劉 偉,劉一波 ,曹彩婷,徐 強(qiáng), 徐 良, 劉志海

(1.安泰科技股份有限公司,北京 100081; 2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京 102200)

光電產(chǎn)業(yè)作為21世紀(jì)最大、最活躍的產(chǎn)業(yè)之一，在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)發(fā)展中起了重要的作用，在國(guó)際高科技競(jìng)爭(zhēng)及國(guó)家安全方面具有極其重要的意義[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，藍(lán)寶石晶體、單晶硅和特種陶瓷材料由于其優(yōu)異的物理特性已成為現(xiàn)代工業(yè)，尤其是微電子及光電子產(chǎn)業(yè)極為重要的基礎(chǔ)材料[2-4]。藍(lán)寶石單晶具有耐磨損、機(jī)械強(qiáng)度高、光透過(guò)率高、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，同時(shí)與半導(dǎo)體材料GaN晶系數(shù)失配率小而被廣泛用作光電襯底材料。據(jù)法國(guó)Yole統(tǒng)計(jì)[5]，藍(lán)寶石襯底材料應(yīng)用占比約75%，其中半導(dǎo)體照明(LED)襯底材料占比95%以上。高性能芯片的獲得很大程度依賴(lài)藍(lán)寶石襯底片的表面加工質(zhì)量，而藍(lán)寶石具有高硬度和高化學(xué)穩(wěn)定性屬于硬脆難加工材料，其加工過(guò)程主要涉及高加工精度的裝備、高性能的金剛石工具耗材和與之相匹配的加工工藝。藍(lán)寶石襯底片的加工流程如圖1所示。藍(lán)寶石襯底片加工過(guò)程中主要涉及到的金剛石工具有金剛石套料鉆、滾圓和倒角用金剛石砂輪、金剛石線鋸、金剛石帶鋸、金剛石研磨減薄砂輪等耗材。

藍(lán)寶石襯底片加工過(guò)程的特點(diǎn)決定了對(duì)金剛石工具的要求顯著不同于傳統(tǒng)金剛石工具，需要有更高的精度、更好的性能、更復(fù)雜的制造工藝。本文重點(diǎn)介紹藍(lán)寶石襯底片加工過(guò)程中所用的金剛石套料鉆和研磨減薄砂輪的關(guān)鍵技術(shù)。

1 光電材料加工用套料鉆頭

在藍(lán)寶石襯底加工中，金剛石套料鉆用于藍(lán)寶石晶棒的掏棒加工。隨著藍(lán)寶石襯底片向更薄更大的方向發(fā)展，對(duì)金剛石套料鉆的要求也越來(lái)越高。目前市面上2寸套料鉆基本上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，而4寸及6寸以上的金剛石套料鉆基本上采用進(jìn)口產(chǎn)品。安泰鋼研也推出了2寸、4寸和6寸的金剛石套料鉆產(chǎn)品。

1.1 鉆進(jìn)機(jī)理介紹

李大佛等[6]介紹了孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)破巖機(jī)理，筆者認(rèn)為孕鑲鉆鉆進(jìn)機(jī)理也同樣適用于藍(lán)寶石晶棒的掏料過(guò)程。藍(lán)寶石掏料過(guò)程主要是套料鉆頂部金剛石切削刃對(duì)藍(lán)寶石晶體進(jìn)行切削，產(chǎn)生的切削通過(guò)套料鉆的排屑通道不斷的排出最終獲得所需尺寸的掏棒。

圖2 藍(lán)寶石晶棒套料加工Fig．2 Trepanning of Sapphire rods

1.2 套料鉆設(shè)計(jì)

1.2.1 鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

藍(lán)寶石加工用套料鉆頭一般由螺紋接頭、管體、刀頭三部分組成(結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3)。由于藍(lán)寶石晶棒技術(shù)含量較高，不僅具有高毛利率的優(yōu)勢(shì)，而且占襯底成本比重達(dá)50%以上，藍(lán)寶石晶體的出棒率將直接影響晶棒的成本，因此藍(lán)寶石掏棒對(duì)金剛石套料鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求：1)要求套料鉆口徑更大；2)要求套管長(zhǎng)度更長(zhǎng)，且跳動(dòng)?。?)要求套料鉆刀頭更薄，內(nèi)外徑公差范圍窄。圖4給出了套料鉆產(chǎn)品的刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

