CN115091376A - 一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，由以下原料组成：金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉的质量比为（50～70）∶（10～30）∶（10～25）∶（10～15），陶瓷结合剂为低强度高流动性陶瓷结合剂，砂轮层为整环开槽切割分段型结构，并保留1～1.5mm厚度的非切割层。本发明的碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，可以实现对碳化硅晶圆高效率、高表面质量的减薄加工。
Description
技术领域
本发明涉及超硬磨料工具及其制备技术领域，特别涉及一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮。
背景技术
碳化硅材料具有禁带宽度大、导热性好、载流子迁移率高等优点，是第三代半导体材料的代表之一，尤其适合大功率、高温、高频和抗辐照等应用场合。随着5G、光伏发电、新能源汽车需求的持续驱动，加速了碳化硅晶圆市场的快速发展。虽然碳化硅作为晶圆材料具有优良的性能，但是相比第一代半导体硅材料，其莫氏硬度可达9.5，仅次于金刚石，大幅度增加了减薄加工中的难度，除常见的效率低、加工质量不稳定外，还容易飞片和碎片，影响了碳化硅晶圆的推广应用。
硅晶圆的减薄加工目前已经是成熟阶段，金刚石为磨料的树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂砂轮都有相应的产品。而碳化硅晶圆的减薄加工还处于探索发展阶段，三种结合剂的金刚石砂轮都在性能提升当中，当前最优的解决方案是日本进口陶瓷结合剂金刚石砂轮。国内的相关产品，不论是树脂结合剂，陶瓷结合剂，还是金属结合剂的金刚石砂轮，都无法满足性能要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，实现对碳化硅晶圆高效率、高表面质量的减薄加工。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其制备方法包括以下步骤：
（1）将金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉混合得到磨料层混合料；将磨料层混合料热压得到磨料层坯体；
（2）将磨料层坯体烧结，得到陶瓷结合剂金刚石砂轮层；
（3）将陶瓷结合剂金刚石砂轮层常规粘接在铝基体上，再经过常规机械加工，得到碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮。
上述技术方案中，所述金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉的质量比为（50～70）∶（10～30）∶（10～25）∶（5～15），优选为（50～58）∶（18～24）∶（11～18）∶（8～13）。
上述技术方案中，所述陶瓷结合剂包括二氧化硅、硼酸、碳酸钠、碳酸锂、氧化锰；优选的，陶瓷结合剂由二氧化硅、硼酸、碳酸钠、碳酸锂、氧化锰制备，进一步优选的，按质量百分数，二氧化硅35%～50%，硼酸30～40%，碳酸钠2.5～5%，碳酸锂8～15%，余量氧化锰，优选的，二氧化硅40%～50%，硼酸33～38%，碳酸钠2.5～4%，碳酸锂11～15%，余量氧化锰。
上述技术方案中，所述陶瓷结合剂的制备流程如下：
（1）将原料按照以下质量百分数混合均匀：二氧化硅35%～50%，硼酸30～40%，碳酸钠2.5～5%，碳酸锂8～15%，氧化锰1～3%；
（2）将所得混合料在熔块炉中1350℃～1500℃熔炼，冷却后球磨成粉体，通过325目标准筛，即为陶瓷结合剂。
上述技术方案中，所述造孔剂为PS（聚苯乙烯）树脂球，粒径50～100μm。
上述技术方案中，步骤（1）中，混合在研磨混料机中进行，混合的时间为1～3小时；热压的压力为10～20吨，压机上下板温度为170～200℃，热压的时间为15～30分钟。
上述技术方案中，步骤（1）中，磨料层坯体为砂轮磨削层整环结构；本发明磨削层整体成型，最后在开槽，提高了砂轮加工效果。
上述技术方案中，步骤（2）中，烧结的工艺为从室温经1.5～3小时升至280～320℃，保温1.5～2.5小时，然后经2.5～3.5小时升温至480～520℃，保温4.5～5.5小时，再经1.5～2.5小时升温至750～800℃，保温2.5～3.5小时，之后经1～3小时降温至400～550℃，保温0.5～1.5小时，最后随炉自然冷却。
