苗衛(wèi)朋，丁玉龍，駱苗第，熊華軍

(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)

在加工電子行業(yè)所用的硅片的工序中，后道工序中的磨削加工對硅片的性能起著至關(guān)重要的作用，主要用到的是超細(xì)粒度的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪[1]。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪由于具有磨削效率高、耐磨性好、不會對芯片產(chǎn)生離子污染等優(yōu)點，在硅晶圓的粗磨和半精磨加工環(huán)節(jié)得到了良好的應(yīng)用。為了改善硅晶圓的表面粗糙度和降低表面損傷層，采用亞微米金剛石砂輪作為磨削工具已成為一種選擇。有研究表明，選用磨料粒度2～4 μm的金剛石砂輪對晶圓進(jìn)行磨削加工時，可以獲取納米級的表面粗糙度；當(dāng)磨料粒度進(jìn)一步下降至250 nm時，磨削晶圓的粗糙度可以達(dá)到1 nm以內(nèi)，且損傷層小于100 nm[2]。但是，由于結(jié)合劑對磨粒的把持能力強(qiáng)，采用亞微米金剛石制作的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的自銳性下降較多，不利于獲取高磨削質(zhì)量的硅晶圓。研究者將解決問題的方向轉(zhuǎn)向了在陶瓷結(jié)合劑亞微米金剛石砂輪中引入大量的氣孔[3]。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。隨著氣孔率的提高，晶圓的表面粗糙度顯著下降，所以目前所用到的背面減薄金剛石砂輪的組織結(jié)構(gòu)一般都具有高孔隙率的蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)[4]。

燒結(jié)制度對蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)的形成起著十分重要的作用。燒結(jié)制度主要包括升溫速度、排膠溫度和時間、燒結(jié)溫度和保溫時間等參數(shù)。通過查閱文獻(xiàn)可以得出[5]，燒結(jié)制度一般是通過分析生坯在加熱過程中的質(zhì)量與形狀的變化，初步得出坯體在各溫度段所允許的升溫速率和燒結(jié)溫度。

試驗采用固態(tài)粒子燒結(jié)法和空間占位法制備具有蜂窩狀組織的超細(xì)金剛石砂輪，以坯體的TG-DSC曲線為依據(jù)設(shè)定燒結(jié)參數(shù)范圍，通過SEM觀察得到的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合測得的砂輪塊體的抗折強(qiáng)度和孔隙率等，最終確定出制備具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的金剛石砂輪的燒結(jié)制度。

1 試驗部分

1.1 砂輪生坯的制備

按表1所示的配方，將金剛石磨料、陶瓷結(jié)合劑、有機(jī)微球混合均勻，過80號篩網(wǎng)；加入臨時黏結(jié)劑，將混合粉體全部潤濕，使用油壓機(jī)將混合好的粉體壓制成5 mm×6 mm×50 mm的抗折條，自然干燥12 h，然后放至80 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥8 h；最后置于馬弗爐中，按照特定的燒結(jié)制度進(jìn)行燒成。

表1 燒結(jié)物料的配方

1.2 樣品的表征

觀測砂輪塊體的表觀形貌和氣孔大小，測量其氣孔率、抗折強(qiáng)度等性能，研究燒結(jié)制度的影響。用美國FEI公司的Inspect S50掃描電子顯微鏡觀察樣條的表觀形貌與氣孔大小，在TH-8203S型電子式萬能試驗機(jī)上測試樣條的抗折強(qiáng)度，樣品的孔隙率采用排水法進(jìn)行測量。用德國耐馳的STA 449F3型同步熱分析儀進(jìn)行成型料的熱重-差示掃描量熱分析(thermogravimetry-differential scanning calorimetry，TG-DSC)，測定成型料的燒結(jié)制度。測定時的升溫速度取10 ℃/min，溫度范圍為0～800 ℃。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 砂輪塊體的TG-DSC曲線分析

