กลไกการแตกหักของแผ่นเวเฟอร์แก้วซิลิกาหลอมละลายในระหว่างกระบวนการขัดเงาทั้งสองด้าน

1. บทนำ

การขัดเงาสองด้าน (Double-sided polishing: DSP) เป็นขั้นตอนสุดท้ายและสำคัญที่สุดในกระบวนการแปรรูปเชิงกลของแผ่นเวเฟอร์แก้วซิลิกาหลอมเหลว นอกจากนี้ยังเป็นขั้นตอนที่ใช้เวลานานที่สุดและมีบทบาทชี้ขาดต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย.

ในระหว่างกระบวนการนี้ ข้อบกพร่องที่พบบ่อยบนพื้นผิว ได้แก่ หลุม รอยขีดข่วน ขอบบิ่น รอยแตก และการแตกหักของเวเฟอร์ทั้งหมด ในบรรดาข้อบกพร่องเหล่านี้ หลุมและรอยขีดข่วนสามารถลดหรือซ่อมแซมได้โดยการปรับปรุงกระบวนการและควบคุมสภาพแวดล้อม อย่างไรก็ตาม ขอบบิ่น รอยแตก และการแตกหักเป็นข้อบกพร่องที่ไม่สามารถแก้ไขได้และนำไปสู่การปฏิเสธเวเฟอร์โดยตรง.

สำหรับแผ่นเวเฟอร์ซิลิกาหลอมบางพิเศษ ข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการแตกหักยังคงเป็นความท้าทายหลักในการบรรลุผลผลิตสูงและการผลิตที่เสถียร.

2. ประเภทของข้อบกพร่องจากการแตกหัก

ข้อบกพร่องจากการแตกหักใน แผ่นเวเฟอร์แก้ว โดยทั่วไปจะประกอบด้วยสามประเภท:

• ขอบแตก (ขอบหัก)
  โดยทั่วไปนิยามว่าเป็นความเสียหายที่ขอบที่มองเห็นได้หรือชิ้นส่วนที่หายไปยาวกว่า 0.3 มิลลิเมตร.
• การแพร่กระจายของรอยแตก
  รอยแตกมักเริ่มต้นจากขอบที่บิ่นและค่อยๆ แผ่ขยายเข้าไปในตัวเวเฟอร์.
• กระดูกหัก (แตก) อย่างสมบูรณ์
  เมื่อรอยแตกแพร่กระจายภายใต้แรงกดดันในระหว่างกระบวนการหรือการจัดการเพิ่มเติม จะเกิดการล้มเหลวของเวเฟอร์อย่างรุนแรง.

ในทางปฏิบัติอุตสาหกรรม เมื่อตรวจพบการบิ่นของขอบแล้ว แผ่นเวเฟอร์มักจะถูกจัดประเภทเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่องและถูกนำออกจากการประมวลผลต่อไป เนื่องจากมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดความล้มเหลวในขั้นตอนถัดไป.

3. แหล่งกำเนิดของรอยแตกในระหว่างการขัดผิวสองด้าน

ในระหว่างกระบวนการ DSP, แผ่นเวเฟอร์จะผ่านสถานะการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนซึ่งถูกขับเคลื่อนโดย:

• การหมุนแผ่นด้านบน
• การหมุนแผ่นล่าง
• การหมุนของระบบสุริยะ
• การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ (ล้อจักรราศี)

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ เวิร์ฟจะประสบกับการเคลื่อนไหวที่ผสมผสานระหว่างการหมุนรอบตัวเองและการหมุนรอบแกน ทำให้การวิเคราะห์ความเค้นอย่างแม่นยำมีความซับซ้อนสูงมาก.

อย่างไรก็ตาม สถิติการผลิตแสดงให้เห็นแนวโน้มที่ชัดเจน: ข้อบกพร่องจากการแตกหักเกือบจะเริ่มต้นที่ขอบของเวเฟอร์เสมอ ซึ่งบ่งชี้ว่าความแข็งแรงของขอบเวเฟอร์เป็นปัจจัยหลักที่ควบคุมพฤติกรรมการแตกหัก.

4. ความแข็งแรงของขอบเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความล้มเหลว

ความต้านทานต่อการแตกหักของแผ่นซิลิกาหลอมละลายถูกกำหนดโดยความแข็งแรงของขอบเป็นหลัก.

เพื่อปรับปรุงความเสถียรทางกล แผ่นเวเฟอร์มักจะถูกทำให้ผ่านกระบวนการ การตัดมุมขอบ (การเฉือน), ซึ่งช่วยลดการสะสมของความเค้นที่ขอบ การออกแบบมุมลบมุมอย่างเหมาะสมจะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการแตกหักได้อย่างมีนัยสำคัญ.

