CN115415944A - 碳化硅晶圆减薄砂轮及制备方法及包含其的加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了碳化硅晶圆减薄砂轮及制备方法及包含其的加工设备，属于碳化硅晶圆的加工工具技术领域，由金属基胎体和金刚石颗粒混合制备而成，所述金属基胎体包括铜锡合金粉、钛粉、碳粉以及纳米碳化硅，所述金刚石颗粒由金刚石、环氧树脂胶以及钛粉在丙酮的环境下经过两次混合制备而成。本发明采用在铜锡合金粉加入钛粉、碳粉以及纳米碳化硅对金刚石表面进行预处理，提升了金刚石的把持性能和强度，降低了该砂轮的粗糙度，利用碳粉和纳米碳化硅的计入有利于金刚石的出刃以及在磨削过程中起到润滑的作用，提升了金刚石的自锐性，延长了该砂轮的使用寿命，从而使该砂轮满足了加工碳化硅晶圆的减薄要求。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅晶圆的加工工具技术领域，具体涉及碳化硅晶圆的减薄砂轮及制备方法及包含其的加工设备。
背景技术
碳化硅衬底材料是新一代半导体材料，属于半导体产业的新兴和前沿发展方向之一，主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域。碳化硅作为一种硬脆陶瓷材料，是生产晶圆的一种重要材料，晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片。而传统加工晶圆一般采用陶瓷结合剂砂轮，此种形式的砂轮使用寿命较短，耐磨性较差，极难造成晶圆的损伤和裂纹，无法满足加工碳化硅晶圆的减薄要求。
目前采用树脂结合剂砂轮对晶圆进行加工减薄，虽能降低晶圆的损伤层和裂纹，但此种形式的砂轮使用寿命依旧较短，耐磨性依旧较差，无法满足加工碳化硅晶圆的减薄要求。如中国专利授权公告号CN108942709A，公开日2018年12月07日，公开了一种晶圆减薄砂轮及其制备方法，文中提出“所述减薄砂轮，包括如下体积份数的原料：金刚石12-18份，碳化硅3-7份，六方氮化硼2-5份，发泡剂6-10份，聚酰亚胺树脂35-45份，偶联剂2-5份”，此现有技术的减薄砂轮是在保持结合剂具有一定的强度下，降低总体磨料层硬度，减少磨削过程中的压应力，虽降低了损伤层的厚度，但此现有技术的减薄砂轮的总体磨料层硬度降低了，使得减薄砂轮的使用寿命受到了限制，耐磨性也就变差，无法满足加工碳化硅晶圆的减薄要求。
现阶段已有采用金属结合剂砂轮进行加工减薄，但此种砂轮只针对玻璃进行加工减薄，并不适用于碳化硅晶圆的加工减薄。如中国专利文献公告号CN114378730A，公开日2022年04月22日，公开了一种手机背板玻璃开粗减薄用砂轮及其制备方法，文中提出“将金刚石、环氧树脂、铜锡钛合金粉混合，得到包裹合金粉的金刚石颗粒；然后将包裹合金粉的金刚石颗粒与球磨金属胎体混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结，得到手机背板玻璃开粗减薄用砂轮”，此现有技术的砂轮具有很好的锋利性和抗变形性，虽提高了砂轮的使用寿命，但此现有技术的砂轮的金刚石把持性能、自锐性以及金刚石的强度均不佳，使得此此现有技术的砂轮只能适用于玻璃的减薄，并不能适用于碳化硅晶圆的减薄。为此，需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供碳化硅晶圆的减薄砂轮及制备方法及包含其的加工设备，以解决上述背景技术中提出的现阶段金属结合剂减薄砂轮，金刚石把持性能、自锐性以及金刚石的强度均不佳，只能适用于减薄玻璃，并不能适用于减薄碳化硅晶圆的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳化硅晶圆减薄砂轮，由金属基胎体和金刚石颗粒混合制备而成，其特征在于，所述金属基胎体包括铜锡合金粉、钛粉、碳粉以及纳米碳化硅，所述金刚石颗粒由金刚石、环氧树脂胶以及钛粉在丙酮的环境下经过两次混合制备而成。
