CN107042467A - 纳米深度损伤层机械化学磨削方法 - Google Patents

纳米深度损伤层机械化学磨削方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种纳米深度损伤层机械化学磨削方法，属于超精密加工技术领域。以氧化锌为结合剂，添加剂为氧化铈、氧化镁、氧化硅、碳化硅，磨粒为金刚石，尺寸为500‑1000nm。金刚石磨粒的重量百分含量为40‑50％，结合剂的重量百分含量为20‑25％，添加剂的重量百分含量为25‑40％。将压制的方块进行高温烧结，烧结时间2h，在350‑400℃下形成气孔，680‑700℃下玻璃态成形。超精密磨削时，砂轮转速为2200‑2400rpm，砂轮进给速率为4‑20μm/min。超精密磨削后，亚表面损伤层厚度可以达到45‑100nm，为纳米深度损伤层。本发明实现了硅片和玻璃纳米深度损伤层高效超精密磨削方法。

Description

纳米深度损伤层机械化学磨削方法
技术领域
本发明属于超精密加工技术领域，涉及超精密磨削的加工方法，特别涉及硅片和玻璃纳米深度损伤层高效超精密磨削方法。
背景技术
超过90％的半导体器件和大约80％的光伏产业的太阳能电池用硅片制造(Scientific Reports 6(2016)35269；5(2015)16395)，硅片广泛应用于半导体、微电子和光电子产业。玻璃应用于各行各业，如航空、航天、国防、汽车、建筑等领域。超精密磨削方法广泛应用于硅片和玻璃的超精密加工领域。现有的超精密磨削用砂轮，主要是#3000的树脂基金刚石砂轮，对应的金刚石磨粒尺寸为5μm，超精磨磨削硅片后的亚表面损伤层厚度为170nm。此外，还有#5000的陶瓷基金刚石砂轮，对应的金刚石磨粒尺寸为2μm，超精密磨削硅片后的亚表面损伤层厚度为160nm。目前市场上没有尺寸小于2μm的商业金刚石砂轮。因此，用商业金刚石砂轮超精密磨削硅片后，亚表面损伤层一般高于160nm，难以达到纳米深度损伤层厚度。但是，超精密磨削方法具有磨削效率高，面型精度好等综合优点，最终的化学机械抛光方法就是为了去除超精密磨削方法导致的亚表面损伤层。化学机械抛光方法是超精密加工中时间和成本最高的一种方法，超精密磨削获得的损伤层越薄，化学机械抛光用时越短，成本越低，因此，纳米深度损伤层超精密磨削对半导体、微电子、光电子等领域具有重要的现实意义。
但是，随着科技的发展，人们对超精密磨削的要求越来越高，传统的金刚石砂轮难以满足要求。纳米深度损伤层超精密磨削方法是国际先进制造领域的难点和热点问题，是高性能装备的核心关键制造技术，欧美、日本等发达国家均对超精密磨削工艺与装备进行严格的封锁与限制。国外也鲜有纳米深度损伤层超精密磨削工艺与方法的报道，是国际前沿的超精密加工方法。
发明内容
本发明的目的是采用陶瓷基金刚石砂轮，在机械化学复合作用下实现纳米深度损伤层高效超精密磨削方法。
本发明的技术方案：
一种纳米深度损伤层机械化学磨削方法，采用陶瓷基金刚石砂轮，在机械化学复合作用下实现纳米深度损伤层高效超精密磨削方法，其特征是：
(1)工件为硅片或玻璃；
(2)氧化锌为结合剂，添加剂为氧化铈、氧化镁、氧化硅或碳化硅；
(3)磨粒为金刚石，尺寸为500-1000nm；
(4)金刚石磨粒的重量百分含量为40-50％，结合剂的重量百分含量为20-25％，添加剂的重量百分含量为25-40％，将金刚石磨粒、结合剂和添加剂在室温下混合均匀，用等静压的方法在室温下压制成方块，压力为500-3000kg/cm2；
