因應III / V通訊半導體產業與光電產業不斷的進步，各種精密電子及光學元件製造技術的開發，使得硬脆材料的應用早已日漸普及。而常用的硬脆材料有單晶矽、陶瓷、寶石、玻璃及Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)等。這些材料都擁有許多優良的物理及光學特性且這些材料都具有高硬度及高脆度的特點，很容易在加工時對工件產生破壞。因此在加工方面有一定的難度，故極需開發一種既經濟又可行的加工方法。本研究為探討矽晶圓材料做鑽石刻劃試驗時，刻劃參數對矽晶圓的影響。首先我們利用套裝軟體ANSYS來模擬分析鑽石刀具刻劃硬脆材料時矽晶圓之破裂情形。在模擬分析過程中我們將刀具傾角做不同角度的改變，藉由模擬分析來探討刀具傾角的改變對於硬脆材料會產生何種影響。另一方面我們也與工研院合作進行矽晶圓刻劃分析，經由一些參數的改變（刀具傾角、刻劃負載、刻劃速度），並藉由斜拋腐蝕試驗來觀察表面以及次表面的破裂情形，以探究刻劃參數對硬脆材的影響。經由ANSYS 2D模擬分析我們可以得知，刀具傾角的加大有助於得到較集中的應力與應變效果。經由ANSYS 3D模擬分析我們可以得知，刀具傾角的加大會使工件產生的破壞增加；且當刀具傾角超過15度時，會在鑽石刀尖的3個尖角產生較大的應力集中現象，經由此現象我們也可以得知當刻劃角度大時，鑽石刀尖的方向會導引成脆性材破裂的方向。由實際刻劃實驗我們可以得知，隨著刀具傾角及刻劃負載的增加，中央裂紋的深度亦會增加，不過側向裂紋亦會隨之增加；而刻劃速度的增加側向裂紋亦會明顯的增加，然而刻劃速度的增加會降低中央裂紋的產生。

Owing to the fast development in semiconductor and opto-electronic industry, demands for precision devices/components made of brittle materials such as single crystal silicon, various glasses, and III-V group based compounds (GaAs, GaP…) are increasing rapidly for their advanced physical and/or optical properties. However, it is always a difficult task to grind, polish, turn and dice these hard and brittle materials to the specified roughness and/or dimension accuracy. Dicing operation is normally carried out when all the circuits are in place on the wafer and used to separate individual dies for packaging. This study aimed to investigate the fracture behavior during dicing silicon wafer by a diamond tool. Effect of dicing parameters such as rake angle, vertical load and dicing speed on the resulted crack propagation and chipping were studied. Finite element method was also adopted in this research to simulate the tool/wafer interaction during the dicing/scratching operation and the results were used to correlate to the experimental results. It was found that both median and lateral cracks introduced by the dicing operation increased with the tool tilt angle and vertical load. The lateral cracks would increase with the dicing speed while median cracks decreased.