套料鉆頭刀頭和鉆桿的要求為：1)2寸、4寸和6寸鉆頭刀頭的外徑為D±0.05mm，刀頭的內(nèi)徑d±0.05 mm，刀頭的厚度≤2.8mm，厚度公差范圍±0.05 mm；2)基體外徑D±0.05 mm，基體內(nèi)徑為d±0.05 mm， 基體的厚度≤1～2mm，公差范圍±0.05 mm，基體的有效長(zhǎng)為120～440 mm； 3)要求刀頭與基體配合的內(nèi)側(cè)隙為0.45±0.05 mm，外側(cè)隙為0.45±0.05 mm；4)2寸套料鉆跳動(dòng)≤0.05mm，4寸≤0.08mm，6寸≤0.10mm。

圖3 藍(lán)寶石加工用套料鉆基本結(jié)構(gòu)Fig．3 Structure diagram of nesting drills1．螺紋接頭 2．管體 3．刀頭

圖4 套料鉆及刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig．4 Nesting drill and its drill head design

1.2.2 套料鉆頭的配方設(shè)計(jì)

在藍(lán)寶石晶體的掏棒過(guò)程中主要是控制好晶棒的尺寸、晶向、晶體定位面[7]以及晶體表面完整性[8]。晶棒側(cè)圓表面不能有明顯的裂紋、破碎等現(xiàn)象。要滿(mǎn)足掏棒的質(zhì)量，除了涉及套料鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，對(duì)套料鉆頭刀頭配方設(shè)計(jì)也提出了更高的要求： 1)胎體具有一定的耐磨性和較好的自銳性，胎體的保型性較好； 2)金剛石出刃高度高，同時(shí)胎體對(duì)金剛石的把持力強(qiáng)，且胎體和金剛石磨損一致； 3)選擇合適的金剛石，既能滿(mǎn)足鋒利度又要滿(mǎn)足耐磨性的要求。

安泰鋼研根據(jù)市場(chǎng)上手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同機(jī)型開(kāi)發(fā)了2個(gè)不同鉆進(jìn)工藝要求的胎體系列。對(duì)于手動(dòng)系列Cu基胎體，可以滿(mǎn)足在不修刀的條件下連續(xù)掏棒，而對(duì)于自動(dòng)設(shè)備有在線修刀裝置的則配備Co基胎體，在掏棒中具有更長(zhǎng)的使用壽命。

1.3 套料鉆頭制備關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制

套料鉆頭生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。金剛石套料鉆頭制備過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)： 1)超薄刀頭制造技術(shù)；

圖5 套料鉆生產(chǎn)工藝流程Fig．5 Manufacturing process of nesting drills

2)高精度焊接技術(shù)；3)套料鉆頭修磨技術(shù)；4)套料鉆應(yīng)用技術(shù)。生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)： 1)原材料檢驗(yàn)，包括金屬粉和金剛石的檢驗(yàn)。2)刀頭生產(chǎn)過(guò)程控制：A確保粉金混料均勻，同時(shí)避免粗顆粒金剛石混入；B刀頭裝分均勻，通過(guò)多次裝分完成；C確保燒結(jié)工藝一致性。 3)激光焊接過(guò)程控制：A套料鉆基體要輕拿輕放，避免運(yùn)輸過(guò)程出現(xiàn)應(yīng)力；B保證刀頭和基體的對(duì)中性；C確保焊接工藝，以保證焊接后不出現(xiàn)裂紋等缺陷。4)修磨開(kāi)刃過(guò)程控制：A設(shè)計(jì)工裝，確保鉆桿在刀頭附近處跳動(dòng)小于0.05mm；B修磨工藝控制，確保套料鉆頂刃和內(nèi)外側(cè)金剛石出露合適。5)鉆頭的應(yīng)用技術(shù)：對(duì)于手動(dòng)設(shè)備和自動(dòng)設(shè)備，套料鉆的配方設(shè)計(jì)以及公差范圍要合理控制，確保套料鉆能夠穩(wěn)定使用。6)出廠前各項(xiàng)指標(biāo)檢驗(yàn)，套料鉆采用全檢的檢測(cè)方式，不合格不放行。

