CN110193777A - 基于粘弹性材料的加工感应型研磨垫 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磨削加工领域，特别涉及一种研磨垫。所述研磨垫包括垫体和填充物，所述填充物包括粘合剂和磨料；所述粘合剂包括具有粘弹性的材料制成，所述垫体上至少部分附着有所述填充物。相对于现有技术，利用粘弹性材料来粘合磨料并将混合的填充物设置在研磨垫的垫体上，融合了固着磨粒研磨和游离磨粒研磨的优点，提高了加工效率，减少了工件表面的损伤；提高研磨精度。

Description

基于粘弹性材料的加工感应型研磨垫

技术领域

本发明涉及磨削加工领域，特别涉及一种研磨垫。

背景技术

第三代功率半导体(SiC、GaN)以及蓝宝石、GaAs(砷化镓)、金刚石等次世代半导体基板材料，未来将广泛应用于新能源汽车、大功率电器、5G通讯网络以及航空航天等尖端科技领域。因其材料优异的电子特性，由其材料制备的电子器件，具有体积小、损耗低的特点，能够实现大功率输出；节省开关过程中电流损耗的75％以上；实现大功率稳定的信息传输，为宇宙深空探索提供通讯保障；据分析，次世代半导体材料将在大功率、高频等领域，有望全面替代硅基半导体，到2030年市场规模将突破百亿美元。

随着半导体电子器件的性能要求的不断提高和需求量的增加，对其研磨抛光加工的要求也在不断提高，一方面要求表面质量，另一方面要求高效和低成本。而蓝宝石、SiC、GaN、GaAs等材料，硬度仅次于金刚石、物理化学特性极为稳定，难以进行研磨加工，属于硬、脆型难加工材料(下记难加工材料)，目前采用的加工工艺主要是，金属盘配合金刚石抛光液对基板表面进行研磨，虽然取得了较高的研磨效率，但由于金刚石磨粒硬度较大，会在基板表面产生较深的划伤，为表面抛光工序带来极大困扰，大幅增加了抛光时间。因此，如何解决上述矛盾，实现难加工半导体材料的高品质，高效率、低成本的研磨已经成为难加工半导体超精密加工领域的一项重要课题。此外，我国高端电子芯片严重依赖于进口，其主要原因是制造能力无法满足设计要求。因此，开发一种新的适合难加工材料的高品质、高效率、低成本的研磨工艺，将会大大推动我国次世代半导体产业化进程，提升国际竞争力。

目前开发的难加工半导体材料研磨技术主要包括强氧化剂增效研磨、金刚石砂盘磨削、等离子体侵蚀研磨等。强氧化剂增效研磨属于传统的研磨基础上增加强氧化剂的腐蚀作用，加工效率和表面品质较好，但强氧化剂会对设备产生一定损伤；金刚石砂盘研削，加工效率得到极大提升，但损伤层及表面品质较差，对后道抛光工序造成极大负担；等离子体侵蚀研磨，加工效率和表面品质较好，但设备昂贵操作复杂，并存在有害气体产生，不利于大规模工业生成。

综上所述，现有的难加工半导体材料加工技术，还存在需要更新改进的地方，无法满足市场对难加工半导体材料的需求。因此，迫切需要一种既能实现较高的加工效率和加工品质，又具有低成本及环保的新型研磨工艺方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于粘弹性材料的加工感应型研磨垫，该基于粘弹性材料的加工感应型研磨垫提高对硬、脆型材料加工效率，减少对工件表面的损伤；同时具有成本和对设备要求低，安全污染小的优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：所述研磨垫包括垫体和填充物，所述填充物包括粘合剂和磨料；所述粘合剂由具有粘弹性的材料制成，所述垫体上至少部分附着有所述填充物。