目錄
中文摘要	I
英文摘要	III
致謝	V
圖目錄	IX
表目錄	XIII
第一章 序論	1
1-1 前言	1
1-2 研究背景	2
1-3 研究目的	3
第二章 文獻回顧與基礎理論	6
2-1  矽單晶材料特性	6
2-2  硬脆材料切斷加工法	8
2-2-1  機械性去除加工	8
2-2-2  熱能去除加工	9
2-2-3  機械性加工	9
2-3  鑽石加工技術	10
2-4  延性加工原理	10
2-4-1  犁平機制 (Ploughing Mechanism)	11
2-4-2 切削機制(Cutting Mechanism)	11
2-4-3 剝離機制(Delamination Mechanism)	12
2-5 脆性破壞機制(Brittle Fracture Mechanism)	13
2-6 破壞力學	17
2-7其他學者相關研究	20
2-8 有限元素分析基本理論	21
2-9 有限元素分析法	21
2-10 有限元素分析法 (LS-DYNA)	23
第三章 ANSYS分析鑽石刀具刻劃硬脆材料機制探討	26
3-1 ANSYS分析方式	26
3-2 ANSYS-2D模擬分析設定	28
3-2-1 材料性質設定與模型建構	28
3-2-2 網格劃分與設定元素性質	30
3-3 ANSYS-3D模擬分析設定	32
3-3-1 材料性質設定與模型建構	32
3-3-2網格劃分與設定元素性質	33
第四章 硬脆材料刻劃實驗	35
4-1切割機實驗規劃	35
4-1-1 加工材料	36
4-1-2 刻劃參數設置	36
4-2 實驗設備	36
4-3 刀具的選擇	37
4-4 分析檢測儀器	38
4-5 硬脆材料刻劃實驗	40
4-6 刀具傾角度量	42
4-7 斜拋腐蝕次表面分析	44
第五章結果與討論	47
5-1 ANSYS-2D模擬分析鑽石刀具刻劃硬脆材料機制探討	47
5-2 ANSYS-3D模擬分析鑽石刀尖對硬脆材料的影響	57
5-3 切割機刻劃矽晶圓分析	72
5-3-1 刀具傾角與刻劃形貌之關係	72
5-3-2 刻劃負載與刻劃形貌之關係	76
5-3-3 刻劃速度與刻劃形貌之關係	79
5-3-4 刻劃入口處的破裂情形	81
第六章 結論	84
參考文獻	86
附錄、實驗數值參數對照表	91

圖目錄
圖1.1矽晶圓刻劃與裂片機制	3
圖1.2 DICING SAW機台示意圖	3
圖1.3 (A)刻劃剖面圖(B)刻劃3D側視圖	4
圖2.1矽的金鋼石結構	6
圖2.2矽的(100)、(110)、(111)結晶面	7
圖2.3犁平機制示意圖	11
圖2.4切削機制示意圖	12
圖2.5材料在殘留應力下剝離本體，形成細長絲狀的切屑	13
圖2.6結構物體中張裂型裂縫形式撕裂型	14
圖2.7結構物體中滑裂型裂縫形式	14
圖2.8結構物體中撕裂型裂縫形式	15
圖2.9壓痕器會產生的中央裂紋(M)、徑向裂紋(R)、側向裂紋(L)	16
圖2.10破裂行為發展示意圖	17
圖2.11碳化鎢球頭刀刻劃玻璃刻劃示意圖	17
圖2.12 破裂力學涵蓋範圍	18
圖3.1 ANSYS分析流程圖	27
圖3.2 PLANE42元素示意圖	28
圖3.3 2D模型架構示意圖	29
圖3.4 2D模型網格劃分	31
圖3.5 SOLID164元素示意圖	32
圖3.6 3D模型架構示意圖	33
圖3.7 3D模型網格劃分	34
圖4.1矽晶圓刻劃分析流程圖	35
圖4.2刻劃切割機全貌(圖左)刀座與刀具近照(圖右)	37
圖4.3鑽石金字塔平頭刀之刀尖形貌	38
圖4.4 DEKTAK3ST表面粗糙度儀	39
圖4.5光學顯微鏡	40
圖4.6 掃描式電子顯微鏡	40
圖4.7 NULL ANGLE示意圖	41
圖4.8刀具改變傾角的模式(A)(B)	42
圖4.9壓紋及刻劃示意	42
圖4.10傾側刀具以調變主切刃劃線角度之示意圖	43
圖4.11傾角計算示意圖	43
圖4.12斜拋流程圖	44
圖4.13試片斜拋示意圖	45
圖4.14試片裂紋斜拋後示意圖	45
圖4.15裂紋深度計算示意	46
圖5.1刀具傾角0.3度時材料變形示意圖	47
圖5.2刀具傾角0.3度之壓痕示意圖	49
圖5.3刀具傾角0.3度之應力分佈圖	50
圖5.4刀具傾角0.3度之應變分佈圖(A)	50
圖5.5刀具傾角0.3度之應變分佈圖(B)	51
圖5.6刀具傾角1.7度之壓痕示意圖	51
