CN113146487B - 一种单晶硅片精密磨削用砂轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单晶硅片技术领域，具体地说，涉及一种单晶硅片精密磨削用砂轮及其制备方法。其包括烧结体、陶瓷结合剂粉体、有机粘结材料、填料(A)和润湿剂组成，该单晶硅片精密磨削用砂轮及其制备方法中，在砂轮的制备过程中，通过造粒工艺，在烧结体颗粒之间形成气孔，这些气孔能够起到容屑、冷却的作用，防止硅片在磨削过程中出现过热、或堵塞引起的表面质量劣化。同时也通过调节气孔形状和数量，以及第二次结合剂的加入量、烧结温度来改善砂轮的自锐性，来达到降低磨削应力的目的。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅片技术领域，具体地说，涉及一种单晶硅片精密磨削用砂轮及其制备方法。
背景技术
如今IC大都采用单晶硅作为衬底材料，主要应用于集成电路、晶体管、外延片的衬底等。随着IC生产与制造技术的快速发展，硅片大直径化和超薄化的发展已经成了未来主要的发展方向，因此对硅片加工效率和表面质量提出了更高的要求。300mm硅片的制备工艺流程分别是拉晶，外圆加工，切片。倒角，表面磨削、双面抛光、表面处理、单面抛光、激光刻码、清洗等组成。表面磨削作为硅片制备工艺的关键的一步，如果加工质量能够得到提升，可以为后续的抛光节约了时间，降低了加工成本、提高了生产效率。
在大直径、超薄硅片表面磨削过程中，容易在硅片磨削表面产生磨削应力从而引起硅片的翘曲、变形，同时砂轮的堵塞也会造成硅片表面的热损伤，传统方法通过引起造孔剂来起到造孔作用，但是造孔剂的加入容易引起磨料和结合剂块的成片脱落进而影响硅片表面质量，降低耐用度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶硅片精密磨削用砂轮及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种单晶硅片精密磨削用砂轮，包括以下原料组成：烧结体50-80％、陶瓷结合剂粉体（B）14-16％、填料(A)3-8％和润湿剂8-15％。
作为本技术方案的进一步改进，所述烧结体包括以下原材料组成：磨料40-65％、陶瓷结合剂粉体（A）25-35％、有机粘结材料10-20％、填料(B)0-15％。
作为本技术方案的进一步改进，所述磨料选自金刚石、含硼金刚石、泡沫化金刚石和立方氮化硼中的至少一种，所述有机粘结材料选自酚醛树脂粉、环氧树脂粉、聚酰亚胺树脂粉中的至少一种，其中树脂粉须全部通过325目筛网，所述填料选自碳化硅、立方碳化硅、白刚玉、陶瓷刚玉、氧化铈、氧化镧、氧化钇、碳纤维、钛酸钾晶须中的至少一种，所述润湿剂选自糊精液，石蜡、聚乙烯醇、水玻璃中的至少一种。
作为本技术方案的进一步改进，所述陶瓷结合剂粉体A和所述陶瓷结合剂粉体B的粒度均为2-30μm。
另一方面，本发明提供了一种单晶硅片精密磨削用砂轮的制备方法，包括上述中任意一项所述的单晶硅片精密磨削用砂轮，其操作步骤如下：
S1、烧结体混料工序：将陶瓷结合剂粉体A、磨料、有机粘结材料、填料，通过混料机混合均匀得到复合粉体；
S2、烧结体固化工序：通过热压成型，使有机粘结材料升温固化，将磨料、结合剂、填料粘结在一起；
S3、烧结体造粒工序：通过机械破碎机将固化的烧结体破碎，筛选，得到烧结体颗粒；
S4、烧结体煅烧工序：将造粒后的烧结体颗粒在高温下烧结，排除有机粘结材料，同时使结合剂材料熔化，提高结合剂对磨料的把持力；
S5、烧结体研磨工序：通过球磨机破坏煅烧工序造成颗粒间的连接，得到松散的、粒度均匀的烧结体颗粒；
S6、混料工序：将烧结体颗粒、陶瓷结合剂粉体B、填料、混合均匀后再加入润湿剂，研磨、过筛得到复合粉体；
S7、成型工序：将复合粉体装入模具内，冷压成型成所需的样块；
S8、烧结工序：将成型的样块在高温下，促使陶瓷结合剂熔化，颗粒状物质桥接得到有气孔的陶瓷结合剂金刚石砂轮样块；
S9、砂轮块加工工序：将砂轮样块加工成特定的形状；
S10、粘结工序：将具有一定形状的砂轮块粘结在基体内；
S11、砂轮加工工序：经过内孔、外圆、平面加工得到陶瓷结合剂金刚石砂轮。
优选的，所述S2中，热压机温度为150-250℃，压力为3-8MPa，保压时间为10-30Min。
优选的，所述S4中，烧结温度为680-750℃，烧结时间2-8h。
