CN102119071B - 高孔隙率的玻璃化超级磨料产品以及制备方法 - Google Patents

高孔隙率的玻璃化超级磨料产品以及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种玻璃化的超级磨料产品包括一种超级磨料组分和一种玻璃化的粘合组分，该超级磨料组分被分散在该玻璃化的粘合组分中，其中该玻璃化的粘合组分限定了占据该玻璃化的超级磨料产品的总体积的约50％以上的孔隙。该玻璃化的超级磨料产品可以处于一种研磨工具的形式，例如一种研磨砂轮。一种超级磨料混合物包括一种玻璃粉末、一种超级磨料砂砾、一种粘合剂和一种碳化硅。该混合物可以处于一种生胚的形式，该生胚在一个气氛和压力下、并且在足以形成一种多孔的玻璃化的超级磨料产品的温度下被烧制。

Description

高孔隙率的玻璃化超级磨料产品以及制备方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年6月23日提交的美国临时专利申请序列号61/132,808的优先权，该申请通过引用结合在此。
技术领域
本发明总体上涉及一种玻璃化的金刚石超级磨料产品、以及一种制造该玻璃化的超级磨料产品的方法。
背景技术
因为这个世界正在向更薄并且更小的装置前进，所以对更薄的晶片(小于50微米)的需求正日益增加。为了实现研磨的硅晶片的更高强度，将要求使用更小的颗粒。在研磨过程中，该复合物微结构中的颗粒的尺寸的降低将减少所需要用于缩减来自该晶片的有效芯片厚度的力。缩减的芯片厚度的结果是，最终的研磨硅晶片的强度将增加。此外，在晶片制造技术方面新的发展正在向更大尺寸的晶片前进，由此在研磨过程中维持晶片的平坦性方面引起了越来越多的困难。
用于粗加工和精磨这些材料的许多常规的磨料工具包括金属粘合的超级磨料。通常地，金属粘合的磨料工具比玻璃粘合的工具每小时研磨更少的部分。此外，金属粘合的磨料工具可能污染这些待结合入电子装置中的组分的表面，由此严重地限制了它们用于研磨应用或切片硅晶片。
典型地，玻璃化的粘合的工具提供更高的刚度和低的退化，由此产生了产品中更好的耐受性、平坦性以及每个砂轮可以产生的部分的数量增加。虽然可以使用具有较低砂砾尺寸的玻璃化的粘合研磨工具，但由于低孔隙率或孔结构，它们典型地不具有足够的自修整能力。
树脂粘合物经常显示较高的磨损并且具有自修整能力。典型地，与使用玻璃化粘合物和具有类似砂砾尺寸的颗粒的研磨工具相比，树脂粘合物的相对低的刚度产生了更低的表面粗糙度或更好的光洁度。然而，当砂砾尺寸低于2微米时典型地不能使用树脂粘合物，因为在研磨期间这些颗粒被推入该顺性的树脂粘合物的内部，由此需要更高的施用压力并且因此造成该研磨表面处温度升高。结果，当具体地用于较大的晶片时，在研磨期间维持该晶片的可接受的平坦性变得更加困难。
用于背面研磨的一种优选的结构将是树脂粘合的超级磨料砂轮。树脂粘合的超级磨料砂轮的寿命就较小的颗粒而言是根本没有吸引力的。因此，对于具有自修整能力的具有更细颗粒的高孔隙率玻璃化超级磨料砂轮存在一种需要。
发明内容
本发明的玻璃化的超级磨料产品包括一种超级磨料组分和该超级磨料组分被分散其中的一种玻璃化的粘合组分，其中该玻璃化的粘合组分限定了占据该玻璃化的超级磨料产品的总体积的约50％以上的孔隙。
在另一个实施方案中，本发明是一种玻璃化的超级磨料，该玻璃化的超级磨料包括一种玻璃化的粘合组分，该玻璃化的粘合组分包括硅石并且具有为该玻璃化的金刚石磨料的总体积的至少约50％的孔隙率。一种超级磨料组分被分散在该玻璃化的粘合组分中。该超级磨料组分基本上由颗粒组成，这些颗粒具有在约0.5微米与约60微米之间的范围内的数均粒度，并且其中该超级磨料组分与该玻璃化的粘合组分的体积比率是在约3∶2与约1∶99之间的范围内。
在又一个实施方案中，本发明是针对一种研磨工具，该研磨工具包括一个基座和位于该基座的表面处的一个玻璃化的超级磨料组分。该玻璃化的超级磨料组分包括一种超级磨料组分和该超级磨料组分被分散其中的一种玻璃化的粘合组分。该玻璃化的粘合组分限定了占据该玻璃化的超级磨料组分的总体积的约50％以上的孔隙。