进一步的，所述金属基胎体的各组分质量百分比为：铜锡合金粉60-85%，钛粉10-20%，碳粉5-20%，纳米碳化硅0.5-3%。
进一步的，所述金刚石颗粒的具体制备步骤为：将金刚石与环氧树脂胶和10-15μm钛粉在丙酮环境中先高速混合5-15分钟，再进行三维混料30-50分钟后，烘干，过筛60目制得粒度均匀的包裹钛粉的金刚石颗粒。
根据上述碳化硅晶圆减薄砂轮的制备方法具体的制备步骤如下：
S1、制备混合物料：将金属基胎体按照上述组分的前后顺序依次加入高速混料机内，加入总质量25%的乙醇，再将钢球放入高速混料机中对金属基胎体进行第一次混料，混料时按照重量百分率的球料比为2:1，混料时间为50-70min，第一次混料后将金属基胎体物料从钢球和高速混料机取出分离，清洗钢球和高速混料机，而后将金属基胎体物料和干净的钢球重新放入高速混料机中，再加入总质量25%的酒精，旋转混合20-40min进行第二次混料，第二次混料后将金属基胎体物料和钢球、高速混料机完全分离，再而后将金属基胎体物料和包裹钛粉的金刚石颗粒加入至三维混料机中进行均匀混合10-30min，得到混合物料；
S2、混合物料压制：将S1得到的混合物料投入模具中，在400-600kg/cm2的压力下并保持压力8-12s后，对模具进行上下面翻转，并在相同压力下对混合物料进行压制，压制结束后脱模得到密度均匀的冷压坯体；
S3、预烧结：将S1得到的冷压坯体放入热压烧结模具中，再将放有冷压坯体的热压烧结模具放入烧结炉内，并升温至350℃，升温的速率为20-35℃/min，而后保温30-40min进行预烧结，脱除环氧树脂胶；
S4、烧结成型：将烧结炉内的温度升温至800-820℃，保温40-60min进行最终烧结，得到基体；
S5：外形加工：将S4得到的基体置于车床上采用400#油石抛光40-50s进行出刃，得到碳化硅晶圆减薄砂轮。
除以上技术方案外，还有具有该碳化硅晶圆减薄砂轮的加工碳化硅晶圆设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用在铜锡合金粉加入钛粉、碳粉以及纳米碳化硅组合成金属基胎体，对金刚石表面进行预处理，在有效地提升了金刚石的把持性能的，同时有效地降低了该砂轮的粗糙度，利用碳粉和纳米碳化硅的计入有利于金刚石的出刃以及在磨削过程中起到润滑的作用，有效地提升了金刚石的自锐性，再利用钛粉作为金刚石与铜锡合金粉末间的连接剂，使金刚石的强度得到有效地提升，有效地延长了该砂轮的使用寿命，从而使该砂轮满足了加工碳化硅晶圆的减薄要求。
2.本发明采用在丙酮环境中将金刚石与环氧树脂胶、钛粉进行两次混合，使金刚石更易包裹钛粉，有效地提升了金刚石的把持性能，降低了该砂轮的粗糙度，保证了砂轮的耐磨性能。
3.本发明采用钢球与高速混料机相结合的多次混合方式，使金属基胎体物料混合更加均匀，有效地提升了金属基胎体的均匀度，在金属基胎体物料中利用碳粉和纳米碳化硅的计入有利于金刚石的出刃以及在磨削过程中起到润滑的作用，有效地提升了金刚石的自锐性，再利用钛粉作为金刚石与铜锡合金粉末间的连接剂，使金刚石的强度得到有效地提升，有效地延长了该砂轮的使用寿命，从而使该砂轮满足了加工碳化硅晶圆的减薄要求。
4.本发明采用预烧结的模式，使环氧树脂胶得以从冷压坯体中脱除，有效地提升了冷压坯体的强度及硬度，同时也有效地提升了金刚石的把持性能、自锐性以及强度，降低了该砂轮的粗糙度，保证了砂轮的耐磨性能，有效地延长了该砂轮的使用寿命，使该砂轮满足了加工碳化硅晶圆的减薄要求。
附图说明
图1为本发明的加工减薄碳化硅晶圆的砂轮使用后状态图。
具体实施方式
以下实施例用来进一步说明本发明的内容，并不限制本发明的应用。
实施例1：
本实施例提供一种碳化硅晶圆的减薄砂轮，由金属基胎体和金刚石颗粒混合制备而成；
按照质量百分比称取金属基胎体组分为铜锡合金粉78.5%、钛粉12%、碳粉8%、纳米碳化硅1.5%；
