CN115008356B - 一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法 - Google Patents

一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：(1)将砂轮用酚醛树脂、脂肪胺、白糊精和造孔剂混合均匀；(2)将步骤(1)所得的物料置于模具中，进行冷压和真空烧结，制成长方体状的硬质基底，该硬质基底上表面具有均匀分布的至少二凹槽；(3)将硬质磨料均匀分散于砂轮用软质结合剂中，再经固化成型，制成适配上述凹槽的形状尺寸的软质结块；(4)将上述软质结块通过粘结剂适配粘结于上述至少二凹槽内，经烘干修整，得到砂轮结块；(5)将上述砂轮结块通过粘结剂粘结于砂轮基座上，经烘干修整，即得到所述软硬复合结构减薄砂轮。

Description

一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法
技术领域
本发明属于半导体晶圆超精密加工工具技术领域，具体涉及一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法。
背景技术
伴随着科学技术的逐渐发展，半导体器件在人们生产生活中的地位已是不可或缺。然而随着半导体器件应用领域的不断扩大，就要求半导体能够在各种极端环境下依然能够保持很好的可用性而不易损坏。第一、二代半导体材料对此无能为力，于是第三代半导体材料便应运而生。目前，以碳化硅、氮化镓、金刚石为代表的第三代半导体材料凭借其优异的性能，已经成为未来半导体的主要研究方向。
第三代半导体因为其较高的硬度、较大的脆性以及稳定的化学性质，被视为典型的难加工材料。由于第三代半导体远高于单晶硅的硬度，传统的加工工具难以加工出能够达到表面质量要求的晶圆。因此，制备一种高效、低成本并且能够得到满足表面质量要求的晶圆的加工工具迫在眉睫。
CN108453640A公开了一种新型多层钎焊超硬磨料复合砂轮的制作方法；CN108356718A公开了一种钎焊cBN磨料插片复合砂轮的制造方法，以上两种技术方案的制备方法通过钎焊的模式将磨料固结在砂轮上；CN108188950A公开了一种超硬磨料陶瓷结块与树脂锆刚玉复合砂轮的制备方法，其树脂与陶瓷的复合结构也是一种软硬复合结构；CN104002252A公开了一种超细磨料生物高分子柔性抛光膜的制备方法，其核心是绿色抛光膜的制备，可以有效解决磨料的团聚问题，增强了生物高分子基材对无机磨料的把持能力。但以上技术方案都无法实现对磨粒出露高度的控制，进而实现无损伤的磨抛加工。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法，包括如下步骤：
(1)将砂轮用酚醛树脂、脂肪胺、白糊精和造孔剂以80-90∶2-5∶2-5∶5-10的质量比混合均匀；
(2)将步骤(1)所得的物料置于模具中，进行冷压和真空烧结，制成尺寸为20-22mm×3-5mm×5-7mm的长方体状的硬质基底，该硬质基底上表面具有均匀分布的至少二凹槽，该至少二凹槽的形状为长方体状，且该至少二凹槽的开口的总面积占该硬质基底上表面的面积的30-70％；
(3)将硬质磨料均匀分散于砂轮用软质结合剂中，再经固化成型，制成适配上述凹槽的形状尺寸的软质结块，硬质磨料与砂轮用软质结合剂的质量比为40-60∶40-60；
(4)将上述软质结块通过粘结剂适配粘结于上述至少二凹槽内，经烘干修整，得到砂轮结块；
(5)将上述砂轮结块通过粘结剂粘结于砂轮基座上，经烘干修整，即得到所述软硬复合结构减薄砂轮。
在本发明的一个优选实施方案中，所述砂轮用酚醛树脂为2123酚醛树脂。
在本发明的一个优选实施方案中，所述砂轮用软质结合剂为海藻酸钠凝胶、明胶和壳聚糖凝胶中的至少一种。
进一步优选的，所述砂轮用软质结合剂为海藻酸钠凝胶。
在本发明的一个优选实施方案中，所述硬质磨料为金刚石粉、氧化铝粉、立方氮化硼粉和碳化硅粉中的至少一种。
进一步优选的，所述硬质磨料的粒度为W0.5-10。
在本发明的一个优选实施方案中，所述造孔剂为PMMA微球或聚苯乙烯。
在本发明的一个优选实施方案中，所述粘结剂为环氧树脂。
在本发明的一个优选实施方案中，所述凹槽的深度为3-5mm。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)为：将砂轮用酚醛树脂、脂肪胺、白糊精和造孔剂以80-90％∶2-5％∶2-5％∶5-10％的质量百分比混合均匀。
本发明的有益效果是：本发明制备的软硬复合结构减薄砂轮能够控制磨粒的出露高度，使磨粒近似在同一水平面内对材料进行去除，并且拥有一种“整体硬，局部软”的结构，能够实现半导体衬底的无损伤磨抛加工并且得到高质量的表面，在半导体晶圆衬底的高效超精密加工领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的砂轮结块的结构示意图。
图2为本发明实施例1制得的硬质基底的结构示意图。
图3为本发明实施例1制得的软硬复合结构减薄砂轮加工工件时磨粒的状态图。
图4为本发明对比例1制得的砂轮加工工件时磨粒的状态图。
图5为使用本发明实施例1制得的软硬复合结构减薄砂轮加工后碳化硅衬底的表面形貌图。
图6为使用本发明对比例1制得的酚醛树脂减薄砂轮加工后碳化硅衬底的表面形貌图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)将2123酚醛树脂、脂肪胺、白糊精和PMMA微球以85％∶2.5％∶2.5％∶10％的质量比混合均匀；