优选的，所述填充物是由粘合剂与所述磨料混合制成。

优选的，所述粘合剂占所述填充物总质量的40％～90％，所述磨料占所述填充物质量的10％～60％。

优选的，所述磨料的磨粒直径范围为0.1-30μm。

优选的，粘合剂包括：硅基高分子材料和/或有机高分子材料和/或有机硅氧树脂材料。

优选的，所述垫体为织物或内部包含有空隙和/或空腔的结构。

优选的，所述垫体材料包括纺布和/或聚氨酯树脂。

优选的，所述填充物以填涂形式固着于垫体表层。

相对于现有技术，利用粘弹性材料来粘合磨料并将混合的填充物设置在研磨垫的垫体上，融合了固着磨粒磨削和游离磨粒磨削的优点，提高了加工效率，减少了工件表面的损伤。磨料中的磨粒在非加工状态下由于承载磨料的粘合剂具有一定流动性从而令磨粒保持在一个平面上；在加工状态时粘合剂流动性降低固定住磨粒不动能够有效提高对工件的研磨速度，又由于磨粒与硬质砂轮相比更加平整能够减少对工件表面的损伤，提高研磨精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于粘弹性材料的加工感应型研磨垫使用时的剖视图；

图2为本发明实施例1和对比例1的对比图；

图3为本发明实施例2和对比例2的对比图；

图4为本发明实施例3和对比例3的对比图；

图5为本发明实施例4的结果图；

图6为本发明实施例5的结果图。

附图标记说明：

1-被研磨的工件 2-垫体

3-粘合剂 4-磨料

5-研磨液

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

根据本发明的一个方面，提供一种研磨垫，如图1到图6中所示的，所述研磨垫包括垫体2和填充物，所述填充物包括粘合剂3和磨料4；所述粘合剂3包括由粘弹性材料制成，所述垫体2上至少部分附着有所述填充物。

一种研磨垫，所述研磨垫包括能够用于研磨工件的磨料4和承载磨料4的粘合剂3；所述研磨垫能够在加工状态和非加工状态之间转换。

在非加工状态时，所述粘合剂3能够具有流动性，允许粘合剂3上磨料4的磨粒之间相对位置的变化。

在加工状态时，所述粘合剂3的流动性降低，能够粘合磨料4并使得研磨垫保持一定形状。

在本发明具体实施过程中所述粘合剂3可以是任意一种自身的流动性能够产生变化的物质；例如采用电流变液体，参与加工时施加电流令电流变液转化为固体性质；或者采用高分子材料亦可采用非牛顿流体。

磨料4采用比将要被打磨的工件硬度更高的材料制成，优选的采用金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化锰等一种或几种混合物，进一步优选的采用金刚石，金刚砂或刚玉制成，也可有多种材料混合；将所述磨粒设置在粘合剂3上，设置方法可以分布在粘合剂3的参与加工的表面上，优选的可将制成颗粒状的磨料4与粘合剂3充分混合。

在参与加工前，研磨垫呈现非加工状态，由于粘合剂3具有流动性，粘合剂3中的磨粒是以游离状态随机分布与各个位置，而表面存在的磨粒由于粘弹性材料的流动性特点，不论磨粒粒径大小，会形成均一的水平面；参与加工时研磨垫从非加工状态转换到加工状态，粘合剂3的流动性降低，使得粘合剂3与磨粒，磨粒与磨粒之间的相对位置难以发生变化，所以磨粒形成的均一水平面没有发生改变，所以与固着磨粒研磨的加工相比，不会出现应力集中的现象，同时减少了加工对于工件表面的损伤，同时加工时粘合剂3流动性降低呈现使得粘合剂3与磨粒之间相对位置难以改变，将研磨的滚动摩擦变成滑动摩擦，大大提高了加工效率。

为了简化研磨垫在加工状态和非加工状态的转换过程，利用研磨垫参与加工过程中自身的所处的环境变化快，将所述研磨垫在所述加工状态和所述非加工状态切换的诱变因素是粘合剂3所受外力的变化率；

所述粘合剂3受到外力的变化率越大所述粘合剂3的流动性越低，所述研磨垫会趋近于加工状态；反之，所述粘合剂3收到外力的变化率小时所述粘合剂3的流动性越高，所述研磨垫趋近于非加工状态。具有此类性质的物质包括各种非牛顿流体或者粘弹性材料。优选的粘合剂3为具有粘弹性的材料，进一步优选的粘弹性材料选用淀粉水混合物、硅氧树脂、聚异丁烯高分子、乙酸乙酯树脂、羟基硅氧烷树脂、异黄酮凝胶、苯乙烯-异苯乙烯-苯乙烯块、聚氨酯等可以单独或两种以上混合使用，进一步优选的选用硅基高分子材料和/或有机高分子材料和/或有机硅氧树脂材料。