圖1表示的是冷壓成型后干燥一定時間的砂輪塊體的TD-DSC曲線。紅色曲線代表的是塊體的質(zhì)量變化，右側(cè)黑色曲線代表的是熱量變化。經(jīng)過觀察，可以將砂輪的燒結(jié)曲線分成4個階段：

圖1 砂輪塊體的TG-DSC曲線

(1)脫水階段

這個階段主要是對生坯的進(jìn)一步干燥。溫度約在250 ℃以下，除去的水分包括生坯中殘余的物理吸附的自由水和部分結(jié)合水。生坯TG曲線中質(zhì)量的損失量與其干濕程度有很大的關(guān)系。

當(dāng)升溫速率過快時，生坯內(nèi)的水分驟變成水蒸氣，坯體內(nèi)壓力增加過大，造成坯體開裂，形成缺陷等[6]。所以在此階段，要設(shè)置低的升溫速率和一定的保溫時間，試驗選取5 ℃/min的升溫速率，同時在150 ℃時保溫120 min。

(2)排膠階段

從圖1中可以看出：當(dāng)溫度在250～400 ℃時，坯體的質(zhì)量變化明顯，同時伴隨著熱量變化。這說明在此階段，添加的有機(jī)微球得到了充分的燃燒、揮發(fā)。經(jīng)試驗確定，此有機(jī)微球的著火點在300 ℃左右，這和坯體的TG曲線相符。

在此階段有大量的氣體逸出，所以升溫速率一定要慢，同時要有保溫時間，以保證有機(jī)造孔劑得到充分的揮發(fā)。試驗選取的升溫速率為3 ℃/min，并在300 ℃保溫60 min。

(3)保溫階段

400 ℃之后，坯體的質(zhì)量并沒有明顯的變化，但是從DSC曲線可以看出，坯體有一定的吸熱，說明隨著溫度的升高，陶瓷結(jié)合劑開始出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，金剛石磨料開始被結(jié)合劑包裹。由于此種砂輪需要大量的孔隙來形成蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)，因此保溫階段不需要太高的燒結(jié)溫度和太長的保溫時間，以防止形成的孔洞被熔融的陶瓷結(jié)合劑填充。試驗選取的升溫速率為5 ℃/min，在不同的燒結(jié)溫度710 ℃、730 ℃、750 ℃、770 ℃下，考察保溫時間60 min、90 min、120 min、150 min后的坯體。

(4)冷卻階段

當(dāng)坯體燒結(jié)完成后，需要冷卻到一定的溫度才能出爐，此過程需要采取合適的降溫方式，以保證坯體在冷卻的過程中不因降溫速率不當(dāng)而引起樣品的收縮過大甚至開裂等。試驗選取隨爐冷卻方式：燒結(jié)完成后關(guān)閉電源，當(dāng)溫度降到200 ℃后，打開爐門，以保證穩(wěn)定的冷卻速率。

2.2 燒結(jié)制度對砂輪的蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)的影響

為了考察制備砂輪的最佳燒結(jié)溫度，結(jié)合坯體的TG-DSC曲線，研究了砂輪分別在710℃、730℃、750℃、770℃的燒結(jié)工藝，設(shè)置的保溫時間均為120 min，以便找出好的燒結(jié)溫度點，燒結(jié)工藝曲線如圖2所示：