在又一个实施方案中，本发明是一种超级磨料混合物，该超级磨料混合物包括一种玻璃粉末、一种超级磨料砂砾、一种粘合剂和一种碳化硅。在一个具体的实施方案中，该玻璃粉末包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化铝(Al2O3)、碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O)以及碱土金属氧化物(CaO、MgO、BaO)。该超级磨料砂砾包括具有的数均粒度在约0.5微米与约60微米之间的范围内的金刚石微粒，并且其中该超级磨料砂砾与玻璃颗粒的体积比率是在约3∶2与约1∶99之间的范围内。该粘合剂包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：聚乙二醇、水、聚乙二醇与水的一种混合物以及胶态硅石。碳化硅是以颗粒的形式存在，这些颗粒具有在约0.1微米与约20微米之间的范围内的数均尺寸。该碳化硅在该混合物中是在该混合物的玻璃粉末、超级磨料砂砾、粘合剂以及碳化硅组分的总量的约0.1体积百分比与约5体积百分比之间的范围内存在。
在一个另外的实施方案中，本发明是针对形成一种玻璃化的超级磨料的一种方法，该方法包括由一种玻璃粉末、一种超级磨料砂砾、一种粘合剂以及碳化硅的混合物形成一种生胚的步骤。将该生胚在一个气氛和压力下、并且在足以使该碳化硅氧化的温度下进行烧制。
本发明具有几个优点。例如，使用碳化硅作为一种发泡剂为一种玻璃化的产品提供了相对高的孔隙率。因此，该产品具有能够粘合具有相对小尺寸的超级磨料颗粒的优点，并且还具有足够的孔隙率以进行自修整而无需牺牲必须用来有效地抛光较大硅晶片的强度。结果，与通过玻璃化的粘合磨料产品典型地得到的相比，本发明的这些玻璃化的超级磨料产品产生相对低的表面粗糙度以及更好的光洁度，同时保留玻璃化的超级磨料工具的这些优点。
孔隙率在研磨中起重要作用。孔隙率控制了该工件与该复合物微结构之间的接触面积。孔隙率还促进冷却剂在该微结构的周围移动以保持该研磨表面的温度尽可能的低。
通过孔径围绕平均孔径紧密分布而定义的结构的均匀性直接关系到一种一致且稳定的研磨性能。比平均孔径大得多的孔作为了缺陷并且对研磨的一致性有不利影响。而且，长径比提供了对该结构的均匀性的另一种量度。接近于1的一个值表示高程度的均匀性。本发明提供了孔径的紧密分布、低缺陷含量和接近1的长径比的一种组合。
附图说明
该图是采用了本发明的一种玻璃化超级磨料产品的一种工具的一个实施方案的截面。
具体实施方式
从以下对本发明的示例性实施方案的更具体的说明中上述内容将是清楚的，这些实施方案是如附图中所展示是，其中贯穿这些不同的视图类似的参考符号指代相同的部分。这些图不必是按比例的，而是将重点放在展示本发明的多个实施方案上。
本发明总体上涉及玻璃化的超级磨料产品、它们的前体、以及它们的制造方法。
如在此使用的术语“超级磨料”是指具有的在努氏硬度标度上测量的硬度至少为立方氮化硼(CBN)的硬度(即至少4,700的K100)的磨料。除了立体氮化硼之外，超级磨料材料的其他实例包括天然的和合成的金刚石。适当的金刚石或立方氮化硼材料可以是结晶的或多晶的。优选地，该超级磨料材料是金刚石。该超级磨料材料是处于颗粒的形式，也称为“砂砾”。本发明的超级磨料颗粒组分可以商购或可以定制生产。总体上，本发明中使用的超级磨料具有的数均粒度是在约0.5微米(微米，μm)与约60μm之间的范围内。优选地，该粒度是在约1μm至约60μm之间的范围内。一个特别优选的尺寸是1-2μm。如在此使用的术语“数均”是指中位数、或该颗粒总体的一半高于该数值并且一半低于该数值的一个数值。
在一个实施方案中，该超级磨料颗粒组分存在的量值按体积计是该超级磨料工具的至少约0.1％。在另一个实施方案中，该超级磨料颗粒组分存在的量值是在该超级磨料工具的按体积计约1％与约20％之间的范围内，更优选地在该超级磨料工具的按体积计约2％与约10％之间。
在一个实施方案中，本发明的玻璃化的超级磨料产品包括一种超级磨料组分，该超级磨料组分包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：金刚石、立方氮化硼、氧化锆和氧化铝。
在一个实施方案中，该玻璃化的超级磨料产品的超级磨料组分是金刚石。在一个特别优选的实施方案中，该玻璃化的超级磨料的金刚石与玻璃化粘合组分的体积比率是在约3∶2到约1∶99之间的范围内。