圖5.7刀具傾角1.7度之應力分佈圖	52
圖5.8刀具傾角1.7度之應變分佈圖(A)	52
圖5.9刀具傾角1.7度之應變分佈圖(B)	53
圖5.10刀具傾角5度之壓痕示意圖	53
圖5.11刀具傾角5度之應力分佈圖	54
圖5.12刀具傾角5度之應變分佈圖(A)	54
圖5.13刀具傾角5度之應變分佈圖(B)	55
圖5.14刀具傾角10度之壓痕示意圖	55
圖5.15刀具傾角10度之應力分佈圖	56
圖5.16刀具傾角10度之應變分佈圖(A)	56
圖5.17刀具傾角10度之應變分佈圖(B)	57
圖5. 18刀具傾角10度刻劃示意圖	59
圖5. 19刀具傾角10度之應力分佈(A)-上視圖	59
圖5.20刀具傾角10度之應力分佈(B)-上視圖	60
圖5. 21刀具傾角10度之應力分佈(A)-剖面圖	60
圖5.22刀具傾角10度之應力分佈(B)-剖面圖	61
圖5. 23刀具傾角15度刻劃示意圖	61
圖5. 24刀具傾角15度之應力分佈(A)-上視圖	62
圖5.25刀具傾角15度之應力分佈(B)-上視圖	62
圖5. 26刀具傾角15度之應力分佈(A)-剖面圖	63
圖5.27刀具傾角15度之應力分佈(B)-剖面圖	63
圖5. 28刀具傾角19度刻劃示意圖	64
圖5. 29刀具傾角19度之應力分佈(A)-上視圖	64
圖5.30刀具傾角19度之應力分佈(B)-上視圖	65
圖5. 31刀具傾角19度之應力分佈(A)-剖面圖	65
圖5.32刀具傾角19度之應力分佈(B)-剖面圖	66
圖5.33刀具傾角1.7度刻劃示意圖	68
圖5.34刀具傾角1.7度之應力分佈-上視圖	68
圖5.35刀具傾角1.7度之應力分佈(A)-剖面圖	69
圖5.36刀具傾角1.7度之應力分佈(B)-剖面圖	69
圖5.37刀具傾角10度刻劃示意圖	70
圖5.38刀具傾角10度之應力分佈-上視圖	70
圖5.39刀具傾角10度之應力分佈(A)-剖面圖	71
圖5.40刀具傾角10度之應力分佈(B)-剖面圖	71
圖5.41刀座傾角示意圖	72
圖5.42刀具壓紋示意圖	72
圖5.43 相同負載時刀尖切入工件的示意圖	73
圖5.44傾角與刻劃形貌之關係(SEM照片)	74
圖5. 45刀座傾角與中央裂紋之數據分析	75
圖5.46刀座傾角與側向裂紋之數據分析	76
圖5.47大角度刻劃負載與刻劃形貌之關係(SEM照片)	77
圖5.48刻劃負載與中央裂紋之數據分析	78
圖5.49刻劃負載與側向裂紋之數據分析	78
圖5.50刻劃速度與刻劃形貌之關係(SEM照片)	80
圖5.51刻劃速度與中央裂紋之數據分析	81
圖5.52刻劃速度與側向裂紋之數據分析	81
圖5.53刻劃入口端的破裂情形	83

表目錄
表2. 1不同矽晶方向性質之比較	7
表2. 2矽單晶材料機械及物質特性	8
表2. 3綜合比較硬脆材料之切斷加工法優缺點	10
表3. 1 2D模型尺寸	29
表3. 2 ANSYS-2D材料設定指令	30
表3. 3工件與刀具進行網格劃分及指定材料的指令	32
表4. 1刻劃參數表	36
表4. 2使用檢測分析儀器	38

【1】許清鋒，“切割/刻劃加工硬脆材料時之破裂型態研究”，淡江大學機械與機電工程學系碩士學位論文，民國九十二年。
【2】陳孟群、陳貴榮、趙崇禮、賴志一、陳志明、譚子陵、江銘通，“III-V半導切割技術探討”，機械工業雜誌246期，pp. 205-222，民國九十二年。
【3】謝正寧，“精密光電元件之表面與次表面分析”，中正理工學院兵器系統工程研究所碩士學位論文，民國九十二年。
【4】http://www.loomisinc.com/technology/scribing.html
【5】http://www.loomisinc.com/technology/breakbar.html
【6】http://www.disco.co.jp/eg/news/corp/20020313.html
【7】Desa O., Bahadur S., “Material removal and subsurface damage studies in dry and lubricated single-point scratch tests on alumina and silicon nitride,” Wear, pp. 1264-1275, 1999.