优选的，所述S7中，压力为5-10MPa，保压时间10-30s。
优选的，所述S8中，烧结温度为590-650℃，烧结时间5-10h。
优选的，所述陶瓷结合剂A的烧结温度高于陶瓷结合剂B的烧结温度。
优选的，所述S7中，模具的形状为长方体、正方体或弧形，所述砂轮块的形状为心形、弧形、正方体形、长方体形以及其复杂形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该单晶硅片精密磨削用砂轮及其制备方法中，在砂轮的制备过程中，通过烧结体颗粒间形成的气孔来起到容屑、冷却的作用，防止硅片在磨削过程中出现过热、或堵塞引起的表面质量劣化。同时也通过调节烧结体的颗粒尺寸，以及第二次结合剂的加入量、烧结温度来改善砂轮的自锐性，来达到降低磨削应力的目的。
2、该单晶硅片精密磨削用砂轮及其制备方法中，通过结合剂的两次加入，可以防止磨料表面的结合剂层过厚或者结合剂在磨料周围形成结合剂熔融团，影响磨削质量。砂轮组成中烧结体起主要磨削作用，烧结体在高温下烧结可以在磨料周围形成熔融的结合剂层，提高磨料与磨料之间的结合能力，防止磨料的成片脱落，其中烧结体成型中树脂的流动、固化在烧结体内部形成耐高温树脂网络，经过烧结排胶后在烧结体内部形成大量的微小气孔，能够改善砂轮的堵塞问题，二次加入的结合剂控制烧结体的脱落速度，在保证磨削质量的前提下，提高耐用度，通过烧结体颗粒之间形成的空隙起到容屑、及冷却作用，本发明的制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削硅片时，硅片表面质量好、砂轮在磨削时自锐性好，可以达到免修整的目的。
附图说明
图1为实施例1的整体流程框图；
图2为实施例1的结合剂烧结体的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)烧结体混料，按照以下比例加入4000目金刚石、5000目立方碳化硅放入三维混料机中混合1h，再次加入陶瓷结合剂粉体A继续混合1h，最后再加入酚醛树脂份混合1h得到均匀的复合粉体。
烧结体中各组分混料质量比：
金刚石：46％
立方碳化硅：10％
陶瓷结合剂粉体A：32％
酚醛树脂粉：12％
(2)烧结体固化工序，将复合粉体放在钢模具中，180度热压成圆形的块体。其中压机的压力为6MPa，保压时间为20min。
(3)烧结体造粒工序，将烧结体用破碎机破碎，过筛，选取80-100目的颗粒料。
(4)烧结体煅烧工序，将80-100目的颗粒料放置在石英坩埚内，然后在高温炉内升温至720℃，保温3h。
(5)烧结体研磨工序，将球磨体调至100rpm，料球比为1:2.5，球磨30min，过筛，取80-100#的颗粒料。
(6)混料工序，按照以下比例将烧结颗粒料、陶瓷结合剂粉体B、碳纤维粉末放入三维混料机中混料1h，混合均匀后再加入糊精液研磨均匀后过80目筛得到复合粉体。
砂轮中各组分混料质量比：
烧结体颗粒：70％
陶瓷结合剂粉体B：16％
碳纤维：4％
糊精液：10％
(7)成型工序：将复合粉体均匀地放入模具中，冷压成型，其中压机压力8MPa，保压时间20s。
(8)烧结工序：将冷压成型的砂轮块放在625℃的高温炉内保温6h，其中砂轮块埋砂烧结。
(9)砂轮块加工工序：将成型的砂轮块加工成心形。
(10)粘结工序：将铝基体切槽，再经过喷砂处理后，将心形块粘接在基体喷砂槽内。
(11)砂轮加工工序：根据砂轮图纸，数控加工中心对内外圆进行加工，平面磨床对砂轮表面进行开刃，得到一种陶瓷结合剂金刚石砂轮。
实施例2
(1)烧结体混料，按照以下比例加入2000目金刚石、陶瓷结合剂粉体A在三维混料机中混合1h，最后再加入聚酰亚胺树脂份混合1h得到均匀的复合粉体。
烧结体中各组分混料质量比：
金刚石：57％
陶瓷结合剂粉体A：30％
聚酰亚胺树脂粉：13％
(2)烧结体固化工序，将复合粉体放在钢模具中，230度热压成圆形的块体，其中压机的压力为6MPa，保压时间为20min。
(3)烧结体造粒工序，将烧结体用破碎机破碎，过筛，选取80-100目的颗粒料。
(4)烧结体煅烧工序，将80-100目颗粒料放置在石英坩埚内，然后在高温炉内升温至720℃，保温3h。
(5)烧结体研磨工序，将球磨体调至100rpm，料球比为1:2.5，球磨30min，过筛，取80-100#的颗粒料。
(6)混料工序，按照以下比例将烧结颗粒料、陶瓷结合剂粉体B、钛酸钾晶须粉末放入三维混料机中混料1h，混合均匀后再加入糊精液研磨均匀后过80目筛得到复合粉体。