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการป้องกันขอบแล้วก็ตาม หากใช้พารามิเตอร์การประมวลผลที่ไม่เหมาะสมหรือมีภาระทางกลที่มากเกินไป ก็อาจนำไปสู่การเริ่มต้นความล้มเหลวที่บริเวณมุมลบคมได้.

5. การวิเคราะห์ความเค้นที่ขอบเวเฟอร์

ในระหว่างกระบวนการ DSP ขอบของเวเฟอร์จะถูกกระทำด้วยแรงหลายชนิดร่วมกัน:

• F₁: แรงกดแนวดิ่ง
  ส่วนใหญ่เกิดจากแรงกดขัดจากแผ่นบน.
• F₂: แรงแนวนอน
  สาเหตุหลักเกิดจากแรงเหวี่ยงขณะหมุนและแรงปฏิกิริยาจากระบบพาหนะ.

ที่ขอบลาดเอียง แรงเหล่านี้สามารถแยกออกเป็น:

• แรงปกติที่ตั้งฉากกับพื้นผิวลาดเอียง
• แรงเฉียงขนานกับผิวขอบมน

สภาวะความเค้นรวมสามารถแสดงได้โดยการซ้อนทับของ:

• ความเค้นปกติ (ส่วนประกอบแรงอัด/แรงดึง)
• แรงเฉือน (ส่วนประกอบที่เลื่อน)

เมื่อความเค้นเหล่านี้เกินขีดจำกัดความแข็งแรงเชิงกลของซิลิกาที่หลอมแล้ว การเริ่มต้นรอยร้าวจะเกิดขึ้น โดยทั่วไปจะเริ่มที่ขอบและแพร่กระจายเข้าไปด้านใน.

6. กลไกการล้มเหลวในแผ่นเวเฟอร์บางพิเศษ

สำหรับแผ่นเวเฟอร์ซิลิกาหลอมบางพิเศษ (โดยทั่วไปมีความหนา < 0.3 มม.) ความเสี่ยงในการแตกหักจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากปัจจัยหลายประการ:

6.1 ความแข็งแรงของโครงสร้างลดลง

เมื่อความหนาลดลง ความแข็งแรงเชิงกลโดยรวมของเวเฟอร์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้ไวต่อความเค้นจากภายนอกมากขึ้น.

6.2 พื้นที่การป้องกันขอบลาดที่ลดลง

แผ่นเวเฟอร์บางพิเศษมีปริมาตรขอบมนและพื้นที่สัมผัสที่เล็กกว่ามาก ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการป้องกันจากการเจียระไนขอบลดลง.

6.3 การเพิ่มความเข้มข้นของความเค้น

ภายใต้เงื่อนไขการขัดเงาเดียวกัน:

• พื้นที่สัมผัสลดลง
• ความเค้นในท้องถิ่นต่อหน่วยพื้นที่เพิ่มขึ้น
• ความเข้มข้นของความเค้นที่ขอบเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความเค้นปกติและความเค้นเฉือนที่ขอบ.

7. บทสรุป

ความบกพร่องจากการแตกร้าวในแผ่นเวเฟอร์แก้วซิลิกาหลอมเหลวระหว่างการขัดเงาทั้งสองด้าน เกิดขึ้นหลักๆ จากความเค้นที่มากเกินไปบริเวณขอบเวเฟอร์ เมื่อความเค้นตามปกติและความเค้นเฉือนรวมกันเกินขีดจำกัดความแข็งแรงทางกลของวัสดุ จะทำให้เกิดการบิ่นที่ขอบ การขยายตัวของรอยแตก และการแตกหักในที่สุด.

เวเฟอร์บางพิเศษมีความเสี่ยงสูงเป็นพิเศษเนื่องจากความหนาที่ลดลง การป้องกันขอบที่อ่อนแอลง และการสะสมของความเค้นที่เพิ่มขึ้น.

ดังนั้น การปรับปรุงผลผลิตของเวเฟอร์จำเป็นต้องให้ความสำคัญอย่างมากกับ:

• การเพิ่มประสิทธิภาพความแข็งแรงขอบ
• การปรับปรุงการออกแบบมุมเอียง
• การควบคุมแรงดันในการขัดเงา
• การเพิ่มประสิทธิภาพความเร็วในการหมุน
• การปรับปรุงเสถียรภาพของกระบวนการ

โดยการควบคุมปัจจัยเหล่านี้อย่างรอบคอบ ความเสี่ยงของการแตกหักสามารถลดลงได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ผลผลิตสูงขึ้นและความน่าเชื่อถือในการผลิตเพิ่มขึ้นในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิกาหลอม.