CN100429047C - 一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮属于硬脆晶体基片超精密加工技术领域，涉及一种硬脆晶体基片的超精密磨削砂轮。超精密磨削砂轮由配合环、基体环、和磨削层制成，砂轮的磨削层由磨料、粘结剂、填充料和气孔组成，其中填充料由pH调节剂，氧化剂和助抛剂三部分组成。砂轮的基体环装配在配合环上，并由六个均布内六角螺栓紧固成一体，配合环和基体环的材料为锻造铝合金；砂轮磨削层热压或者粘结在基体环上。砂轮磨削去除率高；磨削表面粗糙度低；硬脆晶体基片无划痕、凹坑、微疵点、微裂纹、位错等表面/亚表面损伤；砂轮成本低。
Description
技术领域
本发明属于硬脆晶体基片超精密加工技术领域，涉及一种硬脆晶体基片的超精密磨削砂轮。
背景技术
随着微电子和光电子技术的快速发展，对单晶硅、砷化镓、蓝宝石等硬脆晶体基片的加工要求越来越苛刻。一方面要求加工基片具有极高的平行度、平面度等几何精度；另一方面还要求有很高的表面/亚表面完整性，要求晶片表面粗糙度达到亚纳米级，表面/亚表面没有微划痕、微疵点、微裂纹、位错等缺陷和损伤。
目前，晶体基片加工工艺主要有研磨、磨削、化学腐蚀和化学机械抛光(CMP)等。通常，采用6～8μm的磨粒研磨后晶体基片表面粗糙度较高(Ra0.1～0.2μm)，表面损伤层深度达8μm以上。腐蚀主要用于去除研磨加工表面层损伤，由于腐蚀率难以稳定控制，必然影响晶体基片的几何精度和表面质量。最终主要应用化学机械抛光(CMP)获得亚纳米级粗糙度的无损伤表面，但是，化学机械抛光存在面型精度难以控制、加工成本高、生产率低、基片难以清洗等缺点。采用细粒度的金刚石(磨粒尺寸6～8μm)砂轮超精密磨削的方法具有加工效率高、加工精度高、加工成本低、自动化程度高等显著优点，在硬脆晶体超精密加工中逐渐代替研磨和腐蚀工艺，被认为是最具发展潜力的加工技术。但是，采用细粒度的金刚石砂轮磨削同样会在晶体基片表面产生划痕、微裂纹和晶格扭曲、位错等损伤，损伤层深度达1～2μm。为了消除磨削损伤层，需要通过后续的CMP获得超光滑无损伤表面，这无疑会增加加工工时和成本。特别是在超薄晶体基片的超精密磨削加工(如硅片的背面磨削减薄)时，磨削表面层损伤很容易引起基片的碎裂。因此，减小和消除磨削表面层损伤是硬脆基片超精密磨削急需解决的关键问题。在硬脆基片的超精密磨削过程中，砂轮特性参数是影响磨削表面层损伤的主要因素。研究新型结构和配方的超精密磨削砂轮，是实现硬脆晶体基片低、无损伤的超精密、低成本磨削关键，对于推动超精密磨削技术在半导体、光电晶体等硬脆基片超精密加工领域的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对利用现有的细粒度金刚石砂轮磨削硬脆晶体基片表面/亚表面损伤和缺陷，且成本高等问题，从而提供一种用于硬脆晶体基片磨削损伤层小、成本低的砂轮，使硬脆晶体基片无划痕、凹坑、微裂纹，减少基片磨削表面的碎裂，提高质量。
本发明采用的技术方案如下：一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮，砂轮的磨削层IV由磨料1、粘结剂2、填充料3和气孔4组成；超精密磨削砂轮由配合环I、基体环II和磨削层IV制成；砂轮的基体环II装配在配合环I上，并由六个均布内六角螺栓III紧固成一体，配合环I和基体环II的材料为锻造铝合金；砂轮磨削层IV热压或者粘结在基体环II上，磨料1的硬度比硬脆晶体基片硬度低或者相当，且能在磨削过程中与晶体基片表面产生物理化学作用，磨料1粒度选为1～3μm，材料选用二氧化铈、二氧化硅、碳酸钡或碳酸钙；砂轮的磨削层IV中的填充料3由PH调节剂，氧化剂和助抛剂三部分组成；磨削层IV中的成份按重量百分比分配为：磨料1重量占35～40％；填充料3中的PH调节剂重量占15～20％，氧化剂重量占5～10％和助抛剂重量占5～10％，其余为粘结剂2。