该玻璃化的粘合组分是一种适当的玻璃化粘合组分，例如本领域中已知的。适当的玻璃化粘合组分的实例包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化铝(Al2O3)、碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O)以及碱土金属氧化物(CaO、MgO、BaO)。
典型地，本发明的玻璃化超级磨料产品被配制为一种研磨工具的至少一个组分。一个适当的研磨工具的一个实例是一个砂轮。
在一个优选的实施方案中，该玻璃化的超级磨料产品是一个固定磨料垂直转轴(FAVS)。图中示出了一种FAVS的一个实例。如该图中所示，工具10被配置为一个砂轮，该砂轮具有围绕一个轴14的一个基座12。砂轮的突出的周边16支撑了围绕基座12周边的磨料区段18。磨料区段是本发明的一种玻璃化超级磨料产品的一个实施方案。典型地，基座将具有在约六英寸与约十二英寸之间的范围内的一个直径，该磨料区段的高度将是在约2毫米(mm)与约20毫米之间的范围内，并且具有约2毫米与约10毫米之间的宽度。如参照该图所述的砂轮适合用于通过环绕它们的轴旋转进行晶片的研磨。在一个晶片的轴的旋转的逆时针方向上被该工具研磨。通过使用关于该图总体上描述的研磨砂轮来研磨晶片的方法在本领域中是已知的。
在另一个实施方案中，本发明是一种超级磨料混合物，该超级磨料混合物包括一种玻璃粉末、一种超级磨料砂砾、一种粘合剂以及碳化硅。在一个特别优选的实施方案中，该超级磨料砂砾包括金刚石微粒。总体上，超级磨料砂砾与玻璃粉末的体积比率是在约3∶2与约1∶99之间的范围内。适当的玻璃粉末的实例包括二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化铝(Al2O3)和氧化钾(K2O)。优选的玻璃粉末或“玻璃料”是具有相对低的玻璃转变温度(例如在约450℃与约800℃之间的范围内)的那些。
适当的粘合剂的实例包括聚乙二醇、水、聚乙二醇与水的一种混合物以及胶态硅石。
在一个实施方案中，该SiC是来自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.，Worcester，MA的1200粒度的“37C”SiC。优选地，该碳化硅在该混合物中是在该混合物的玻璃粉末、磨料砂砾、粘合剂以及碳化硅组分的总量的约0.1体积百分比与约5体积百分比之间的范围内存在。
在一个特别优选的实施方案中，该超级磨料混合物包括一种玻璃粉末，该玻璃粉末包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化铝(Al2O3)、碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O)以及碱土金属氧化物(CaO、MgO、BaO)。该超级磨料混合物的磨料砂砾包括具有的数均粒度在约0.5微米与约60微米之间的范围内的一种金刚石微粒，并且其中该超级磨料与玻璃颗粒的质量比率是在约3∶2与约1∶99之间的范围内。该粘合剂包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：聚乙二醇、水、聚乙二醇与水的一种混合物以及胶态硅石。该超级磨料混合物的处于颗粒形式的碳化硅具有在约0.1微米与约20微米之间的范围内的数均粒度，其中该碳化硅在该混合物中存在的量值是在该混合物的玻璃粉末、磨料砂砾、粘合剂以及碳化硅组分的总量的约0.1与约5体积百分比之间的范围内。在一个实施方案中，该超级磨料混合物是对于一种玻璃化超级磨料产品的一种生胚前体。
形成本发明的一种玻璃化超级磨料产品的一种方法包括形成一种生胚，该生胚包括一种玻璃粉末、一种超级磨料砂砾、一种粘合剂以及碳化硅。将该生胚在一个气氛和压力下、并且在足以形成一种多孔的玻璃化超级磨料结构的温度下进行烧制。
用于形成该玻璃化超级磨料产品的该生胚、或超级磨料混合物具有以上关于本发明的超级磨料混合物或生胚的实施方案所描述的这些特征。本发明的一种超级磨料混合物是通过以一种适当的方式(例如本领域中已知的)组合该混合物的多种组分而形成。本发明的一种生胚可以由该混合物、也通过一种适当的方法(例如，本领域中已知的)而形成。典型地将该生胚在一种气氛下在约600℃与820℃之间的范围内的一个温度下烧制约一个半小时与约十个小时之间的范围内的一个时间段。然后通过一种适当的方法(例如通过加热炉的自然冷却)允许该烧制成的产品冷却，以由此形成本发明的超级磨料产品。
