低晶圓表面粗糙度對(duì)于提高切割質(zhì)量至關(guān)重要。

#Photonixbay.02

實(shí)驗(yàn)探究

通過(guò)在一臺(tái)金剛石單線往復(fù)切割機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本研究中所用的鋸絲和試樣的參數(shù)如下表所示。

表1. 鋸絲和試樣參數(shù)

設(shè)置9組切削參數(shù)（如下表2），在每組參數(shù)下，切出3片原鋸片，并進(jìn)行超聲處理。選取三處不同位置，并利用共聚焦顯微鏡觀察其切割面的表面形貌以及沿試樣給進(jìn)方向的表面粗糙度。

表2. 切削參數(shù)

#Photonixbay.03

切削參數(shù)對(duì)切片表面粗糙度及形貌的影響

隨著給進(jìn)速度的增加，切片的表面粗糙度也隨之增加。這是由于隨著試樣給進(jìn)速度的增加，作用在切削區(qū)域的切削力增大，當(dāng)磨料的法向切削力大于臨界切削載荷時(shí)，磨料去除材料的方式為脆性去除。從圖b可以看出，隨著鋸線速度的提高，剛鋸切下來(lái)的晶圓表面粗糙度從1.320微米降至1.243微米。這主要是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)量隨鋸線速度的提高而增加，作用于切削區(qū)域的磨粒切削力減小，更多的磨粒參與切削從而降低了表面粗糙度。

切割參數(shù)對(duì)切片表面粗糙度的影響

(a:給進(jìn)速度；b:鋸絲速度；c:速度比)

從圖c展示了不同速度比下的表面粗糙度擬合曲線，隨著速度比從0.36X10-7增加到23.01x10-7，表面粗糙度從1.145微米增加到1.724微米。速度比的增加導(dǎo)致試樣給進(jìn)速度的增加量大于鋸絲速度的增加量，從而增大了磨料的切削深度，導(dǎo)致切片表面形貌惡化，表面粗糙度值增大。

下圖展示了9組切片在共聚焦顯微鏡下的表面形貌圖(左圖為二維(2D)形貌，右圖為三維(3D)形貌)。

切割參數(shù)對(duì)切片表面形貌的影響

#Photonixbay.04

不同進(jìn)給速度下的表面形貌

• 低進(jìn)給速度（Vf=0.05mm/min，圖a）：表面粗糙度Ra為1.104μm，表面沒(méi)有明顯的鋸切痕跡，但存在大量細(xì)小的坑洞。這是因?yàn)樵诘瓦M(jìn)給速度下，鋸絲的弓形角度較小，鋸絲對(duì)工件的壓縮作用較弱，導(dǎo)致鋸絲振動(dòng)加劇，從而在表面形成更多坑洞。
• 中等進(jìn)給速度（Vf=0.2mm/min，圖b）：表面粗糙度Ra為1.182μm，表面開(kāi)始出現(xiàn)明顯的鋸切痕跡，同時(shí)坑洞的數(shù)量和尺寸也有所增加。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增加導(dǎo)致切割力增大，磨粒的切削深度增加，從而更容易以脆性模式去除材料，導(dǎo)致表面形貌惡化。

高進(jìn)給速度（Vf=0.35mm/min，圖c；Vf=0.5mm/min，圖d）：表面粗糙度進(jìn)一步增加，分別為1.261μm和1.336μm。表面的鋸切痕跡更加明顯，坑洞數(shù)量和尺寸也進(jìn)一步增大。隨著進(jìn)給速度的增加，鋸切痕跡的間距增大，表面的不均勻性增加。

#Photonixbay.05

不同鋸絲速度下的表面形貌

• 低鋸絲速度（Vs=1000m/min，圖e）：表面粗糙度Ra為1.320μm，表面鋸切痕跡明顯，坑洞數(shù)量和尺寸較大。
• 中等鋸絲速度（Vs=1200m/min，圖f；Vs=1400m/min，圖g）：表面粗糙度分別為1.275μm和1.270μm，表面鋸切痕跡減少，坑洞數(shù)量和尺寸減小，表面形貌有所改善。

高鋸絲速度（Vs=1600m/min，圖h和圖i）：表面粗糙度進(jìn)一步降低至1.243μm和1.312μm，表面鋸切痕跡減少，坑洞數(shù)量和尺寸進(jìn)一步減小，表面形貌顯著改善。

#Photonixbay.06

總結(jié)

• 給進(jìn)速度的影響：隨著給進(jìn)速度的增加，表面粗糙度增加，鋸切痕跡和坑洞數(shù)量及尺寸增大，表面形貌惡化。
• 鋸絲速度的影響：隨著鋸絲速度的增加，表面粗糙度降低，鋸切痕跡和坑洞數(shù)量及尺寸減少，表面形貌改善。

速度比（Vf/Vs）的影響：當(dāng)速度比保持恒定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整切割參數(shù)獲得表面粗糙度和形貌相近的晶片，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

#ME-PT3000

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)，提供值得信賴(lài)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

• 超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

• 提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

通過(guò)本研究的實(shí)驗(yàn)和分析，我們明確了不同切割參數(shù)（如給進(jìn)速度、鋸絲速度和速度比）對(duì)藍(lán)寶石晶片表面粗糙度和形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明，降低給進(jìn)速度和提高鋸絲速度可以顯著改善晶片的表面質(zhì)量。此外，保持恒定的速度比可以在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)保證切割質(zhì)量。這些發(fā)現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)中金剛石線鋸切割工藝的優(yōu)化提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。同時(shí)，美能光子灣3D共聚焦顯微鏡在實(shí)驗(yàn)中的出色表現(xiàn)，也為材料表面微觀檢測(cè)提供了可靠的技術(shù)手段，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信在藍(lán)寶石晶體加工及其他相關(guān)領(lǐng)域會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。