优选的，为了提高研磨垫的使用寿命提高连续加工的时间长度，所述粘合剂3承载所述磨料4的方式为：将粘合剂3与所述磨料4混合。进一步优选的所述磨料4与所述粘合剂3的混合比为1:9-1:1.5。进一步优选的所述磨料4的磨粒直径范围0.1-30μm。

为了能够在非加工状态下令粘合剂3与磨料4保持一定的外型，同时为了提高研磨垫的强度，所述研磨垫还包括能够维持一定形状的垫体2，所述粘合剂3和所述磨料4设置于所述垫体2上；通过所述垫体2稳定非加工状态是的所述粘合剂3。

为了避免垫体2划伤工件表面，所述垫体2为柔性材料制成。所述的柔性材料可以是橡胶塑料纺织材料等柔韧性较好的材料制成；为便于附着填充物，优选的所述垫体2为织物或内部包含有空隙和/或空腔的结构；同样的填充物可采用浸入到垫体2中的方法将垫体2和填充物固着在一起。

进一步优选的，所述垫体2材料包括纺布和/或聚氨酯树脂。

为便于操作，优选的所述填充物以填涂形式固着于垫体2表层。

如图1中所示的，所述垫体2上开设有沟槽，所述填充物填充在所述沟槽内。所述沟槽优选的为环形或为放射状开设在垫体2的表面；同样的如果不在垫体2上开设沟槽，优选的则将填充物均匀的涂抹于所述垫体2的表层。

本发明在研磨时采用研磨液5能够提高研磨效率，所述研磨液5进一步的，研磨液5中添加化学添加剂，如活性剂、氧化剂或分散剂等，增强被研磨材料表面产生的化学作用，降低表面损伤层及划伤的产生；所述化学添加剂可以是酸、碱、盐金属氧化物、非金属氧化物或以上几种混合物；所述化学添加剂占研磨液5重量0-10％。

进一步的，被研磨材料与速度或压力感应型粘弹性研磨垫的相对运动方式，可以为圆周旋转运动、直线往复运动或以上两种的复合运动，可以根据研磨材料特性、形状特性、表面特征研磨速率、研磨品质等要求进行选取。

实施例1

以下，利用实施例进一步详细说明本发明，但本发明不限于这些实施例。

参照图2使用粘合剂3选用甲基硅氧树脂，在其中加入粒径1微米的金刚石磨粒为磨料4，搅拌均匀后，填涂于无纺布研磨垫表层制备成具有加工条件感应型的研磨垫。被研磨材料为2英寸SiC基板。下表1列出了研磨垫研磨条件：

表1基于粘弹性材料的加工条件感应型研磨垫研磨条件

使用加工条件感应型的研磨垫，分别在不同转速条件下对SiC基板进行1小时研磨，可以发现当磨盘旋转速度不断提高，材料去除效率得到大幅提升，加工后SiC基板表面粗糙度可以达到1nm左右。由此可见，该新型研磨垫对速度变化较为敏感，增加转速能够满足SiC基板的高效率、高品质的研磨。

比较例1

采用金属研磨盘对SiC基板进行研磨实验，除未使用本发明提供的研磨垫之外，与实施例1的其他实验条件均相同。结果如图2所示。

实施例2

如附图3所示，使用粘合剂3材料为甲基硅氧树脂，在其中加入粒径1微米的金刚石磨粒，搅拌均匀后，填涂于无纺布研磨垫表层制备成具有加工条件感应的研磨垫。被研磨材料为2英寸SiC基板。下表2列出了研磨垫研磨条件：