1.4 套料鉆頭規(guī)格及型號(hào)介紹

安泰超硬產(chǎn)套料鉆規(guī)格及型號(hào)簡(jiǎn)介，見(jiàn)表1。

表1 安泰套料鉆規(guī)格及型號(hào)

實(shí)例1:國(guó)內(nèi)某客戶(hù)采用手動(dòng)鉆機(jī)：機(jī)臺(tái)轉(zhuǎn)速355r/min，進(jìn)刀13～21mm/min，每鉆進(jìn)60～80mm修磨一次，安泰掏棒的鋒利度較好，每掏一根220mm長(zhǎng)4寸晶棒需要時(shí)間約17～18min。而同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品所需時(shí)間為25～27min，效率提高30%以上。

實(shí)例2:國(guó)內(nèi)某客戶(hù)采用自動(dòng)鉆機(jī)，其掏料過(guò)程設(shè)備參數(shù)，列于表2。同樣設(shè)備參數(shù)，進(jìn)口4寸套料鉆掏棒壽命約為20m，安泰掏棒壽命平均約26m，壽命提升30%左右，價(jià)格相同。

表2 某套料過(guò)程設(shè)備工藝參數(shù)

2 藍(lán)寶石襯底切片研磨減薄砂輪

藍(lán)寶石磨削過(guò)程中的各個(gè)影響因素如圖6所示。本文著重介紹作為耗材的減薄砂輪制程關(guān)鍵技術(shù)。

圖6 磨削加工過(guò)程中的影響因素Fig．6 Influence factors in the grinding process

2.1 減薄砂輪工作機(jī)理

不同于金屬材料的磨削加工，藍(lán)寶石磨削機(jī)理仍然是一個(gè)比較重要的研究課題。如何能夠更好地解決藍(lán)寶石加工的難題——低效率和高成本，也是廣大工程人員今后要繼續(xù)深入研究的一個(gè)課題。Marinerscu等人[9]認(rèn)為，陶瓷材料屬于硬脆材料，其磨削加工采用金剛石砂輪最合適。金剛石砂輪由金剛石和胎體粉末燒結(jié)而成，磨削中無(wú)數(shù)的金剛石微切削刃同時(shí)車(chē)削工件從而達(dá)到材料的去除，研磨過(guò)程如圖7所示。磨削機(jī)理[10]如圖8所示，兩相接觸處，其應(yīng)力和變形會(huì)引起微裂紋，導(dǎo)致陶瓷晶粒破碎，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬脆陶瓷的磨削加工。

圖7 研磨過(guò)程Fig．7 The process of grinding

圖8 砂輪與工件接觸表面示意圖Fig．8 Sketch of contact surface between grinding wheel and workpiece

2.2 減薄砂輪設(shè)計(jì)要求

本文涉及的藍(lán)寶石襯底片減薄加工精度較高：12A2M-304-36N規(guī)格的減薄砂輪要求：1)砂輪直徑304mm，刀頭厚度3～5mm；端面平行度<0.01mm，徑跳≤0.05mm，同心度≤0.05mm；2)動(dòng)平衡等級(jí)G1.0以?xún)?nèi)；3)金剛石粒度180目～600目之間，根據(jù)客戶(hù)要求選擇。以4寸晶片為例的產(chǎn)品磨削要求：磨削后晶片的厚度為130～95μm，單片厚度差Δr≤5μm ，彎曲度 Bow≤20μm，平行度 Taper≤20μm，表面無(wú)明暗裂紋及劃痕，良品率99.5%以上。藍(lán)寶石襯底研磨減薄砂輪設(shè)計(jì)中需要具備以下特點(diǎn)：較高的鋒利度，滿(mǎn)足較小的切削力；對(duì)金剛石的把持力較好，既要保證金剛出刃高度又不允許磨削過(guò)程中有脫粒現(xiàn)象發(fā)生；較好的自銳性，整個(gè)加工過(guò)程不需要額外開(kāi)刃；金剛石砂輪形狀保持性好，胎體磨損和金剛石磨損匹配一致；金剛石砂輪壽命較長(zhǎng)；砂輪的行為公差一致性好。