将金刚石与环氧树脂胶和10-15μm钛粉在丙酮环境中先高速混合5-15分钟，再进行三维混料30-50分钟后，烘干，过筛60目制得粒度均匀的包裹钛粉的金刚石颗粒。
碳化硅晶圆的减薄砂轮按照以下步骤制备：
先将78.5%铜锡合金粉、12%钛粉、8%碳粉和1.5%纳米碳化硅依次加入高速混料机内，再将总质量25%的乙醇加入其中，而后将钢球放入高速混料机中对金属基胎体进行第一次混料，混料时按照重量百分率的球料比为2:1（wt.%），混料时间为50-70min，第一次混料后将金属基胎体物料从钢球和高速混料机取出分离，清洗钢球和高速混料机，而后将金属基胎体物料和干净的钢球重新放入高速混料机中，再加入总质量25%的酒精，旋转混合20-40min进行第二次混料，第二次混料后将金属基胎体物料和钢球、高速混料机完全分离，使金属基胎体物料形成金属结合剂，再而后将金属结合剂与金刚石颗粒按照85%：15%的体积比加入至三维混料机中进行均匀混合10-30min，得到混合物料；再将混合物料投入模具中，在400-600kg/cm2的压力下并保持压力8-12s后，对装有混合物料的模具进行上下面翻转，并在相同压力下对混合物料进行压制，压制结束后脱模得到密度均匀的冷压坯体；而后将冷压坯体放入热压烧结模具中，再将放有冷压坯体的热压烧结模具放入烧结炉内，并升温至350℃，升温的速率为20-35℃/min，而后保温30-40min进行预烧结，脱除环氧树脂胶，然后将烧结炉内的温度继续升温至800-820℃，保温40-60min进行最终烧结，得到基体；最后将S4得到的基体置于车床上采用400#油石抛光40-50s进行出刃，得到碳化硅晶圆减薄砂轮。
利用上述制备出的碳化硅晶圆减薄砂轮对6英寸碳化硅晶圆进行减薄，使得该砂轮的粗糙度小于0.12μm，单个砂轮的寿命可达5000片。
实施例2：
本实施例提供一种碳化硅晶圆的减薄砂轮，由金属基胎体和金刚石颗粒混合制备而成；
按照质量百分比称取金属基胎体组分为铜锡合金粉79%、钛粉15%、碳粉5%、纳米碳化硅1%；
将金刚石与环氧树脂胶和10-15μm钛粉在丙酮环境中先高速混合5-15分钟，再进行三维混料30-50分钟后，烘干，过筛60目制得粒度均匀的包裹钛粉的金刚石颗粒。
碳化硅晶圆的减薄砂轮按照以下步骤制备：
先将79%铜锡合金粉、15%钛粉、5%碳粉和1%纳米碳化硅依次加入高速混料机内，再将总质量25%的乙醇加入其中，而后将钢球放入高速混料机中对金属基胎体进行第一次混料，混料时按照重量百分率的球料比为2:1（wt.%），混料时间为50-70min，第一次混料后将金属基胎体物料从钢球和高速混料机取出分离，清洗钢球和高速混料机，而后将金属基胎体物料和干净的钢球重新放入高速混料机中，再加入总质量25%的酒精，旋转混合20-40min进行第二次混料，第二次混料后将金属基胎体物料和钢球、高速混料机完全分离，使金属基胎体物料形成金属结合剂，再而后将金属结合剂与金刚石颗粒按照85%：15%的体积比加入至三维混料机中进行均匀混合10-30min，得到混合物料；再将混合物料投入模具中，在400-600kg/cm2的压力下并保持压力8-12s后，对装有混合物料的模具进行上下面翻转，并在相同压力下对混合物料进行压制，压制结束后脱模得到密度均匀的冷压坯体；而后将冷压坯体放入热压烧结模具中，再将放有冷压坯体的热压烧结模具放入烧结炉内，并升温至350℃，升温的速率为20-35℃/min，而后保温30-40min进行预烧结，脱除环氧树脂胶，然后将烧结炉内的温度继续升温至800-820℃，保温40-60min进行最终烧结，得到基体；最后将S4得到的基体置于车床上采用400#油石抛光40-50s进行出刃，得到碳化硅晶圆减薄砂轮。
利用上述制备出的碳化硅晶圆减薄砂轮对6英寸碳化硅晶圆进行减薄，使得该砂轮的粗糙度小于0.12μm，单个砂轮的寿命可达4600片。
实施例3：
本实施例提供一种碳化硅晶圆的减薄砂轮，由金属基胎体和金刚石颗粒混合制备而成；