(5)将压制的方块进行高温烧结，在350-400℃下形成气孔，680-700℃下玻璃态成形，烧结时间1.5-2h，烧结后形成密度为1.4-2.5g/cm3的陶瓷基陶瓷块；
(6)陶瓷基陶瓷块均布粘接于铝合金沟槽中，形成陶瓷基金刚石砂轮；
(7)将陶瓷基金刚石砂轮安装于超精密磨床上，用碳化硅磨粒在铸铁盘上对陶瓷基金刚石砂轮进行整形，然后进行超精密磨削，磨削液为去离子水；
(8)超精密磨削时，陶瓷基金刚石砂轮的转速为2200-2400rpm，工件的转速为100-140rpm，陶瓷基金刚石砂轮的进给速率为4-20μm/min；
(9)超精密磨削后，工件表面粗糙度Ra达到0.9-1.5nm，PV值8-20nm，亚表面损伤层厚度45-100nm，为纳米深度损伤层。
工件为硅片或玻璃。硅片是半导体和光伏太阳能电池领域的垄断材料，玻璃广泛应用于航空、航天、军事、国防、汽车、建筑等各个领域，硅片放置于空气中，会形成纳米级氧化硅薄膜。玻璃的主要成分也是氧化硅，和陶瓷基金刚石砂轮机械化学磨削的反应机理是一样的，因此选择硅片和玻璃作为工件。
氧化锌为结合剂，添加剂为氧化铈、氧化镁、氧化硅或碳化硅。氧化锌常用于玻璃态结合剂制造砂轮，主要添加剂选择氧化铈、氧化镁、氧化硅、碳化硅中的一种，两种材料进行玻璃态成形时对温度不是特别敏感，因此容易获得稳定的玻璃态烧结工艺。为了获得陶瓷基金刚石砂轮的气孔，添加一种或者两种不同种类的陶瓷，在烧结时体积收缩率不同，更容易形成气孔。氧化铈在机械力的作用下，通过摩擦力产生磨削热，在机械与化学的复合作用下与硅或者二氧化硅发生还原反应，由四价铈还原成三价铈，从而实现机械化学磨削。氧化镁也是在机械力作用下，通过摩擦力产生的磨削热，在机械化学复合作用下，氧化镁与氧化硅反应，形成硅酸镁，实现机械化学磨削。碳化硅具有高硬度、高化学稳定性、高热导率、低断裂韧性等优点，可以作为金刚石脱落时的磨粒使用，直到新的金刚石磨粒露出。碳化硅还可以及时带走磨削时产生的磨削热，防止烧伤工件表面。氧化硅比碳化硅要软，而且能与碳化硅很好地结合，也常作为陶瓷添加剂使用。
磨粒为金刚石，尺寸为500-1000nm。金刚石是世界上已知最硬的物质，因此常用来作为砂轮的磨料。天然金刚石由于价格较为昂贵，因此采用人造金刚石。由于目前市场上传统金刚石砂轮的尺寸最小一般为2μm，而造成的亚表面损伤层厚度为160nm，因此，要实现纳米深度损伤层的机械化学磨削方法，选择的人造金刚石的尺寸范围为500-1000nm。金刚石的尺寸越小，单位面积上的金刚石数量越多，在同样的压力下，当个金刚石的受力越小，切入深度越小，造成的损伤层越薄。但是，过小的金刚石在应力的作用下结合剂会发生弹性变形，金刚石产生退刀现象，从而降低磨削效率。而且过小的金刚石也难以用陶瓷结合剂把持，容易脱落，因此选择500-1000nm的金刚石为宜。
金刚石磨粒的重量百分含量为40-50％，结合剂的重量百分含量为20-25％，添加剂的重量百分含量为25-40％，将金刚石磨粒、结合剂和添加剂在室温下混合均匀，用等静压的方法在室温下压制成方块，压力为500-3000kg/cm2。金刚石的体积百分含量是综合考虑磨削效率与磨削质量而定的。金刚石磨粒的体积百分含量过大，陶瓷结合剂难以把持，金刚石容易脱落，造成磨削效率降低，磨削质量变差的现象；体积百分含量过小，磨削效率降低，磨削主要靠结合剂来完成，砂轮将很快耗尽，磨削质量也变差，磨削成本上升。结合剂的重量百分含量是根据结合剂对金刚石磨粒的把持力、气孔形成、玻璃态的难易而定的。添加剂主要是用于机械化学反应、形成气孔，四种陶瓷添加剂进行机械化学反应、气孔形成的能力不同，因此，添加剂的重量百分含量为15-40％。在上述金刚石磨粒、结合剂、添加剂的体积和重量百分含量下，烧结而成的砂轮的密度为1.4-2.5g/cm3。采用等静压的方法将混合均匀的粉末压制成长方体小块，压力逐步增大成形，压力范围是500-3000kg/cm2。
