[发明专利]一种陶瓷结合剂超细金刚石砂轮制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硬脆及软脆光电晶体超精密加工技术领域，特别涉及光电半导体硬脆与软脆光电晶体的超细金刚石砂轮的制备方法。

背景技术

随着IC芯片技术的快速发展，半导体产业界对硅片平面度、表面质量及完整性的要求越来越高，超精密磨削方法由于具有在平面度、材料去除率、低成本等方面具有独特的优势，因此被广泛用于硅片的超精密磨削领域中。但是，目前所用的树脂结合剂金刚石砂轮，由于树脂结合剂的结合力较弱，因此砂轮的粒度一般低于#5000，这使得树脂结合剂砂轮所能达到的表面粗糙度一般Ra一般在几个纳米，而亚表面损伤层的深度在100纳米以上，这些亚表面的加工损伤层可以在后续的化学机械抛光中去除，但是会大大增加加工成本以及加工时间。而如果采用进一步细化金刚石磨料的方法，则可进一步降低超精密磨削中亚表面损伤层的深度，从而为后续的化学机械抛光节省材料去除量。但是，树脂结合剂由于结合力较弱，而且本身的热传导性能相对较差，因此为了能够提供足够的把持力，随着金刚石磨料的进一步细化，树脂的结合剂的空隙率必须相应地降低。而这种空隙率的降低就使得冷却液以及磨屑在超精密磨削过程中很难进入和即时排出，这样使得超精密磨削产生的热量很难被磨屑和冷却液带有，从而在硅片加工表面聚集，导致硅片非常容易烧伤。因此，这种树脂结合剂一般仅适合于金刚石磨料的粒度在#5000以下的情况。而随着IC制造技术的发展，越来越要求超精密磨削技术能够加工的表面粗糙度值越来越低，从而使得亚表面损伤层的深度越来越低，从而为后续的化学机械磨削节省时间及加工成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷结合剂超细金刚石砂轮制备方法，采用复合陶瓷结合剂以及超细金刚石磨料的方法，并利用分散剂、细化剂以及发泡剂的方法提高陶瓷结合剂超细金刚石砂轮的孔隙率，利用陶瓷结合剂结合强度高并具有相对高的导热性，解决目前采用传统树脂结合剂金刚石砂轮加工方法加工硅片时导致表面粗糙度值偏高，亚表面损伤层深度偏大的的不足，从而使得加工时间和成本相对较高的问题。

本发明的技术方案是采用采用高温超细非氧化陶瓷作为结合剂，超细金刚石粉体作为磨料，离子晶体盐类作为晶粒细化剂及分散剂，以及常温冷压成形，高温烧结的方法制备砂轮，实现高效超光滑低损伤磨削硬脆及软脆光电晶体的目的。

磨料采用超细金刚石粉体，其粒度为#10000-#300000中的一个固定值，并且磨料粒度以这个固定值为平均值，服从正态分布。

陶瓷结合剂为碳化硅、氧化硅、氧化铈、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化镧、氧化钕中的三种或者四种，其粒度与金刚石粉体相匹配，为上述金刚石磨料粒度或者高一到两个粒度级别，确定后所有陶瓷结合剂粒度以这个粒度为平均值，并服从正态分布；其中的一种陶瓷结合剂制备成溶胶，其浓度为40-60％，溶胶与其他两种或三种陶瓷结合剂的体积比分别为20-40∶20-40∶60-20或25-35∶25-35∶15-25∶35-5。上述所列出的陶瓷均为非氧化陶瓷，在高温下的性能稳定，不会发生氧化。这些陶瓷均具有相对较低的断裂强度，当金刚石磨料随着超精密磨削的进行，磨粒磨损较大时，所需陶瓷结合剂的把持力就会变大，而这些断裂韧性地的陶瓷不能提供相应的把持力，磨钝的磨料就会从砂轮基体上脱落下来。而这时碳化硅在高速下具有增强摩擦系数的作用，而且其热传导系数相对较高，具有很好的硬度和耐磨性，可以担当部分超硬金刚石磨料的功能，直到新的金刚石磨料突出，从事实现陶瓷结合剂超细金刚石砂轮的自锐性。氧化铝、氧化锆、氧化钛均具有类似的功能。而氧化铈、氧化硅在超精密磨削时能够与工件材料发生固相反映，从而使得工件材料产生一层较软的反映膜，从而获得镜面磨削的效果。氧化镧和氧化钕在高温下具有润滑功能，这种优越的性能对超细金刚石砂轮非常有益。另一方面，由于不同的陶瓷在高温烧结时体积的所效率不同，因此选用三种与四种不同的陶瓷，以增加超细金刚石砂轮在高温烧结时的空隙率。

采用钾、钙、纳、镁的氯化盐类或者硝酸盐类中的一种或者两种做金刚石砂轮晶粒的分散剂和细化剂。由于钾、钙、纳、镁的阳离子具有细化和分散陶瓷结合剂的作用，因此选用上述四种常用的氯化盐类和硝酸盐类做超细金刚石砂轮的细化剂和分散剂。由于不同的阳离子的分散和细化能力不同，选用两种分散剂和细化剂是为了针对不同的陶瓷结合剂。

采用糊精、碳酸盐类、碳酸氢盐类中的一种或者两种做发泡剂。由于糊精在烧结的过程中会蒸发和消失，可以获得较好的孔隙率，碳酸盐类和碳酸氢盐类在烧结过程中可以持续分解，从而获得超细金刚石砂轮的孔隙。