2.3 減薄砂輪制備關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制

減薄砂輪制程生產(chǎn)工藝流程如圖9：

減薄砂輪制備過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)包括刀頭的制備、砂輪粗坯制程以及砂輪修整開(kāi)刃。生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)有：原材料的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，保證材料的一致性；混料過(guò)程控制，確保過(guò)程中不會(huì)有粗顆粒金剛石混入，同時(shí)通過(guò)混料工藝保證混料的均勻性；燒結(jié)工藝控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳燒結(jié)工藝，確保每次燒結(jié)刀頭性能的一致性；粘接技術(shù)，確保刀頭和砂輪基體粘接牢固，避免磨削過(guò)程中出現(xiàn)掉刀頭現(xiàn)象；修整過(guò)程，選擇合適的砂輪對(duì)減薄砂輪進(jìn)行整型開(kāi)刃；另外砂輪應(yīng)用技術(shù)，配合客戶(hù)選擇合理的加工參數(shù)，確保加工的質(zhì)量和效率對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)說(shuō)也非常重要。

圖9 減薄砂輪生產(chǎn)工藝流程Fig．9 Production process of thinning grinding wheel

2.4 減薄砂輪規(guī)格及型號(hào)介紹

安泰鋼研提供的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)某用戶(hù)生產(chǎn)線使用，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至超越國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平，而價(jià)格只有國(guó)外產(chǎn)品的80%左右，極具性?xún)r(jià)比。以下將通過(guò)具體應(yīng)用實(shí)例來(lái)加以說(shuō)明。

實(shí)例1，12A2M-304-36N藍(lán)寶石減薄金剛石砂輪，加工4寸藍(lán)寶石襯底片，主軸轉(zhuǎn)速1000r/mim，進(jìn)給量0.05mm/min,壽命2500片(進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品壽命2300片左右)，良品率99.9%以上。

實(shí)例2，12A2M-255-26N 藍(lán)寶石減薄金剛石砂輪，加工2寸藍(lán)寶石襯底片，主軸轉(zhuǎn)速1000r/mim，進(jìn)給量0.04mm/min,壽命5500片左右(進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品壽命片5000片左右)，良品率99.9%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著芯片產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，芯片制程對(duì)加工的要求不斷提升，襯底材料需要更薄、表面粗糙度更低、襯底面積更大。這必然會(huì)對(duì)作為襯底材料最佳選擇的藍(lán)寶石、單晶硅、特種陶瓷產(chǎn)品的加工提出更高的挑戰(zhàn)。這類(lèi)材料加工用金剛石工具基本上是國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)起步晚，基礎(chǔ)薄弱，還有很長(zhǎng)一段路要走。當(dāng)務(wù)之急要做的工作有如下幾點(diǎn)：

(1)國(guó)內(nèi)金剛石工具相關(guān)企業(yè)要加大光電領(lǐng)域金剛石工具研發(fā)投入，對(duì)微觀加工領(lǐng)域的機(jī)理進(jìn)行全面的技術(shù)研究，為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

(2)芯片企業(yè)、裝備企業(yè)、金剛石工具企業(yè)以及高校要形成產(chǎn)、學(xué)、研、用一體化的聯(lián)盟，高校提供人才培養(yǎng)人才，裝備企業(yè)根據(jù)加工要求設(shè)計(jì)合適的裝備，芯片企業(yè)提供實(shí)驗(yàn)基地，金剛石工具企業(yè)提供相關(guān)高檔金剛石工具。

(3)從國(guó)家到產(chǎn)業(yè)均需高度重視相關(guān)瓶頸金剛石工具的開(kāi)發(fā)，企業(yè)間應(yīng)協(xié)同有效攻克相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，從而提升國(guó)內(nèi)芯片的競(jìng)爭(zhēng)力。