将压制的方块进行高温烧结，烧结时间1.5-2h，在350-400℃下形成气孔，680-700℃下玻璃态成形，烧结后砂轮的密度为1.4-2.5g/cm3。高温烧结时，陶瓷结合剂金刚石砂轮气孔逐渐形成的温度范围为350-400℃，在680-700℃温度范围内调控玻璃态成形，玻璃态对陶瓷结合剂金刚石砂轮是非常重要的，对砂轮的磨削效率和磨削质量都有重要的影响，经过实验，在这个范围内调控温度容易形成玻璃态物质。
陶瓷块均布于铝合金沟槽中，用高强度胶进行粘接，形成金刚石砂轮。铝合金砂轮盘具有强度高重量轻的优点，而且在磨削的过程中要喷射去离子水，铝合金盘砂轮不容易生锈，可以长期使用。形成金刚石砂轮后，要进行动平衡实验，铝合金盘对于去除材料达到动平衡要求相对也较容易。
将砂轮安装于超精密磨床上，用碳化硅磨粒在铸铁盘上对砂轮进行整形，然后进行超精密磨削，磨削液为去离子水。用#600的碳化硅磨粒作为整形剂，在铸铁盘上进行整形，使金刚石砂轮的磨削面与工件垂直，并使得所有的砂轮块在一个平面上。
超精密磨削时，砂轮转速为2200-2400rpm，工件转速为100-140rpm，砂轮进给速率为4-20μm/min。综合考虑超精密磨削效率与磨削质量，并经过试验，磨削参数在这个范围内的磨削效果好。
超精密磨削后，工件表面粗糙度Ra达到0.9-1.5nm，PV值8-20nm，亚表面损伤层厚度45-100nm，为纳米深度损伤层。采用表面轮廓仪对磨削后的表面进行测试，表面粗糙度可以达到亚纳米级，波峰波谷PV值为8-10nm。用手工磨样或者采用聚焦离子束技术切割样品，制备成透射电镜样品，在高分辨场发射透射电镜下进行表征，亚表面损伤层厚度可以达到45-100nm，达到了纳米深度损伤层的高效超精密磨削效果。
本发明的效果和益处是采用玻璃态陶瓷基金刚石砂轮，用机械化学复合的方法实现硅片和玻璃的纳米深度损伤层高效超精密磨削方法。
附图说明
图1是氧化镁添加剂金刚石砂轮磨削硅片4μm/min亚表面损伤层TEM显微照片。
图2是氧化铈添加剂金刚石砂轮磨削硅片12μm/min亚表面损伤层TEM显微照片。
图3是氧化铈添加剂金刚石砂轮磨削硅片20μm/min亚表面损伤层TEM显微照片。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
制造两种陶瓷结合剂金刚石砂轮，一种是氧化镁添加剂的重量百分含量为23-25％，金刚石的重量百分含量为48-50％，氧化锌的重量百分含量为24-25％，添加少量的氧化硅和碳化硅，烧结后的陶瓷基金刚石砂轮的密度为1.4-1.6g/cm3；另一种是氧化铈添加剂的重量百分含量是38-40％，金刚石的体积百分含量是50％，结合剂的重量百分含量是20-22％，添加少量的氧化硅，烧结后的金刚石砂轮的密度为2.0-2.2g/cm3。用等静压的方法将两种砂轮的混合均匀的原料粉末在磨具中压制成长22mm、宽5mm、高10mm的长方形小块，压力为500-3000kg/cm2。