CN100595032C - 一种软脆功能晶体磨削加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种软脆功能晶体磨削加工方法，属于软脆功能晶体加工技术领域，特别涉及半导体与光电晶体软脆功能晶体的超精密磨削加工方法。其特征是采用微粉金刚石分段变速进给和软磨料砂轮化学机械磨削方法加工软脆功能晶体。在粗磨阶段和精磨阶段砂轮的进给速度先大后小，磨削液为去离子水。然后采用带有孔隙的软磨料砂轮进行化学机械磨削，磨料为高分子聚合物或者防水树脂，填充料为NaHCO3或精萘发泡剂。采用化学机械磨削液作为发应液和冷却液，磨削液主要成分为乳酸、醋酸、硝酸和去离子水，其pH值为2-4。本发明的效果和益处是磨削加工效率高，加工成本低，表面精度高。不会在工件表面产生微划痕、游离磨料嵌入、塑性变形、残余应力等表面/亚表面损伤。
Description
技术领域
本发明属于软脆功能晶体加工技术领域，特别涉及半导体与光电晶体软脆晶体的磨削加工方法。
背景技术
随着半导体和光电技术的快速发展，新兴的软脆功能晶体对加工精度和表面质量提出了越来越苛刻的要求。软脆功能晶体加工表面不能有游离磨料的嵌入，具有非常高的表面完整性和加工质量。表面不能存在微划痕、微裂纹、崩边、凹坑、塑性变形、残余应力等表面和亚表面损伤，同时还要求表面粗糙度达到纳米级，这就要求加工表面具有超光滑无损伤的特征。而目前对这种新兴的软脆功能晶体仍然采用传统的研磨-抛光-化学腐蚀的方法来进行加工。这种传统的加工方法由于采用游离磨料进行研磨，使用比软脆功能晶体硬度高的磨料，白刚玉、二氧化硅、氧化镁等加工硬脆晶体采用的研磨剂。而这种较大颗粒的研磨剂极其容易嵌入软脆功能晶体，一旦嵌入，通过后续的抛光以及化学腐蚀方法很难去除，即使去除，也会在加工表面留下凹坑和较大的塑性变形，大大降低表面质量和完整性。而传统方法所采用的抛光为机械抛光或者化学抛光方法，机械抛光会在软脆功能晶体表面留下大量的微划痕、塑性变形和残余应力，化学抛光往往会使得晶体中心微突，由于边缘的去除率较中心要高。最终传统方法采用的2％溴甲醇溶液化学腐蚀的方法虽然可以去除部分损伤层，但是一般腐蚀后的表面会留下类似很多小溪的微沟，使得表面粗糙度下降。随着软脆功能晶体表面精度和表面完整性要求越来越高，传统的加工方法已经不能适应软脆功能晶体的超精密加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种软脆功能晶体磨削加工方法，解决表面软脆功能晶体表面磨料嵌入、微划痕、凹坑、崩边、塑性变形和残余应力等表面/亚表面损伤问题，实现加工表面具有纳米级粗糙度和良好完整性，同时具有高效、低成本、自动化的超精密磨削软脆功能晶体的方法。
本发明的技术方案是将软脆功能晶体放在真空吸盘1上，吸盘孔径为0.1-0.5mm，采用真空吸附的装卡方式装夹工件2，以避免采用机械装夹对工件造成划伤和塑性变形。在开始的粗磨和精磨阶段，采用微粉金刚石砂轮3作为磨削工具，砂轮主轴4边缘通过工件主轴的中心线，磨削液5为去离子水。在粗磨阶段，砂轮主轴4的转速为2000-2400r/min，砂轮进给速度为10-30μm/min，工件转速为200-400r/min，去离子水的流量为200-400ml/min，持续时间为3-10min，以去除软脆功能晶体切片时的亚表面损伤30-100μm左右。然后转为精密磨削阶段，同样采用金刚石砂轮，砂轮主轴4转速1000-2000r/min，磨削速度1-10μm/min，工件转速为50-200r/min，去离子水流量为50-200ml/min，持续时间为10-20min，以去除粗磨阶段的亚表面损伤10-20μm左右。
随后将金刚石砂轮3换为软磨料砂轮，软磨料砂轮采用防水树脂或者高分子聚合物作为磨料，添加剂采用NaHCO3或精萘等发泡剂，在高锰钢模具中经过150-300度恒温，压力为6-8MPa，保温25-50分钟，制备而成；或者采用绒毛抛光垫、聚氨酯抛光垫等高分子聚合物抛光垫经过裁减，树脂粘接或者胶粘接方法固定于砂轮基体表面制成含有孔隙的软磨料砂轮，将压制的软磨料砂轮用树脂或者胶粘接于铝盘等硬基体上，表面修整成平面，然后进行动平衡试验，试验合格后即可获得软磨料砂轮。另一种方法是加工带有齿形的铝等硬基体盘，将商用的高分子聚合物抛光垫，聚氨酯抛光垫、绒毛抛光垫等裁减成长宽高分别为22-28mm、4-6mm、4-6mm的小长方体形状，用树脂或者胶粘接于直径为300-400mm的铝基体圆周槽中，进行动平衡试验，合格后即可获得软磨料砂轮。
无磨料化学机械抛光液由乳酸、醋酸、硝酸和去离子水按照体积比16-21∶3-5∶0.5-2∶200-400制备而成，PH值为2-4，化学机械磨削时的流量为50-400ml/min。