通过以下实例进一步描述本发明，这些实例并不旨在进行限制。
实例
通过烧制一种超级磨料颗粒、一种玻璃料、一种粘合剂和一种碳化硅粉末的一个混合物制造了本发明的一种高孔隙率的玻璃化金刚石超级磨料结构。首先制备该磨料颗粒、玻璃料以及碳化硅的一个混合物，然后向其中加入粘合剂。在烧制前该混合的组成以体积百分比计是：19％金刚石、80％玻璃料、1％ SiC。使用聚乙二醇(PEG)在水中的溶液作为粘合剂并且将它按以上述混合物的15质量百分比进行使用。该聚乙二醇是购自Union CarbideCorporation，USA。砂砾尺寸1-2微米的金刚石是从Diamond Innovation，Inc，OH，USA得到。使用的玻璃料包括以下氧化物：Al2O3、B2O3、BaO、CaO、Fe2O3、K2O、Li2O、MgO、Na2O、SiO2、ZnO和ZrO2。
使用1200粒度的SiC并且它是从Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.，Worcester，MA USA获得的。
将该混合物的除PEG外的所有组分称量到一个钢钵中以得到上述超级磨料混合物。使用一个钢匙来混合该混合物的所有粉末组分直到得到一个看起来均匀的混合物。然后将该共混物穿过一个165目的不锈钢筛子筛三次。(总体上，该筛目大小的范围可以从约40目到约400目)。以上面指定的量将粘合剂加入该混合物中。再次用药匙混合该混合物直到将所有的粘合剂并入其中。使用一个20目的不锈钢筛目将该混合物筛一次以得到细粒。(总体上，该筛目大小范围可以从约4目到约60目(不锈钢)。)将这些细粒在蜡纸上展开并且放置干燥一天。(总体上，该范围可以是从约1小时到约3天。)干燥后，使用一个16目的筛子筛这些细粒。(总体上，该筛目范围可以是从约4目到约60目。)
使用关于它们在该混合物中的比例的信息来计算该最终混合物的理论密度。使用这个信息来得到制造一个直径5英寸(总体上，该范围可以是从约1英寸到约10英寸)并且高度0.200英寸(总体上，该范围可以是从约0.100英寸到约5英寸)的盘所需要的细粒的重量。为了制造用于烧制的生胚，将已干燥的细粒进行称重并且转移到一个直径5.00英寸的不锈钢模具中并且用一个小的钢板抹平。现在将整个模具装置转移到一个冷等静压机上。施加1吨/英寸2的压力来生产一种生胚。(总体上，该范围可以是从约0.1吨/英寸2到约10吨/英寸2。)
将这个生胚转移到一个加热炉中并且使用以下烧制方案：从室温以5℃/min斜坡升到550℃，在550℃下均热60分钟，以5℃/min斜坡升到700℃，在700℃下均热240分钟，并且在该加热炉中自然冷却。该加热炉的气氛为空气。其他适当的替代物的实例包括氮气、真空和氩气。(总体上，该温度范围还可以是从600℃到约820℃，并且用于烧制的时间可以是从约0.1小时到约10小时。)
得到的超级磨料产品基本上没有直径大于250μm的孔。这些孔中约80％具有的直径是在约100μm与200μm之间的范围内，并且这些孔的平均长径比是低于约1.2。估计该超级磨料产品的孔隙率在约62％与约68％之间的范围内。
在其他多个实施方案中，基本上将没有气泡大于约800μm，或不大于约500μm。此外，在优选的实施方案中，这些气泡中约80％将具有在约60μm与约500μm之间、或在约80μm与约300μm之间的范围内的直径。在另外其他的实施方案中，约80％将具有在约150μm与约250μm之间、或在约200μm与约300μm之间的直径。此外，在优选的实施方案中，这些孔的平均长径比(最大直径∶最小直径)是不大于约1.5、或不大于约1.3。然而进一步地，在另一个实施方案中，该孔隙率是在约50％与约90％之间、或在约60％与约74％之间。
该烧成体是拱顶型的。将它磨成圆盘形状以易于切出用于制造一个超级磨料砂轮的多个区段。将一个Speedfame双面研磨装置用于研磨。该研磨装置使用280/400粒度的SiC进行研磨。使用一个水射流切割机将研磨过的板切成多个区段。使用胶将这些区段安装在一个5英寸砂轮上来制造本发明的一种超级磨料砂轮。然后按照相同的规格制造了第二个砂轮。