砂轮磨削层IV中的填充料3中的PH值调节剂，选用强酸弱碱盐或者强碱弱酸盐类化合物：碳酸钠、碳酸钾或碳酸氢钠；其中的氧化剂，选用过氧化纳、次氯酸钠、高锰酸钾或过氧化钙；其中的助抛剂，选用石墨粉或滑石粉。
本发明具有以下明显效果：砂轮磨削去除率高；磨削表面粗糙度低；硬脆晶体基片无划痕、凹坑、微疵点、微裂纹、位错等表面/亚表面损伤；砂轮成本低。
附图说明
图1是砂轮剖视图，其中：I-配合环，II-基体环，III-内六角螺栓，IV-磨削层。图2是砂轮左视图，图3是磨削层成份示意图，其中：1-磨料，2-粘结剂，3-填充料，4-气孔
具体实施方式
结合附图，详细说明本发明的具体实施。配置100g砂轮磨削层IV的配料：取重量为40g二氧化铈磨料，磨粒的粒径为3μm；称取重量为20g碳酸钠作为pH调节剂；称取重量为10g过氧化纳作为氧化剂；称取重量为10g滑石粉作为助抛剂；称取重量为20g酚醛树脂作为粘结剂；砂轮填充料3中的PH值调节剂，能够在磨削过程中提供酸性或者碱性加工环境，选用碳酸钠。砂轮填充料3中的氧化剂，能在磨削过程中氧化晶体基片表面，提高材料去除率，选用过氧化纳作为氧化剂。磨削过程中为增加砂轮的抛光性能，减小砂轮与晶体基片之间摩擦力，减小晶体基片表面划伤，促进超光滑表面的形成，选用了滑石粉为助抛剂。将以上配料均匀混合后，采用热压方式将磨削层IV热压到基体环II上，然后将基体环II装配到配合环I上，并采用六个均布内六角螺栓III将它们紧固装配成一体。然后进行砂轮的动平衡，在基体环II的端面进行调整，增重或者减重；砂轮磨削层IV磨损完后，仅需更换基体环II，而高精度、高成本配合环I可以重复使用。在基体环端面调整动平衡后，对单晶硅晶片作为样片进行磨削试验。
磨削后单晶硅基片表面SEM观测未发现微划痕、凹坑、微疵点等表面损伤。采用三维表面轮廓仪测量表面粗糙值Ra均小于0.8nm。采用截面透射电镜检测亚表面没有发现微裂纹和位错，加工表面/亚表面质量优于现有的砂轮磨削，达到化学机械抛光加工效果。磨削单晶硅基片材料去除率1μm/min以上，高于化学机械抛光的去除率0.1～0.2μm/min。
Claims (2)
1.一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮，砂轮的磨削层[IV]由磨料[1]、粘结剂[2]、填充料[3]和气孔[4]组成，其特征是，超精密磨削砂轮由配合环[I]、基体环[II]和磨削层[IV]组成；砂轮的基体环[II]装配在配合环[I]上，并由六个均布内六角螺栓[III]紧固成一体，配合环[I]和基体环[II]的材料为锻造铝合金；砂轮磨削层[IV]热压或者粘结在基体环[II]上，磨料[1]粒度选为1～3μm，磨料[1]的硬度比硬脆晶体基片硬度低，且能在磨削过程中与晶体基片表面产生物理化学作用，磨料[1]选用二氧化铈、二氧化硅、碳酸钡或碳酸钙；砂轮的磨削层[IV]中的填充料[3]由PH调节剂，氧化剂和助抛剂三部分组成；磨削层[IV]中各组成部分按重量百分比分配为：磨料[1]35～40％；填充料[3]中的PH调节剂15～20％，氧化剂5～10％和助抛剂5～10％，其余为粘结剂[2]。
2.如权利要求1所述的一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮，其特征是，砂轮磨削层[IV]中的填充料[3]中的PH值调节剂，选用强酸弱碱盐或者强碱弱酸盐类化合物：碳酸钠、碳酸钾或碳酸氢钠；氧化剂选用过氧化钠、次氯酸钠、高锰酸钾或过氧化钙；助抛剂选用石墨粉或滑石粉。
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