然后采用软磨料砂轮进行化学机械磨削，砂轮主轴转速500-1500r/min，磨削进给速度为1-5μm/min，工件主轴转速为50-200r/min，化学机械磨削液的流量为50-400ml/min，持续时间为10-15min。化学机械磨削液的作用是让所特制的酸溶液与软脆功能晶体发生化学反应，弱化机械作用；即使在磨削接触的过程中，由于进给量非常小，法向载荷非常小，因此使得磨削液能够在软磨料的孔隙中大量存储，并与软脆晶体表面发生反应。软磨料化学机械磨削通过酸性磨削液的作用，将软脆功能晶体在磨削热和化学液的作用下分解成可融解于水的盐类，从而被磨削液带走，实现无磨料磨削，带走融解盐类的软脆功能晶体新鲜表面，重复上述反应，使得软脆功能晶体材料实现去除，本方法主要采用化学的融解作用，弱化了机械的摩擦作用，因此可以实现高效无应力磨削，产生超光滑无损伤表面。
本发明的效果和益处是与目前采用的传统的研磨-抛光-化学腐蚀方法相比，采用真空吸盘一次装卡工件，可以避免机械装卡对软脆功能晶体表面的划伤、塑性变形和残余应力的生成等。采用的微粉金刚石砂轮变速进给磨削和特制软磨料砂轮化学机械磨削方法，不采用游离磨料作为磨削液和磨料，可以有效避免硬质磨料在软脆功能晶体的嵌入、划伤、塑性变形和残余应力等缺陷。此外，本方法的化学机械磨削阶段，主要采用化学的融解作用去除材料，可以实现高效无应力磨削，从而达到高效超精密磨削的效果，获得超光滑无损伤的软脆功能晶体加工表面。
附图说明
附图是磨削加工原理示意图。
图中：1真空吸盘，2工件，3砂轮，4砂轮主轴，5磨削液。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
采用VG401MKII端面超精密磨床。用Cd0.96Zn0.04Te(110)作为软脆功能晶体样片，样片尺寸为10mm×10mm×1.5mm，红外光透过率＞60％。将工件用真空陶瓷吸盘将工件固定，真空吸盘的小孔直径为0.2mm。首先采用#3000金刚石砂轮进行粗磨，砂轮主轴转速2000r/min，磨削进给速度15μm/min，工件转速200r/min，去离子水流量300ml/min，持续时间10min，用以去除切片时的亚表面损伤层。然后进行精密磨削，砂轮主轴转速1500r/min，磨削进给速度5μm/min，工件转速150r/min，去离子水流量200ml/min，持续时间15min。将金刚石砂轮卸下，换上特制的软磨料多孔砂轮。软磨料砂轮采用聚氨酯和发泡剂高温压制而成，本次制作采用的是单齿锰钢磨具，共压制了36个齿，每个齿高5mm，宽4mm，长25mm，用树脂固定于铝盘的沟槽内，动平衡试验后性能良好，将软磨料多孔砂轮安装到精密磨床上。化学机械磨削液采用乳酸、醋酸、硝酸和去离子水按照20∶4∶1∶300混合均匀，PH为2.6。
软磨料砂轮精密磨削时主轴转速600r/min，磨削进给速度1μm/min，工件转速50r/min，化学机械磨削液流量300ml/min，持续时间15min。磨削后的CdZnTe单晶片经过乙醇超声抛光15min，然后用去离子水超声清洗5min，用压缩空气吹干，进行表面粗糙度检测。采用美国zygo公司的高分辨表面干涉仪，测量长度为71μm，宽度为53μm，测量表面没有任何的微划痕、凹坑、磨料嵌入等缺陷，在71μm×53μm的较大范围内，高度变化在-5.78-+6.19nm之间变化，变化幅度非常小，表面粗糙度值为0.852nm。因此，加工表面达到了超光滑无损伤超精密磨削的效果。
Claims (1)
1.一种软脆功能晶体磨削加工方法，采用真空吸盘装卡工件，基于工件自旋转磨削的方法，首先进行微粉金刚石砂轮磨削，磨削液为去离子水，然后进行软磨料砂轮化学机械磨削，磨削液为无磨料化学机械磨削液，实现单工序高效超精密磨削软脆功能晶体，其特征是：
(1)微粉金刚石砂轮磨削阶段，粗磨时砂轮主轴转速2000-2400r/min，磨削速度为10-30μm/min，工件转速为200-400r/min，磨削液为去离子水；精磨时砂轮主轴转速1000-2000r/min，磨削速度1-10μm/min，工件转速为50-200r/min，磨削液为去离子水；
(2)软磨料砂轮采用防水树脂或者高分子聚合物作为磨料，添加剂采用NaHCO3或精萘发泡剂，压力为6-8MPa，经过150-300度保温，保温时间为25-50分钟，制成软磨料砂轮；或者采用绒毛抛光垫、聚氨酯抛光垫、高分子聚合物抛光垫，经过裁减，树脂粘接或者胶粘接方法固定于砂轮基体表面制成含有孔隙的软磨料砂轮；
(3)化学机械无磨料抛光液由乳酸、醋酸、硝酸和去离子水按照体积比16-21∶3-5∶0.5-2∶200-400制备而成，PH值为2-4，化学机械磨削时的流量为50-400ml/min；
(4)软磨料砂轮进行化学机械磨削时，砂轮主轴转速500-1500r/min，磨削进给速度为1-5μm/min，工件主轴转速为50-200r/min，软磨料化学机械磨削通过酸性磨削液的作用，将软脆功能晶体在磨削热和化学液的作用下分解成可融解于水的盐类，从而被磨削液带走，实现无磨料磨削。
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