陶瓷結合劑金剛石砂輪組織結構對其性能的影響*

丁玉龍， 苗衛(wèi)鵬， 駱苗地， 馮兵強， 朱建輝， 趙延軍， 包 華

(1. 超硬材料磨具國家重點實驗室， 鄭州 450001) (2. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001)

單晶硅片是制造集成電路的關鍵材料，近90%的芯片襯底材料都采用硅。目前，采用直徑φ200 mm及以上的硅片制造芯片是半導體行業(yè)的主流，硅片直徑的增大導致磨削去除量增加，進而要求加工中實現(xiàn)其高效率去除并獲得高質量表面。

陶瓷結合劑金剛石砂輪具有磨削效率高、耐磨性好等優(yōu)點，常用于單晶硅片的粗磨和半精磨加工。為了保證單晶硅片的磨削表面質量，采用微米甚至亞微米粒徑金剛石磨料的砂輪作為其磨削工具已成為一種選擇[1]。研究表明，選用2～4 μm粒徑的金剛石砂輪磨削硅片，可以獲得納米級的表面粗糙度[2]；當磨料尺寸進一步下降至250 nm時，磨削硅片的表面粗糙度Ra值可以達到1 nm以內且損傷層深度小于100 nm[3]。但是，由于陶瓷結合劑對磨粒具有較好的結合能力，導致金剛石砂輪的自銳性下降，不利于獲取高磨削質量的硅片表面。研究者通過在砂輪中引入氣孔解決砂輪自銳性差等問題[4]。氣孔可以改善砂輪的自銳性，降低磨削區(qū)溫度，提供容屑空間[5]，并且隨著氣孔率的提高，硅片的表面粗糙度也會顯著下降[6]。

在本實驗室的前期研究中發(fā)現(xiàn)[7]，采用固態(tài)粒子燒結法和空間占位法可以制備具有蜂窩狀組織的大氣孔超細粒度金剛石砂輪。本試驗接續(xù)之前的研究，探討砂輪的組織結構設計及其對砂輪性能的影響，分析砂輪的組織與磨削性能之間的關系，以期實現(xiàn)單晶硅片的高質量超精密磨削。

1 試驗

1.1 砂輪制備

以自制陶瓷結合劑(主要組成為Na2O、Li2O、B2O3、Si2O3等)、金剛石微粉(粒徑0.5～1.5 μm)按照表1中所述質量分數(shù)進行稱取，之后在以無水乙醇為介質的球磨機中混合2 h，料球質量比為1∶2。將混合后的漿料烘干后，獲得所需的混合粉末。加入適當比例的臨時黏結劑，過150#篩網(wǎng)后得到成型料。采用冷壓工藝壓制30 mm×20 mm×6 mm的毛坯，室溫干燥12 h，之后于60 ℃干燥8 h。干燥完成后，將毛坯按照之前確定的工藝進行燒結[5]。隨爐冷卻后，將砂輪節(jié)塊粘在鋁基體上，制成如圖1所示的6A2T 209×22.5×158×5×5的砂輪。

表1 砂輪組成及編號

1.2 磨削試驗及性能表征

磨削試驗在DISCO DFG840機床上按表2的工藝參數(shù)進行。單晶硅片的直徑為200 mm、厚度為785 μm。主軸電流變化以及砂輪的消耗由機床自帶的測量裝置進行實時測量。磨削完成后，采用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)測量工件的表面粗糙度并觀察其表面形貌。在TH-8203S型電子式萬能試驗機上測試樣條的三點抗彎強度，采用排水法測量其孔隙率。

圖1 制備的金剛石砂輪

表2 磨削工藝參數(shù)

磨削過程中采用去離子水冷卻，修整使用自制的精磨砂輪修整板，修整參數(shù)：砂輪轉速為2 000 r/min，修整量為100 μm，工作臺轉速為80 r/min。

2 結果與分析

2.1 砂輪組織結構表征

圖2為不同砂輪的樣品組織結構對比。從圖2可以看出：3款砂輪樣品的組織結構中均存在大量的孔結構，其區(qū)別在于：A砂輪的大孔相對較少，存在大量的小孔，孔壁相對較厚，一般在100 μm左右；B砂輪的孔徑范圍在200～300 μm，孔壁上存在大量的微孔，孔壁厚度為數(shù)十微米，同時存在少量的通孔；C砂輪的孔徑最大，部分已經(jīng)超過500 μm，孔壁厚度10 μm左右。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在燒結過程中，造孔劑量小時，砂輪的結合劑橋厚；造孔劑量大，則結合劑橋薄。即當造孔劑量較大時，造孔劑之間的結合劑量相對變小，在燒結過程中造孔劑間會出現(xiàn)融合，造成孔徑變大，甚至出現(xiàn)通孔結構。

2.2 砂輪的機械性能對比

圖3是不同砂輪的孔隙率對比。從圖3中可以看出：A砂輪的孔隙率最小，為65%左右，B砂輪和C砂輪的孔隙率接近，都達到85%左右。這種差異主要是由于A砂輪所用的造孔劑偏少，而B、C砂輪所用造孔劑偏多。而B、C砂輪的差異不大，則是因為B砂輪的造孔劑的量正好處于適當?shù)谋壤?，排膠工藝完成后，結合劑橋在燒結過程中仍然具有相當?shù)膹姸榷鴽]有發(fā)生孔融合，砂輪的孔結構完全模擬了造孔劑以及自然成孔所預留的空間；但是當造孔劑用量達到C砂輪的程度時，排膠完成后，由于結合劑橋變薄，砂輪塊整體會出現(xiàn)收縮，孔隙率并沒有隨著造孔劑的進一步增加而呈線性增大。