按照质量百分比称取金属基胎体组分为铜锡合金粉76%、钛粉10%、碳粉12.5%、纳米碳化硅1.5%；
将金刚石与环氧树脂胶和10-15μm钛粉在丙酮环境中先高速混合5-15分钟，再进行三维混料30-50分钟后，烘干，过筛60目制得粒度均匀的包裹钛粉的金刚石颗粒。
碳化硅晶圆的减薄砂轮按照以下步骤制备：
先将76%铜锡合金粉、10%钛粉、12.5%碳粉和1.5%纳米碳化硅依次加入高速混料机内，再将总质量25%的乙醇加入其中，而后将钢球放入高速混料机中对金属基胎体进行第一次混料，混料时按照重量百分率的球料比为2:1（wt.%），混料时间为50-70min，第一次混料后将金属基胎体物料从钢球和高速混料机取出分离，清洗钢球和高速混料机，而后将金属基胎体物料和干净的钢球重新放入高速混料机中，再加入总质量25%的酒精，旋转混合20-40min进行第二次混料，第二次混料后将金属基胎体物料和钢球、高速混料机完全分离，使金属基胎体物料形成金属结合剂，再而后将金属结合剂与金刚石颗粒按照85%：15%的体积比加入至三维混料机中进行均匀混合10-30min，得到混合物料；再将混合物料投入模具中，在400-600kg/cm2的压力下并保持压力8-12s后，对装有混合物料的模具进行上下面翻转，并在相同压力下对混合物料进行压制，压制结束后脱模得到密度均匀的冷压坯体；而后将冷压坯体放入热压烧结模具中，再将放有冷压坯体的热压烧结模具放入烧结炉内，并升温至350℃，升温的速率为20-35℃/min，而后保温30-40min进行预烧结，脱除环氧树脂胶，然后将烧结炉内的温度继续升温至800-820℃，保温40-60min进行最终烧结，得到基体；最后将S4得到的基体置于车床上采用400#油石抛光40-50s进行出刃，得到碳化硅晶圆减薄砂轮。
利用上述制备出的碳化硅晶圆减薄砂轮对6英寸碳化硅晶圆进行减薄，使得该砂轮的粗糙度小于0.12μm，单个砂轮的寿命可达4200片。
实施例4：
本实施例提供一种碳化硅晶圆的减薄砂轮，由金属基胎体和金刚石颗粒混合制备而成；
按照质量百分比称取金属基胎体组分为铜锡合金粉72%、钛粉10%、碳粉15%、纳米碳化硅3%；
将金刚石与环氧树脂胶和10-15μm钛粉在丙酮环境中先高速混合5-15分钟，再进行三维混料30-50分钟后，烘干，过筛60目制得粒度均匀的包裹钛粉的金刚石颗粒。
碳化硅晶圆的减薄砂轮按照以下步骤制备：
先将72%铜锡合金粉、10%钛粉、15%碳粉和3%纳米碳化硅依次加入高速混料机内，再将总质量25%的乙醇加入其中，而后将钢球放入高速混料机中对金属基胎体进行第一次混料，混料时按照重量百分率的球料比为2:1（wt.%），混料时间为50-70min，第一次混料后将金属基胎体物料从钢球和高速混料机取出分离，清洗钢球和高速混料机，而后将金属基胎体物料和干净的钢球重新放入高速混料机中，再加入总质量25%的酒精，旋转混合20-40min进行第二次混料，第二次混料后将金属基胎体物料和钢球、高速混料机完全分离，使金属基胎体物料形成金属结合剂，再而后将金属结合剂与金刚石颗粒按照85%：15%的体积比加入至三维混料机中进行均匀混合10-30min，得到混合物料；再将混合物料投入模具中，在400-600kg/cm2的压力下并保持压力8-12s后，对装有混合物料的模具进行上下面翻转，并在相同压力下对混合物料进行压制，压制结束后脱模得到密度均匀的冷压坯体；而后将冷压坯体放入热压烧结模具中，再将放有冷压坯体的热压烧结模具放入烧结炉内，并升温至350℃，升温的速率为20-35℃/min，而后保温30-40min进行预烧结，脱除环氧树脂胶，然后将烧结炉内的温度继续升温至800-820℃，保温40-60min进行最终烧结，得到基体；最后将S4得到的基体置于车床上采用400#油石抛光40-50s进行出刃，得到碳化硅晶圆减薄砂轮。
利用上述制备出的碳化硅晶圆减薄砂轮对6英寸碳化硅晶圆进行减薄，使得该砂轮的粗糙度小于0.12μm，单个砂轮的寿命可达3700片。
实施例5：