压制成形后，进行高温烧结，在350-400℃下形成气孔，680-700℃下玻璃态成形。烧结完成后，将每种砂轮的44个小块均布于直径为350mm的铝合金圆盘圆周的沟槽中，沟槽深度为5mm，宽度为5.2mm，用高强度胶将砂轮块粘接固化。固化完成后，将砂轮进行动平衡实验，动平衡合格后，安装于Okamoto VG401MKII的超精密磨床上。安装完成后，用#600的碳化硅磨粒在铸铁盘上对金刚石砂轮进行整形，将碳化硅磨粒和去离子水混合均匀，作为整形液使用。整形完成后，用去离子水清洗砂轮，并更换铸铁盘为真空陶瓷吸盘，用去离子水冲洗干净。用6英寸的Si(111)商业硅片作为工件，硅片的一面经过了化学机械抛光，吸附于真空陶瓷吸盘上。另一面为腐蚀面，进行化学机械磨削。化学机械磨削时，超精密磨床的主轴转速为2399rpm，磨削速率为44m/s，工作台转速为120rpm，空气主轴的进给速率为4,8,12,16,20μm/min。超精密磨削时，磨削液为去离子水。超精密磨削完成后，用去离子水冲洗砂轮和硅片。磨削后的硅片表面用Zygo NewView 5022非接触超精密表面轮廓仪进行检测，采用氧化铈添加剂的金刚石砂轮化学机械磨削后的硅片表面粗糙度Ra为0.93-0.99nm，PV值为8.1-9.3nm。用手工磨样制备透射电镜样品，在Gatan 656凹坑仪中进行研磨，继续进行手工磨样，在Gatan 695离子减薄仪中进行离子减薄，制备成透射电镜样品。将样品在FEI Tecnai F20中进行场发射透射电镜表征，加速电压为200kV。超精密磨削时两个砂轮的主轴转速均为2399rpm，工作台转速为120rpm。添加氧化镁的金刚石砂轮主轴进给速度4μm/min时的硅片亚表面损伤层厚度为94nm，如图1所示。添加氧化铈的陶瓷结合剂金刚石砂轮主轴进给速度12μm/min时的硅片亚表面损伤层厚度为48nm，如图2所示；主轴进给速度20μm/min时的硅片亚表面损伤层厚度为56nm，如图3所示。

Claims (1)

1.一种纳米深度损伤层机械化学磨削方法，采用陶瓷基金刚石砂轮，在机械化学复合作用下实现纳米深度损伤层高效超精密磨削方法，其特征是：
(1)工件为硅片或玻璃；
(2)氧化锌为结合剂，添加剂为氧化铈、氧化镁、氧化硅或碳化硅；
(3)磨粒为金刚石，尺寸为500-1000nm；
(4)金刚石磨粒的重量百分含量为40-50％，结合剂的重量百分含量为20-25％，添加剂的重量百分含量为25-40％，将金刚石磨粒、结合剂和添加剂在室温下混合均匀，用等静压的方法在室温下压制成方块，压力为500-3000kg/cm2；
(5)将压制的方块进行高温烧结，在350-400℃下形成气孔，680-700℃下玻璃态成形，烧结时间1.5-2h，烧结后形成密度为1.4-2.5g/cm3的陶瓷基陶瓷块；
(6)陶瓷基陶瓷块均布粘接于铝合金沟槽中，形成陶瓷基金刚石砂轮；
(7)将陶瓷基金刚石砂轮安装于超精密磨床上，用碳化硅磨粒在铸铁盘上对陶瓷基金刚石砂轮进行整形，然后进行超精密磨削，磨削液为去离子水；
(8)超精密磨削时，陶瓷基金刚石砂轮的转速为2200-2400rpm，工件的转速为100-140rpm，陶瓷基金刚石砂轮的进给速率为4-20μm/min；
(9)超精密磨削后，工件表面粗糙度Ra达到0.9-1.5nm，PV值8-20nm，亚表面损伤层厚度45-100nm，为纳米深度损伤层。
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