圖3 不同砂輪的孔隙率對比

孔隙率的差異造成了砂輪塊的力學強度之間的差異。圖4為不同砂輪的抗折強度對比。從圖4中可看到：A砂輪的抗折強度最高，約22 MPa；B和C砂輪的差異不大，分別為約10 MPa和約8 MPa，與前述砂輪氣孔率差異對比結果一致。

圖4 不同砂輪的抗折強度對比

2.3 砂輪磨削性能對比

開展磨削試驗，通過對比磨削過程中的電流峰值變化、砂輪的磨損量以及磨削工件的表面質量分析了砂輪的磨削性能。

磨削電流變化是與磨削過程中主軸輸出的扭矩相關的[8]。砂輪自銳性不好，整體切削能力偏低時，機床主軸就需要輸出更大的扭矩以保證磨削過程的正常進行，此時機床的磨削電流即會偏高；而當砂輪的自銳性良好，切削能力良好時，機床主軸輸出的扭矩則相應地變小，此時機床的磨削電流則相應地降低。

圖5對比的是3款砂輪的磨削電流峰值的變化規(guī)律。從圖5中可以看出：A砂輪的磨削電流變化相對波動較大，最小電流為6.5 A，磨削尾期電流升至7.0 A。這表明：隨著磨削進行，A砂輪出現(xiàn)鈍化，切削能力下降。而B砂輪和C砂輪磨削電流偏低，穩(wěn)定維持在6.3～6.5 A。這表明砂輪的自銳性良好，在磨削進程中能夠持續(xù)地出現(xiàn)新的刃口，切削能力穩(wěn)定。這種差異與砂輪的組織結構有一定的關系。首先，砂輪組織中的氣孔孔壁變薄，砂輪受力后，表面極易出現(xiàn)破碎，保證了金剛石始終處于良好的工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象；此外，孔的存在也降低了砂輪與工件的接觸面積，砂輪所受到的磨削阻力下降，也會降低電流峰值。

圖5 磨削過程中電流峰值隨硅片數(shù)量的變化

圖6是3款砂輪的磨損狀況的對比。從圖6中可看出：隨著磨削硅片數(shù)量的增加，砂輪的磨損量也呈增大趨勢。但是，3款砂輪的磨損量增大速度的快慢呈C>B>A的規(guī)律。以硅片數(shù)n為自變量、砂輪磨損量Δh為因變量進行線性擬合，得到3個公式：

砂輪A：

Δh=1.154 8n+0.193 3，R2=0.993 5

(1)

砂輪B：

Δh=1.234 5n+4.974 5，R2=0.990 8

(2)

砂輪C：

Δh=2.525 2n-2.906 7，R2=0.994 9

(3)

從式(1)、式(2)、式(3)可以看出：R2數(shù)值均接近1，表示3款砂輪磨損量的線性擬合均較理想。3條擬合曲線的斜率即為磨削1片硅片砂輪的消耗量，斜率值的變化表明A砂輪的消耗最慢，C砂輪的消耗最快，是A砂輪的近2倍，分別為2.525 2 μm/片和1.423 8 μm/片。這與之前的分析類似，即C砂輪的結合劑橋最薄，在磨削過程中最易破碎，砂輪就表現(xiàn)出消耗快的現(xiàn)象，A砂輪則與之相反。這與文獻[9]的研究結果相似。

圖6 砂輪磨損狀況對比

采用原子力顯微鏡對磨削后硅片表面粗糙度進行檢測，其結果如圖7所示：3款砂輪磨削后的硅片的粗糙度Ra值分別為7.67、7.47和7.37 nm，表面粗糙度差別不大。這主要是因為粗糙度Ra值與所用磨料的粒度有著直接關系，與砂輪的組織結構關系并不大，這個結論與之前的研究結論是相同的[10]。但是，在研究硅片表面SEM照片(圖8)時還發(fā)現(xiàn)：隨著磨削硅片數(shù)量的增加，C砂輪加工后的硅片表面開始出現(xiàn)較深的劃痕(圖8a)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是C砂輪的孔壁薄，在磨削受力的情況下，砂輪出現(xiàn)了塊狀的脫落，脫落的砂輪塊隨著砂輪磨削軌跡在硅片的表面摩擦，進而產(chǎn)生了較深的劃痕。

(a) A

(c) C

3 結論

采用“占位法”制備了3款具有不同組織結構的陶瓷結合劑金剛石砂輪，從磨削電流、砂輪損耗、工件磨削表面質量等幾方面研究了砂輪組織結構對硅片磨削的影響，得出以下結論：

(1)添加造孔劑可以獲得具有約85%孔隙率的“蜂窩狀”砂輪組織結構，具有該結構的砂輪其抗折強度可以達到10 MPa左右。

(2)磨削主軸電流隨砂輪孔隙率增大而下降，由最高的7.0 A降至6.3 A。氣孔率最大的砂輪的磨損速率是最小的砂輪的近2倍，分別為2.525 2 μm/片和1.423 8 μm/片。

(3)在磨料粒度確定的條件下，組織結構對砂輪磨削工件的表面粗糙度影響不大，3種砂輪磨削后工件的表面粗糙度Ra分別為7.67、7.47和7.37 nm。但是，當氣孔孔徑過大、孔壁變薄時，會造成磨削工件表面出現(xiàn)深劃痕，造成硅片表面質量惡化。