CN102699826A - 一种常温固化结合剂软磨料砂轮 - Google Patents

Abstract

本发明一种常温固化结合剂软磨料砂轮属于硅片磨削加工技术领域，涉及一种基于化学机械磨削原理磨削硅片的软磨料砂轮。软磨料砂轮磨块中的结合剂是采用常温固化结合剂，此外，软磨料砂轮磨块还包括硬度低于被加工工件的磨料、促进磨料与工件化学反应的氧化剂、添加剂，防止堵塞和烧伤的气孔。常温固化结合剂为氯氧镁材料；氧化剂为高锰酸钾、次氯酸钠、氢氧化钠、过氧化钠颗粒中的一种或几种；磨料的硬度比单晶硅和多晶硅的硬度低。用软磨料砂轮磨削硅片时，磨削性能稳定，材料去除率高；硅片磨削表面光滑，没有微划痕、位错、微裂纹等缺陷；磨削温度适中，硅片表面不会出现磨削烧伤现象。

Description

一种常温固化结合剂软磨料砂轮

技术领域

本发明属于硅片磨削加工技术领域，涉及一种基于化学机械磨削原理磨削硅片的软磨料砂轮。

背景技术

超精密磨削是集成电路制造过程中用于硅片平整化加工、背面减薄、太阳能多晶硅锭的磨方加工等的重要加工方法之一。目前广泛采用树脂结合剂或陶瓷结合剂细粒度金刚石微粉砂轮磨削硅片，磨削过程中以金刚石的高速切削作用去除材料。由于金刚石磨粒硬度比硅片高，加工过程中会在硅片表面形成磨削损伤层。为了去除磨削损伤层、提高磨削表面完整性，提出了采用软磨料砂轮的化学机械磨削方法。该方法兼顾超精密磨削和化学机械抛光技术的优点，能够高效率的获得无损伤的硅片加工表面。软磨料砂轮是实现硅片化学机械磨削的关键。磨削过程中磨削区域的硅片材料和砂轮的磨削面产生化学反应生成较软的反应膜是对软磨料砂轮的要求，该反应膜在磨块基体或软磨料的摩擦/划擦作用下被去除。如果化学反应不能发生或反应速度过慢，产生较软反应膜的速度低，砂轮去除材料的能力就会很低，会导致磨削过程的磨削力和磨削热增加，烧伤硅片表面。为了保证磨削区域产生化学作用，一个可行的方法是在砂轮磨块中加入在磨削压力和温度作用下能够在磨削接触区域内直接和硅片表面微观高点发生化学反应的反应剂/氧化剂，或能够促进磨料和硅片发生反应的添加剂。康仁科等申请的 “超精密低损伤磨削硅片的软磨料砂轮”专利申请号为CN201010128957公开了一种用于硅片磨削的软磨料砂轮。该砂轮的磨块以MgO作为软磨料，添加剂为CaO、Na₂CO₃和NaHCO₃，以热固树脂作为结合剂，采用热压方式经高温固化形成。康仁科等申请的“一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮”专利申请号为CN200610134248公开了一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮，砂轮磨削层由磨料、粘接剂、填充料和气孔组成。填充料由PH值调节剂、氧化剂、助抛剂组成。砂轮磨削层以树脂作为结合剂，采用热压方式经高温固化形成。以上两个专利中，由于在固化过程需要加热，砂轮磨块中的添加剂组份如Na₂CO₃和NaHCO₃可能会在高温条件下分解，失去促进磨削过程化学反应的作用。由于同样的原因，上述砂轮中的氧化剂也会因高温分解而失效。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，因目前采用的软磨料砂轮的磨块均采用树脂结合剂在高温下固化形成，极大限制了反应剂/氧化剂、以及添加剂的选择和使用。本发明采用常温固化结合剂、包含多种反应剂/氧化剂、添加剂的软磨料砂轮，解决硅片磨削过程中化学反应不足、磨削过程不稳定、容易烧伤表面、磨削效率低等问题。

本发明的技术方案是一种常温固化结合剂软磨料砂轮，其特征在于，软磨料砂轮磨块中的结合剂是采用常温固化结合剂，此外，软磨料砂轮磨块还包括硬度低于被加工工件的磨料、可促进磨料与工件化学反应的氧化剂、添加剂，防止堵塞和烧伤的气孔，各成份所占体积百分比为：结合剂40~55%，磨料30~45%，氧化剂0~7%，添加剂10~25%，气孔5~15%；