(2)将步骤(1)所得的物料置于模具中，进行冷压(保压30s)和真空烧结(60℃，1h)，制成尺寸为21mm×4mm×6mm的长方体状的如图2所示的硬质基底(硬质结块)，该硬质基底上表面具有均匀分布且形状尺寸相同的二凹槽(齿槽)，该二凹槽的形状为长方体状，具体来说，该二凹槽的深度为4mm，宽度与硬质基底等宽为4mm，二凹槽的长度总和分组设置为硬质基底长度21mm的80％、70％、50％、30％和20％；
(3)将W3金刚石置于5wt％的海藻酸钠溶液中，依次经剪切分散、搅拌混合、涂覆抹平、固化成型和凝胶干燥后，制成适配上述凹槽的形状尺寸的软质结块，W3金刚石与海藻酸钠溶液的比例为50wt％∶50wt％；
(4)将上述软质结块通过环氧树脂适配粘结于上述二凹槽内，经烘干修整，得到如图1所示的砂轮结块；
(5)将上述砂轮结块通过环氧树脂粘结于砂轮基座上，经烘干修整，即得到所述软硬复合结构减薄砂轮。
使用该减薄砂轮对碳化硅衬底进行加工，通过3D光学轮廓仪对加工后的碳化硅衬底表面进行检测。如图3所示，在磨粒接触到衬底表面时，由于软质结块的存在，可以使较为突出的磨粒回缩，从而保证所有磨粒能够近似的在同一水平面内工作，实现小尺寸的去除，达到无损伤的磨抛加工，而硬质基底的存在又能在加工过程中使碳化硅衬底保持较高的面型精度。当二凹槽的长度总和为硬质基底长度21mm的80％时，由于软质结块的整体含量过高，导致结块整体结构偏软，无法加工出表面质量较好的碳化硅衬底；当二凹槽的长度总和为硬质基底长度21mm的70％时，由于软质结块的存在，其中的磨粒可以近似在同一水平面内对衬底进行材料去除，从而实现对碳化硅衬底的无损伤磨抛加工。使用3D光学轮廓仪对加工后的衬底表面进行检测，可以得到如图5所示的结果，可以看出加工后的表面较为光滑，没有较深划痕，且几乎没有表面损伤，平均表面粗糙度达到0.376nm。当二凹槽的长度总和为硬质基底长度21mm的30％和50％时，同样能够得到相类似的效果。当二凹槽的长度总和为硬质基底长度21mm的20％时，由于软质结块含量过少，结块内的磨粒过少，无法实现无损伤的高效磨抛加工，得不到较高表面质量的碳化硅衬底。
对比例1
(1)将2123酚醛树脂、W3金刚石、脂肪胺、白糊精和PMMA微球以45％∶40％∶2.5％∶2.5％∶10％的质量比混合均匀；
(2)将步骤(1)所得的物料置于模具中，进行冷压(保压30s)和真空烧结(60℃，1h)，制成尺寸为21mm×4mm×6mm的长方体状的硬质结块；
(3)将上述硬质结块通过环氧树脂粘结于砂轮基座上，经烘干修整，即得到酚醛树脂减薄砂轮。
使用该酚醛树脂减薄砂轮对碳化硅衬底进行加工。该砂轮没有实施例1的软硬复合结构，所以在加工时无法控制磨粒的出露高度，磨粒的状态图如图4所示。突出的磨粒会对衬底表面产生更深的划痕，从而无法得到较高表面质量的衬底。同时在加工的过程中，突出的磨粒往往会受到更大的力，更容易脱落，不但对砂轮的损耗有影响，还进一步导致表面质量的降低。使用3D光学轮廓仪对加工后工件表面进行检测，可以得到如图6所示的表面，可以看出加工后的表面较为粗糙，可以明显看出划痕，且有较大的表面损伤，平均表面粗糙度高达30.466nm。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种软硬复合结构减薄砂轮的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将砂轮用酚醛树脂、脂肪胺、白糊精和造孔剂以80-90∶2-5∶2-5∶5-10的质量比混合均匀；
(2)将步骤(1)所得的物料置于模具中，进行冷压和真空烧结，制成尺寸为20-22mm×3-5mm×5-7mm的长方体状的硬质基底，该硬质基底上表面具有均匀分布的至少二凹槽，该至少二凹槽的形状为长方体状，且该至少二凹槽的开口的总面积占该硬质基底上表面的面积的30-70％；
(3)将硬质磨料均匀分散于砂轮用软质结合剂中，再经固化成型，制成适配上述凹槽的形状尺寸的软质结块，硬质磨料与砂轮用软质结合剂的质量比为40-60：40-60；
(4)将上述软质结块通过粘结剂适配粘结于上述至少二凹槽内，经烘干修整，得到砂轮结块；
(5)将上述砂轮结块通过粘结剂粘结于砂轮基座上，经烘干修整，即得到所述软硬复合结构减薄砂轮。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述砂轮用酚醛树脂为2123酚醛树脂。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述砂轮用软质结合剂为海藻酸钠凝胶、明胶和壳聚糖凝胶中的至少一种。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述砂轮用软质结合剂为海藻酸钠凝胶。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述硬质磨料为金刚石粉、氧化铝粉、立方氮化硼粉和碳化硅粉中的至少一种。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述硬质磨料的粒度为W0.5-10。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述造孔剂为PMMA微球或聚苯乙烯。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为环氧树脂。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述凹槽的深度为3-5mm。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)为：将砂轮用酚醛树脂、脂肪胺、白糊精和造孔剂以80-90％∶2-5％∶2-5％∶5-10％的质量百分比混合均匀。
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