作为本发明的另一个目的，提供了一种加工碳化硅晶圆设备，在加工碳化硅晶圆设备中设有以上任一的碳化硅晶圆减薄砂轮，因此，加工碳化硅晶圆设备可以获得以上所描述的碳化硅晶圆减薄砂轮所具有的任一有益效果，在此不再赘述。
Claims (10)
1.一种碳化硅晶圆减薄砂轮，由金属基胎体和金刚石颗粒混合制备而成，其特征在于，所述金属基胎体包括铜锡合金粉、钛粉、碳粉以及纳米碳化硅，所述金刚石颗粒由金刚石、环氧树脂胶以及钛粉在丙酮的环境下经过两次混合制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮，其特征在于，所述金属基胎体的各组分质量百分比为：铜锡合金粉60-85%，钛粉10-20%，碳粉5-20%，纳米碳化硅0.5-3%。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮，其特征在于，所述金刚石颗粒的具体制备步骤为：将金刚石与环氧树脂胶和10-15μm钛粉在丙酮环境中先高速混合5-15分钟，再进行三维混料30-50分钟后，烘干，过筛60目制得粒度均匀的包裹钛粉的金刚石颗粒。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮的制备方法，其特征在于，具体的制备步骤如下：
S1、制备混合物料：将金属基胎体按照上述组分的前后顺序依次加入高速混料机内，加入总质量25%的乙醇，再将钢球放入高速混料机中对金属基胎体进行混料，混料均匀后待金属基胎体物料完成从钢球和高速混料机中分离出来，而后将金属基胎体物料和包裹钛粉的金刚石颗粒加入至三维混料机中进行均匀混合10-30min得到混合物料；
S2、混合物料压制：将S1得到的混合物料投入模具中，在400-600kg/cm2的压力下对模具进行上下面翻转，并在相同压力下对混合物料进行压制，压制结束后脱模得到密度均匀的冷压坯体；
S3、预烧结：将S1得到的冷压坯体放入热压烧结模具中，再将放有冷压坯体的热压烧结模具放入烧结炉内，并升温至350℃保温30-40min进行预烧结，脱除环氧树脂胶；
S4、烧结成型：将烧结炉内的温度升温至800-820℃，保温40-60min进行最终烧结，得到基体；
S5：外形加工：将S4得到的基体置于车床上采用400#油石抛光40-50s进行出刃，得到碳化硅晶圆减薄砂轮。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮的制备方法，其特征在于，S1中，混料按照重量百分率的球料比为2:1，混料时间为50-70min。
6.根据权利要求4所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮的制备方法，其特征在于，S1中，金属基胎体物料和钢球、高速混料机完全分离需要经过两次分离：第一次混料后将金属基胎体物料从钢球和高速混料机取出分离，清洗钢球和高速混料机，第二次混料后将金属基胎体物料和钢球、高速混料机完全分离。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮的制备方法，其特征在于，所述第二次混料为将金属基胎体物料和干净的钢球重新放入高速混料机中，再加入总质量25%的酒精，进行旋转混合20-40min。
8.根据权利要求4所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮的制备方法，其特征在于，S2中，压力保持时间为8-12s。
9.根据权利要求4所述的一种碳化硅晶圆减薄砂轮的制备方法，其特征在于，S3中，升温的速率为20-35℃/min。
10.一种加工碳化硅晶圆设备，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的碳化硅晶圆减薄砂轮。
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