表2基于粘弹性材料的加工条件感应型研磨垫研磨条件

使用加工条件感应型研磨垫，分别在不同压力条件下对SiC基板进行1小时研磨，可以发现当加工压力增加时，材料去除效率得到提升明显，加工后SiC基板表面粗糙度可以达到1nm左右。由此可见，该新型研磨垫对加工压力变化响应强烈，增加加工压力同样能够满足SiC基板的高效率、高品质的研磨。

比较例2

采用金属研磨盘对SiC基板进行研磨实验，除未使用本发明提供的研磨垫之外，与实施例2的其他实验条件均相同。结果如图3所示。

实施例3

如附图4所示，使用粘弹性材料甲基硅氧树脂，在其中加入粒径1微米的金刚石磨粒，搅拌均匀后，填涂于无纺布研磨垫表层制备成具有加工条件感应的研磨垫。被研磨材料为2英寸蓝宝石基板。下表3列出了研磨垫研磨条件：

表3基于粘弹性材料的加工条件感应型研磨垫研磨条件

使用加工条件感应型研磨垫，分别在不同转速条件下对蓝宝石基板进行1小时研磨，可以发现当加工转速增加时，材料去除效率得到提升明显。由此可见，该新型研磨垫对蓝宝石基板加工也有明显效果，增加加工转速同样能够满足蓝宝石基板的高效率、高品质的研磨。

比较例3

采用金属研磨盘对蓝宝石基板进行研磨实验，除未使用本发明提供的研磨垫之外，与实施例3的其他实验条件均相同。结果如图4所示。

由上述实施例可见，该新型加工条件感应型研磨垫，可以满足蓝宝石、SiC、GaN、GaAs等难加工材料的高效高品质加工的要求。

实施例4

如附图5所示，使用粘弹性材料甲基硅氧树脂，在其中分别加入粒径0.1微米、1微米、3微米和5微米的金刚石磨粒，搅拌均匀后，填涂于无纺布研磨垫表层制备成具有加工条件感应的研磨垫。被研磨材料为2英寸SiC基板。下表4列出了研磨垫研磨条件：

表4基于粘弹性材料的加工条件感应型研磨垫研磨条件

使用加工条件感应型研磨垫，分别在不同磨粒粒径条件下对SiC基板进行1小时研磨，可以发现当磨粒粒径增加时，材料去除效率得到提升明显。由此可见，使用该新型研磨垫时，增大磨粒粒径对材料去除具有明显效果。

实施例5

如附图6所示，使用粘弹性材料甲基硅氧树脂，在其中加入粒径1微米、的金刚石磨粒，磨粒东渡分别调整为10wt％、20wt％、40wt％搅拌均匀后，填涂于无纺布研磨垫表层制备成具有加工条件感应的研磨垫。被研磨材料为2英寸SiC基板。下表5列出了研磨垫研磨条件：

表5基于粘弹性材料的加工条件感应型研磨垫研磨条件

使用加工条件感应型研磨垫，分别在不同磨粒浓度条件下对SiC基板进行1小时研磨，可以发现当磨粒浓度增加时，材料去除效率得到提升明显。由此可见，使用该新型研磨垫时增大磨粒浓度对材料去除也具有明显效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种研磨垫，其特征在于，所述研磨垫包括垫体(2)和填充物，所述填充物包括粘合剂(3)和磨料(4)；所述粘合剂(3)由具有粘弹性的材料制成，所述垫体(2)上至少部分附着有所述填充物。

2.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述填充物由所述粘合剂(3)与所述磨料(4)混合制成。

3.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述粘合剂(3)占所述填充物总质量的40％～90％，所述磨料(4)占所述填充物质量的10％～60％。

4.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述磨料(4)的磨粒直径范围为0.1-30μm。

5.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述粘合剂(3)包括：硅基高分子材料和/或有机高分子材料和/或有机硅氧树脂材料。

6.根据权利要求5所述的研磨垫，其特征在于，所述垫体(2)为织物或内部包含有空隙和/或空腔的结构。

7.根据权利要求6所述的研磨垫，其特征在于，所述垫体(2)材料包括纺布和/或聚氨酯树脂。

8.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述填充物以填涂形式固着于所述垫体(2)表层。