【8】許瓊姿，“矽晶圓電解削銳輪磨與表面性狀研究”，中正理工學院兵器系統工程研究所碩士學位論文，民國八十九年。
【9】Tasi Y.L., Mecholsky J.J., “Fractal fracture of single crystal silicon,” Journal of Materials Research, Vol. 6, pp. 1248-1263, 1991.
【10】Chen C.P., Leipold M.H., “Fracture toughness of silicon,” Journal of the American Ceramic Society, Vol. 59, pp. 469-472, 1980.
【11】Leung T.P., Lee W.B., Lu X.M., “Diamond turning of silicon substrates in ductile-regime,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 73, pp. 42-48, 1998.
【12】林明獻，“矽晶圓半導體材料技術”，全華科技圖書股份有限公司，民國九十年。
【13】陳淑卿，“精密鑚石輪磨加工中spark-out對工件表面性狀影響之研究”，中正理工學院兵器系統工程研究所碩士學位論文，民國九十二年。
【14】王兆煒，“鑽石刀片切割矽晶片之破裂分析”，華梵大學機電工程研究所碩士學位論文，民國八十九年。
【15】Serope K., Stephen R.S., Steven S., “Manufacturing engineering and technology,” Addison-Wesley Publishing company, pp. 20-22, 1999.
【16】Puttick K.E., Rudman M.R., Smith K.J., Franks A., Lindesy K., “Single-point diamond machining of glasses,” Proc. Royal Soc, Vol. 426, pp. 19-30, 1989.
【17】Chao C.L., Gee A.E., IPES/ASPE Meeting, 18-19 Sept, Montery, CA, Abstracts, p. 259, 1989.
【18】Chao C.L., Gee A.E., ASPE Annual Meeting, 1991.
【19】Chao C.L., “Micro material removal mechanisms involved in the precision machining of brittle materials,” Proc. of Int. Meeting on New Glass Tech., pp. 154-165, 1992.
【20】Puttick K.E., Shahid M.A., Hosseini M.M., “Indentation hardness of glass as an energy scaling law,” J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 12, pp. 195-199, 1979.
【21】Puttick K.E., “ The phenomena of repture and flow in soilds, ” J. Phy., Vol. 13, pp. 2249-2254, 1980.
【22】Puttick K.E., Rudman M.R., Smith K.J., Franks A., Lindsey k., “Single-point diamond machining of glasses, ” Proc. Royal Soc, Vol. 426, pp. 19-30, 1989.
【23】施純霖，“超精密鑽石車削矽單晶之研究”，中正理工學院兵器系統工程研究所碩士學位論文，民國八十六年
【24】Niihara K., Morena R., Hasselman D.P.H., “Futher reply to comment on elastic/plastic indentation damage in ceramics: The median/radial crack system,” Journal of the American Ceramic Society, Vol. 65, p. 116, 1982.
【25】Le Houérou V., Sangleboeuf J.C., Dériano S., Rouxel T., Duisit G., “Surface damage of soda-lime-silica glasses: Indentation scratch behavior,” Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 316, Issue: 1, pp. 54-63, 2003.
【26】Ahn Y., Farris T.N., Chandrasekar, p. 143, 1998.
【27】Ahn Y., PhD thesis, Purdue University, USA, 1992.