所述常温固化结合剂为氯氧镁材料，由质量百分比为30~50%的MgO、质量百分比为10~30%的MgCl₂和质量百分比为30~60%的H₂O混合搅拌均匀后在常温下固化形成；所述氧化剂为高锰酸钾、次氯酸钠、氢氧化钠、过氧化钠颗粒中的一种或几种，氧化剂在常温固化过程中不会分解失效；所述添加剂为CaO、CaCO₃、Na₂CO₃、NaHCO₃、磷酸、柠檬酸中的一种或几种；所述磨料的硬度比单晶硅和多晶硅的硬度低，其组成为MgO磨料、Fe₂O₃磨料、CeO₂磨料或SiO₂磨料中的一种或几种，粒度分布为20~100μm。

一种常温固化氯氧镁结合剂砂轮磨块，其特征在于，软磨料砂轮磨块根据需要做成圆柱形、杯形、多面体柱形不同形状。

本发明的效果和益处是：用本发明制造的砂轮来磨削硅片时，砂轮和工件之间的化学反应及时充分，容易和磨削过程的机械作用达到平衡，磨削性能稳定，材料去除率高；硅片磨削表面光滑，没有微划痕、位错、微裂纹等缺陷；磨削温度适中，硅片表面不会出现磨削烧伤现象。

附图说明

附图1为杯形软磨料砂轮结构图，其中：1—砂轮基体，2—软磨料磨块。

附图2为NewView 5022型三维表面轮廓仪检测的磨削后的硅片表面形貌和表面粗糙度。

附图3为透射电镜检测的磨削硅片亚表面损伤，其中：1—非晶硅，2—单晶硅。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。

本发明的一种实施方式，即圆弧形软磨料磨块粘接在铝合金基体端面形成的，软磨料磨块制备过程如下：

按一定化学计量比称量氧化镁和氯化镁；将氯化镁配制成质量分数为20%~35%的水溶液，溶液中加入适量的柠檬酸和磷酸；将磨料、氧化剂、添加剂混合球磨15分钟；将以上两步所得溶液与粉末混合并充分搅拌5分钟制成浆料，导入圆弧形成形模具中，赶尽气泡，固化24小时成形；脱模，磨块常温固化20天。圆弧形模具中成形固化的软磨料磨块粘接于铝合金砂轮基体端面，可制成如图1所示的杯型软磨料砂轮。该砂轮可安装于硅片磨床，用于硅片的平整化加工和芯片背面减薄加工。

具体实施例：以图1所示的实施方式制作软磨料砂轮，1为弧形磨块，按一定间距粘结在基体2上制成杯形砂轮。磨块外径Φ350 mm，齿宽7.5 mm，齿高10 mm。磨削硅片的直径Φ200 mm，厚度650 mm，采用软磨料砂轮磨削前以2000#金刚石砂轮磨削表面，经检测金刚石砂轮磨削后的硅片表面粗糙度PV 27.5 nm，Ra 7.6 nm，亚表面微裂纹深度4.65μm。上述硅片以真空吸盘夹持于硅片磨床，并用本发明软磨料砂轮对其进行磨削加工。加工参数：主轴转速1200 r/min，工作台转速80 r/min，磨削时间15 min。利用金相显微镜和扫描电镜观察磨削后的硅片表面结果显示，表面光滑完整，没有划痕、破碎和凹坑等损伤。利用Zygo公司生产的NewView 5022型三维表面轮廓仪检测磨削后的硅片表面形貌和表面粗糙度，检测面积为53×71 μm。结果显示，磨削后的硅片表面粗糙度PV 4.14nm，Ra 0.44 nm，如图2所示。采用截面透射电镜检测磨削后硅片的亚表面损伤，未发现位错和微裂纹，仅有非晶层。

Claims (2)

1.一种常温固化结合剂软磨料砂轮，其特征在于，软磨料砂轮磨块中的结合剂是采用常温固化结合剂，此外，软磨料砂轮磨块还包括硬度低于被加工工件的磨料、促进磨料与工件化学反应的氧化剂、添加剂，防止堵塞和烧伤的气孔，各成份所占体积百分比为：结合剂40~55%，磨料30~45%，氧化剂0~7%，添加剂10~25%，气孔5~15%；

所述常温固化结合剂为氯氧镁材料，由质量百分比为30~50%的MgO、质量百分比为10~30%的MgCl₂和质量百分比为30~60%的H₂O混合搅拌均匀后在常温下固化形成；所述氧化剂为高锰酸钾、次氯酸钠、氢氧化钠、过氧化钠颗粒中的一种或几种，氧化剂在常温固化过程中不会分解失效；所述添加剂为CaO、CaCO₃、Na₂CO₃、NaHCO₃、磷酸、柠檬酸中的一种或几种；所述磨料的硬度比单晶硅和多晶硅的硬度低，其组成为MgO磨料、Fe₂O₃磨料、CeO₂磨料或SiO₂磨料中的一种或几种，粒度分布为20~100μm。

2.如权利要求1所述的一种常温固化结合剂软磨料砂轮，其特征在于，软磨料砂轮磨块根据需要做成圆柱形、杯形、多面体柱形不同形状。

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