在一台背面研磨机器(Disco 840机器)上对这些砂轮进行测试。使用一个特细的衬垫对该砂轮进行修整。使用这些砂轮来研磨8英寸的硅晶片。用一个粗砂轮将这些硅晶片进行粗研磨随后使用细砂轮(以上提到的相同规格)。使用三个不同的增加的进料速率来评估这些研磨性能。所有进料速率列于下表中。
  编号   进料速率(微米/秒)   电流(安培)
  1   0.2，0.1，0.1   5.5-6.1
  2   0.3，0.2，0.2   7.1-7.3
  3   0.5，0.3，0.2   8.4-8.6
这两个砂轮在所有进料速率下都消耗了相当的范围内的电流。在该第一和第二测试过程中，对应地研磨25个晶片和75个晶片。
等效物
虽然已参考本发明的优选实施方案具体示出并描述了本发明，但本领域的普通技术人员将会理解，可以在其中进行形式和细节上的不同的修改而不背离所附权利要求所涵盖的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种玻璃化的超级磨料产品，包括：
a)一种超级磨料组分；以及
b)一种玻璃化的粘合组分，所述超级磨料组分分散于所述玻璃化的粘合组分中，其中所述玻璃化的粘合组分限定了多个孔，这些孔的直径基本上都小于800μm，百分之八十的这些孔在60μm与500μm之间的范围内、具有小于1.5的平均长径比、并且具有在所述超级磨料产品的总体积的50％与90％之间的范围内的孔隙率。
2.如权利要求1所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述超级磨料组分包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：金刚石、立方氮化硼、氧化锆和氧化铝。
3.如权利要求2所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述超级磨料组分存在的量值是在所述玻璃化的金刚石超级磨料的0.1与20体积百分比之间的范围内。
4.如权利要求3所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述超级磨料组分的数均粒度是在0.5微米与60微米之间的范围内。
5.如权利要求3所述的玻璃化的超级磨料产品，其中金刚石磨料组分与玻璃化的粘合组分的体积比率是在3：2与1：99之间的范围内。
6.如权利要求1所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述玻璃化的粘合组分包括选自下组的至少一个成员，该组的组成为：二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化铝(Al2O3)、碱金属氧化物以及碱土金属氧化物。
7.如权利要求6所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述碱金属氧化物选自Li2O、Na2O和K2O。
8.如权利要求6所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述碱土金属氧化物选自CaO、MgO和BaO。
9.如权利要求1所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述玻璃化的金刚石超级磨料被配置为一种研磨工具的至少一个组分。
10.如权利要求9所述的玻璃化的超级磨料产品，其中所述研磨工具是一个砂轮。
11.一种玻璃化的超级磨料产品，包括：
a)一种玻璃化的粘合组分，所述玻璃化的粘合组分包含硅石并且具有为所述玻璃化的超级磨料产品的总体积的至少百分之五十的孔隙率；其中所述玻璃化的粘合组分限定了多个孔，这些孔的直径基本上都小于800μm，百分之八十的这些孔在60μm与500μm之间的范围内，以及所述孔具有小于1.5的平均长径比；以及
b)一种分散于所述玻璃化的粘合组分中的超级磨料组分，所述超级磨料组分基本上由颗粒组成，这些颗粒具有在0.5微米与60微米之间的范围内的数均粒度，并且其中超级磨料组分与所述玻璃化的粘合组分的体积比率是在3：2与1：99之间的范围内。
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