上述技术方案中，步骤（3）中，机械加工为常规机械加工，比如车加工等；砂轮层的加工顺序为：砂轮层外圈磨加工、砂轮层内圈磨加工、砂轮层端面磨加工、砂轮层按角度均分开槽为32份，槽宽2mm（作为具体示例）。
申请人在生产试验中发现，碳化硅晶圆加工与硅晶圆加工不同，硅晶圆减薄砂轮可以通过大量的造孔并降低砂轮硬度的方法提高自锐性，实现树脂、陶瓷、金属三种结合剂对硅晶圆的加工，而这种办法在碳化硅晶圆的加工中，由于碳化硅硬度高，导致砂轮消耗太快，根本无法去除碳化硅晶圆的余量。国内常见的解决办法就是提高砂轮硬度或者提高结合剂的强度，此种办法虽然起初可以对碳化硅进行减薄加工，但是随着晶圆厚度减小，很容易导致晶圆碎片和飞片。本发明重新设计了砂轮思路，采用高浓度低强度金刚石磨料结合低强度高流动性的陶瓷结合剂，以及聚合物微球造孔，得到的砂轮出乎意料的实现对碳化硅晶圆的高效率加工，且加工品质好，符合客户要求。
由于上述技术方案的应用，本发明与现有碳化硅晶圆减薄砂轮技术相比具有下列优点：
1.本发明砂轮在碳化硅晶圆减薄过程中，能有效去除余量；实践证明，树脂和金属结合剂由于本身特性，无法制造高浓度的金刚石砂轮，尤其是不能用于去除碳化硅晶圆的余量。
2.本发明的技术方案改变了现有结合剂设计思路，结合剂对金刚石的润湿性好，在融化后的冷却过程中，完整包裹住金刚石颗粒，与通常的金刚石镶嵌于结合剂中不同，金刚石颗粒和颗粒之间的接触点通过少量结合剂粘接在一起，颗粒之间存在大量空迹，砂轮在微观结构可呈现“撒豆成兵”状态；而且金刚石颗粒磨钝后脱落快速，同时因为高浓度配方（指成型后的体积浓度），金刚石颗粒较多，周边金刚石开始参与磨削，不影响砂轮锋利性。
3.本发明的碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，砂轮层采用整环开槽切割分段型结构，并保留1-1.5mm厚度的非切割层，相比现有减薄砂轮结块式镶嵌粘接结构，整环结构在制备时候可以采用模具自转的刮料模式，整个砂轮硬度均匀性更好，而结块式只能手动刮平，结块硬度不均匀；采用开槽切割分段型结构，保留了容易排屑的优点，同时整环开槽切割分段型结构砂轮在加工过程中动不平衡量更小，加工更稳定。
总之，本发明针对碳化硅晶圆减薄开发新的砂轮，避免现有砂轮导致晶圆的碎片和飞片问题；保留一定厚的非切割层，可以增加整个砂轮层的强度，砂轮在机加工和使用过程中，砂轮层不容易碎裂；出乎意料的实现对碳化硅晶圆的高效率加工，且加工品质好，符合客户要求。
附图说明
图1是实施例中本发明砂轮的实物图；
图2是实施例中本发明的整环开槽切割分段型结构砂轮层示意图；
其中：1、砂轮层；2、基体；
图3是实施例中本发明砂轮磨削层的微观结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
本发明制备的碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮为整环开槽切割分段型结构的砂轮层，保留1～1.5mm厚度的非切割层，整体为环形。本发明的原料都为市售产品，具体制备方法以及加工方法为现有技术。机械加工为常规机械加工，比如：车加工等；作为示例，砂轮层的加工顺序为：砂轮层外圈磨加工、砂轮层内圈磨加工、砂轮层端面磨加工、磨削层按角度均分开槽，槽宽2mm，保留1mm厚度的非切割层。
本发明的陶瓷结合剂为低强度、高流动性陶瓷结合剂，其制备流程如下：将原料按照以下质量百分数常规混合：二氧化硅45%，硼酸36%，碳酸钠3%，碳酸锂14%，氧化锰2%；将所得混合料（10Kg）在熔块炉中1450℃熔炼，冷却后球磨成粉体，通过325目标准筛，取筛下物即为陶瓷结合剂，用于实施例（有特殊说明除外）。
如无特殊说明，以下例子中，金刚石磨料为微米级颗粒，伊格尔，EA-M19；造孔剂为PS树脂球，粒径50～100μm。
实施例一：一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，规格为250×25×190×3×5mm，制备方法如下：
（1）将质量比为55∶20∶15∶10的金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉在研磨混料机中混合2小时得到磨料层混合料；将磨料层混合料热压得到磨料层坯体，为砂轮磨削层整环结构，具体热压工艺为压力15吨，压机上下板温度180℃，热压时间20分钟；
（2）将磨料层坯体烧结，得到陶瓷结合剂金刚石砂轮层。具体烧结工艺为从室温经2小时升至300℃，保温2小时，然后经3小时升温至500℃，保温5小时，再经2小时升温至760℃，保温3小时，之后经2小时降温至500℃，保温1小时，最后随炉自然冷却；