【28】Bulsara V.H., PhD thesis, Purdue University, USA, 1997.
【29】Williams K.E., “Analytical models of scratch hardness,” Triboligy International, Vol. 29, pp. 675-694, 1996.
【30】吳夢嚴，“混凝土裂縫修補後強度及破裂韌性之研究-活性粉質砂漿及無收縮水泥砂漿”， 朝陽科技大學營建工程研究所碩士學位論文，民國九十二年。
【31】梁鈞泰，“斷裂現象中之統計物理”，中央研究院物理研究所，物理雙月刊廿四卷二期，pp. 328-333，民國九十一年。
【32】廖益盛，“以雙L型樑試驗量測複合材料貼片與混凝土界面之混合模式破壞韌性-數值分析”， 逢甲大學土木及水利工程研究所碩士論文，民國九十二年。
【33】Zhang B., Tokura H., Yoshikawa M., “Study on surface cracking of alumina scratched by single-point diamonds,” Journal of Materials Science, Vol. 23, pp. 3214-3224, 1988.
【34】Schaller T., Bohn L., Mayer J., Schubert K., “Microstructure groove with a width of less than 50µm cut with ground hard metal micro end mills,” Precision Engineering, Vol. 23, pp. 229-235, 1999.
【35】Gogotsi Y., Zhou G., Ku S.S., Cetinkunt S., “Raman microspectroscopy analysis of pressure-induced metallization in scratching of silicon,” Semiconductor Science and Technology, Vol.16, pp. 345-352, 2001.
【36】Yoshino M., Aoki T., Shirakashi T., Komanduri R., “Some experiments on the scratching inside an SEM and scratching under high external hydrostatic pressures,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol.43, pp. 335-347, 2001.
【37】Tsunetaka S., Masayoshi N., Toshiro E., Takayuki G., Satoshi K., “Evaluation of surface and subsurface cracks in nanoscale-machined single-crystal silicon by scanning force microscope and scanning laser microscope,” Materials Characterization, Vol.48, pp.141-145, 2002.
【38】Masayoshi N., Tsunetaka S., Toshiro E., “Evaluation of surface and subsurface cracks on nanoscale machined brittle materials by scanning force microscope and scanning laser microscope,” Surface and Coatings Technology, Vol.169-170, pp. 743-747, 2003.
【39】陳冠宏，“兩個垂直集中力分別作用在一個矩形長柱體的頂部表面中心和底部表面中心之解析解”，淡江大學機械工程研究所碩士學位論文，民國九十一年。
【40】康淵、陳信吉，“ANSYS入門”，全華科技圖書股份有限公司，民國九十一年。
【41】黃自然，“佈置多層鋼筋網之厚混泥凝土版之缺陷偵測”，國立台灣大學應用力學研究所碩士學位論文，民國九十二年。
【42】陳申岳，“ANSYS-有限元素法軟體實務產品可靠度分析”，全華科技圖書股份有限公司，民國九十二年。
【43】郭書豪，“中空方形薄管動態挫曲之數值研究”，中原大學機械工程研究所碩士學位論文，民國九十三年。
【44】http://www.oulu.fi/atkk/tkpalv/unix/ansys
【45】Youn S. W., Kang C.G., “A study of nanoscratch experiments of the silicon and borosilicate in air,” Materials Science and Engineering, Vol.384, pp. 275-283, 2004.
【46】陳精一、蔡國忠，“電腦輔助工程分析-ANSYS使用指南”，全華科技圖書股份有限公司，民國八十九年。
【47】陳皓怡，“微切削最小切屑厚度之研究”，國立清華大學動力機械工程研究所碩士學位論文，民國九十三年。
【48】http://140.110.4.17/~c00msl00/ansyshelp/Hlp_E_SOLID164.html
【49】陳貴榮、陳孟群、陳志明、賴志一、譚子陵、江錦忠，“影響切割裂片品質的因素探討”，機械工業雜誌258期，pp. 238-247，民國九十三年。