砂轮中各组分混料质量比：
烧结体颗粒：70％
陶瓷结合剂粉体B：14％
钛酸钾晶须：6％
糊精液：10％
(7)成型工序：将复合粉体均匀地放入模具中，冷压成型，其中压机压力8MPa，保压时间20s。
(8)烧结工序：将冷压成型的砂轮块放在625℃的高温炉内保温6h，其中砂轮块埋砂烧结。
(9)砂轮块加工工序：将成型的砂轮块加工成心形。
(10)粘结工序：将铝基体切槽，再经过喷砂处理后，将心形块粘接在基体喷砂槽内。
(11)砂轮加工工序：根据砂轮图纸，数控加工中心对内外圆进行加工，平面磨床对砂轮表面进行开刃。
为了显示本发明的优势，对比例的配方和实施例一样，气孔通过加入一定量的造孔剂来引入，生产工艺采用传统陶瓷砂轮制造方法，磨削实验机床为数控立轴矩台磨床，线速度33m/s，磨削材料为直径200mm硅片，具体参数见表1：
表1
根据对比例和实施例的磨削实验数据可以看出，实施例的电流值均小于对比例，说明实施例的锋利性明显优于对比例；实施例的表面质量(Ra)也优于对比例，说明磨削过程中，实施例磨削时硅片受到的应力小于对比例；对比例中造孔剂的加入会加速磨料的脱落，出现对比例的磨削比小于实施例，对比例1中随着进刀量的增加，磨床会出现振动，继续增大会出现硅片的碎裂。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种单晶硅片精密磨削用砂轮，其特征在于，包括以下原料组成：烧结体70％、陶瓷结合剂粉体B16％、填料A4％和润湿剂10％；
所述烧结体包括以下原材料组成：磨料46％、填料B10%、陶瓷结合剂粉体A32％和有机粘结材料12%；
所述磨料选用金刚石，所述有机粘结材料选用酚醛树脂粉，其中树脂粉须全部通过325目筛网，所述填料A选用碳纤维，所述填料B选用立方碳化硅，所述润湿剂选自糊精液；
所述陶瓷结合剂粉体A和所述陶瓷结合剂粉体B的粒度均为2-30μm；
砂轮制备步骤如下：
S1、烧结体混料工序：将陶瓷结合剂粉体A、磨料、有机粘结材料、填料B，通过混料机混合均匀得到复合粉体；
S2、烧结体固化工序：通过热压成型，使有机粘结材料升温固化，将磨料、陶瓷结合剂粉体A、填料B粘结在一起；
S3、烧结体造粒工序：通过机械破碎机将固化的烧结体破碎，筛选，得到烧结体颗粒；
S4、烧结体煅烧工序：将造粒后的烧结体颗粒在高温下烧结，排除有机粘结材料，同时使陶瓷结合剂粉体A熔化，提高结合剂对磨料的把持力；
S5、烧结体研磨工序：通过球磨机破坏煅烧工序造成颗粒间的连接，得到松散的、粒度均匀的烧结体颗粒；
S6、混料工序：将烧结体颗粒、陶瓷结合剂粉体B、填料A、混合均匀后再加入润湿剂，研磨、过筛得到复合粉体；
S7、成型工序：将复合粉体装入模具内，冷压成型成所需的样块；
S8、烧结工序：将成型的样块在高温下，促使陶瓷结合剂粉体B熔化，颗粒状物质桥接得到有气孔的陶瓷结合剂金刚石砂轮样块；
S9、砂轮块加工工序：将砂轮样块加工成特定的形状；
S10、粘结工序：将具有一定形状的砂轮块粘结在基体内；
S11、砂轮加工工序：经过内孔、外圆、平面加工得到陶瓷结合剂金刚石砂轮；
所述S2中，热压机温度为150-250℃，压力为3-8MPa，保压时间为10-30min。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅片精密磨削用砂轮，其特征在于：所述S4中，烧结温度为680-750℃，烧结时间2-8h。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅片精密磨削用砂轮，其特征在于：所述S7中，压力为5-10MPa，保压时间10-30s。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅片精密磨削用砂轮，其特征在于：所述S8中，烧结温度为590-650℃，烧结时间5-10h。
5.根据权利要求1所述的一种单晶硅片精密磨削用砂轮，其特征在于：所述陶瓷结合剂粉体A的烧结温度高于陶瓷结合剂B的烧结温度。
6.根据权利要求1所述的一种单晶硅片精密磨削用砂轮，其特征在于：所述S7中，模具的形状为长方体、正方体或弧形，所述砂轮块的形状为心形、弧形、正方体形、长方体形以及其复杂形状。
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