（3）该步骤为常规技术，将陶瓷结合剂金刚石砂轮层常规粘接在现有铝基体上，再经过机械加工，得到碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，砂轮为整环开槽切割分段型结构的砂轮层，保留1mm厚度的非切割层，实物图见图1。砂轮层的加工顺序为：砂轮层外圈磨加工、砂轮层内圈磨加工、砂轮层端面磨加工、砂轮层按角度均分开槽，槽宽2mm，参见图2，砂轮层粘接在基体上，且开槽并保留非切割层，既有结块式容易排屑的优点，又有整环制备的稳定性，同时因为可以均分开槽，砂轮在使用过程中动不平衡量更小，加工更稳定，保留厚度的非切割层，可以增加整个砂轮层的强度，砂轮在机加工和使用过程中，砂轮层不容易碎裂。
图3为上述砂轮的微观照片，从图可以看出，本发明的碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，与现有金刚石镶嵌于结合剂中不同，金刚石颗粒和颗粒之间的接触点通过少量结合剂粘接在一起，颗粒之间存在大量空迹，砂轮在微观结构可呈现“撒豆成兵”状态，可实现对碳化硅晶圆高效率、高表面质量的减薄加工。
加工实施例
表1为本发明减薄砂轮与现有砂轮加工同规格碳化硅晶圆的对比状态。从表中可以看出，现有金属结合剂砂轮加工过程中，阻力较大，晶圆容易从吸盘飞出，导致晶圆损坏；现有树脂砂轮锋利性较差，容易导致晶圆边缘碎裂；因此，该两种砂轮在工业上不被用于碳化硅晶圆加工。目前，工业上利用陶瓷结合剂硅晶圆砂轮加工碳化硅晶圆，以市场反应最好的市售陶瓷结合剂硅晶圆砂轮为对照，其自身消耗快，加工效率低；本发明的碳化硅晶圆减薄砂轮，自身损耗大幅度降低，晶圆减薄效率提高大约4倍。与现有高性能砂轮一样，本发明加工后的碳化硅晶圆外观、粗糙度都很好。
实施例二
在实施例一的基础上，将步骤（2）的烧结工艺调整为从室温经2小时升至300℃，保温2小时，然后经3小时升温至500℃，保温5小时，再经2小时升温至760℃，保温3小时，之后随炉自然冷却；其余不变，得到碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，加工同规格碳化硅晶圆实验发现，该砂轮磨耗比偏低，为1∶11.88。
实施例三
将原料按照以下质量百分比混合均匀：二氧化硅45%，硼酸36%，碳酸钠3%，碳酸锂14%，氧化铝2%；将所得混合料（10Kg）在熔块炉中1450℃熔炼，冷却后球磨成粉体，通过325目标准筛，取筛下物即为陶瓷结合剂。
仅更换陶瓷结合剂，其余根据实施例一，制备得到陶瓷结合剂金刚石砂轮，加工同规格碳化硅晶圆实验发现，边缘碎片。
实施例四
仅将金刚石更换为高强度金刚石（伊格尔，EA-M60），其余根据实施例一，制备得到陶瓷结合剂金刚石砂轮，加工同规格碳化硅晶圆实验发现，该砂轮加工后产品表面有明显划痕。
实施例五 一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，制备方法如下：
（1）将质量比为60∶25∶8∶7的金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉在研磨混料机中混合2小时得到磨料层混合料；将磨料层混合料热压得到磨料层坯体，为砂轮磨削层整环结构，具体热压工艺为压力15吨，压机上下板温度180℃，热压时间30分钟；
（2）将磨料层坯体烧结，得到陶瓷结合剂金刚石砂轮层。具体烧结工艺为从室温经2小时升至300℃，保温2小时，然后经3小时升温至500℃，保温5小时，再经2小时升温至750℃，保温3小时，之后经2小时降温至500℃，保温1小时，最后随炉自然冷却；
（3）该步骤为常规技术，参照实施例一，将陶瓷结合剂金刚石砂轮层常规粘接在铝基体上，再经过机械加工，得到碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮。
实施例六 一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，制备方法如下：
（1）将质量比为58∶22∶12∶8的金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉在研磨混料机中混合1.5小时得到磨料层混合料；将磨料层混合料热压得到磨料层坯体，为砂轮磨削层整环结构，具体热压工艺为压力10吨，压机上下板温度170℃，热压时间25分钟；
（2）将磨料层坯体烧结，得到陶瓷结合剂金刚石砂轮层。具体烧结工艺为从室温经2小时升至300℃，保温2小时，然后经3小时升温至500℃，保温5小时，再经2小时升温至780℃，保温3小时，之后经2小时降温至500℃，保温1小时，最后随炉自然冷却；
（3）该步骤为常规技术，参照实施例一，将陶瓷结合剂金刚石砂轮层常规粘接在铝基体上，再经过机械加工，得到碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮。
实施例五以及实施例六的砂轮加工效果不如实施例一，不过都可用于加工碳化硅晶圆。
实际实验发现，碳化硅晶圆加工与硅晶圆加工不同，硅晶圆减薄砂轮可以通过大量的造孔并降低砂轮硬度的方法提高自锐性，实现树脂、陶瓷、金属三种结合剂对硅晶圆的加工，而这种办法在碳化硅晶圆的加工中不适用，根本无法去除碳化硅晶圆的余量，国内常见的解决办法就是提高砂轮硬度或者提高结合剂的强度，此种办法虽然起初可以对碳化硅进行减薄加工，但是随着晶圆厚度减小，很容易导致晶圆碎片和飞片。尤其是现有加工硅晶圆的树脂砂轮、金属砂轮，从实验看，无法用于加工碳化硅晶圆。本发明中，重新设计了砂轮思路，采用高浓度低强度金刚石、低强度高流动性的陶瓷结合剂以及高体积含量金刚石微粉颗粒结合聚合物造孔，保证在碳化硅晶圆减薄过程中能有效去除余量而且加工效果好，在明显提高效率的同时保证加工质量。
Claims (10)
1.一种碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
（1）将金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉混合得到磨料层混合料；将磨料层混合料热压得到磨料层坯体；
（2）将磨料层坯体烧结，得到陶瓷结合剂金刚石砂轮层；
（3）将陶瓷结合剂金刚石砂轮层常规粘接在铝基体上，再经过常规机械加工，得到碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮。
2.根据权利要求1所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，所述金刚石磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、酚醛树脂粉的质量比为（50～70）∶（10～30）∶（10～25）∶（5～15）。
3.根据权利要求1所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，所述造孔剂为PS树脂球，粒径50～100μm；所述磨料层坯体为砂轮磨削层整环结构。
4.根据权利要求1所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，所述陶瓷结合剂包括二氧化硅、硼酸、碳酸钠、碳酸锂、氧化锰；所述金刚石磨料为低强度金刚石磨料。
5.根据权利要求4所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，按质量百分数，二氧化硅35%～50%，硼酸30～40%，碳酸钠2.5～5%，碳酸锂8～15%，余量氧化锰。
6.根据权利要求1所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，步骤（1）中，混合在研磨混料机中进行，混合的时间为1～3小时；热压的压力为10～20吨，压机上下板温度为170～200℃，热压的时间为15～30分钟；步骤（2）中，烧结的工艺为从室温经1.5～3小时升至280～320℃，保温1.5～2.5小时，然后经2.5～3.5小时升温至480～520℃，保温4.5～5.5小时，再经1.5～2.5小时升温至750～800℃，保温2.5～3.5小时，之后经1～3小时降温至400～550℃，保温0.5～1.5小时，最后随炉自然冷却。
7.根据权利要求1所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮制备的碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮。
8.权利要求7所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮在晶圆减薄中的应用。
9.一种利用权利要求7所述碳化硅晶圆减薄用陶瓷结合剂金刚石砂轮减薄晶圆的方法。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，晶圆为碳化硅晶圆。
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