圖2 不同燒結(jié)溫度下砂輪的燒結(jié)工藝

圖3給出的是不同燒結(jié)溫度下砂輪的組織結(jié)構(gòu)的SEM圖。從圖3中可以明顯看到：當(dāng)燒結(jié)溫度為710 ℃時，出現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)；溫度達(dá)到730 ℃時，砂輪的蜂窩狀結(jié)構(gòu)構(gòu)建良好，存在大量的閉氣孔，孔徑分布均勻，孔與孔之間有明顯的孔壁存在。說明溫度達(dá)到730 ℃時，陶瓷結(jié)合劑的狀態(tài)剛好，有機(jī)造孔劑占位留下來的孔沒有因結(jié)合劑的流動而消失或融合，依舊保持著原有的孔。閉氣孔的存在可以有效地阻礙磨削過程中磨屑向砂輪內(nèi)部滲透，并且可以增加砂輪的強(qiáng)度，提高砂輪的使用壽命[7]。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，砂輪的蜂窩狀結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，溫度達(dá)到770 ℃時，孔徑變大，有許多通孔存在。原因可能是溫度達(dá)到770 ℃時，陶瓷結(jié)合劑流動性變大，之前有機(jī)造孔劑留下來的孔會互相融合，形成更大的孔洞，孔與孔之間也會有通孔的存在。所以730 ℃為較好的燒結(jié)溫度。

圖4表示的是砂輪在不同燒結(jié)溫度下的抗折強(qiáng)度與氣孔率。從圖4中可以看出，當(dāng)溫度逐漸升高時，砂輪的抗折強(qiáng)度會逐漸下降，從32.5 MPa下降至10.8 MPa，其氣孔率隨著溫度的升高，先升高后降低[8]。氣孔率高是蜂窩狀結(jié)構(gòu)砂輪的一大特點，高的氣孔率可以使砂輪在使用過程中保持好的自銳性，避免過度的修整。抗折強(qiáng)度逐漸降低可能是隨著溫度的升高，砂輪中的氣孔逐漸融合，形成大的氣孔，造成了抗折強(qiáng)度的下降。大氣孔的出現(xiàn)，也會造成砂輪整體氣孔率的降低[9-10]。

圖4 不同燒結(jié)溫度下的砂輪的抗折強(qiáng)度與氣孔率

為了考察保溫時間對砂輪的蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)的影響，在燒結(jié)溫度750℃下，分別選定保溫時間為60 min，90 min，120 min，150 min，從而觀察砂輪的組織結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 不同保溫時間下砂輪的燒結(jié)工藝

圖6給出的是燒結(jié)溫度為750 ℃，不同保溫時間下的砂輪的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的SEM圖。從圖6中可以看出：當(dāng)燒結(jié)溫度為750 ℃，保溫60 min時，砂輪的蜂窩狀結(jié)構(gòu)孔徑相差較大，大孔直徑大約在315 μm，大孔之間的孔壁上還有眾多的小孔存在，原因可能是結(jié)合劑中的氧揮發(fā)而形成了小的孔隙；當(dāng)保溫時間逐漸延長時，其蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)逐漸完善，孔徑相對一致，大約在200 μm，大部分為閉氣孔，可以有效地提高砂輪的使用壽命[11-12]；當(dāng)保溫時間達(dá)到150 min時，蜂窩狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔壁之間出現(xiàn)貫穿的孔洞，氣孔不完整，通孔較多，原因可能是保溫時間過長，陶瓷結(jié)合劑發(fā)泡，形成諸多小氣泡，對蜂窩狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)建起到了相反的作用。

圖7表示的是燒結(jié)溫度750 ℃，不同保溫時間下砂輪的抗折強(qiáng)度和氣孔率。從圖7中可以看出：隨保溫時間的延長，砂輪的氣孔率呈現(xiàn)先大致保持不變，后變小的趨勢；砂輪的抗折強(qiáng)度則形成逐漸減小的趨勢。當(dāng)保溫時間為60 min時，抗折強(qiáng)度為36.7 MPa，隨著保溫時間延長至90 min，抗折強(qiáng)度降至18.2 MPa，可能因為保溫時間的延長，在大孔的孔壁上出現(xiàn)小氣泡，從而影響了砂輪的整體抗折強(qiáng)度，這和砂輪的氣孔率稍微升高保持一致[13]；當(dāng)繼續(xù)延長保溫時間至150 min時，砂輪抗折強(qiáng)度降低、氣孔率下降，可能是出現(xiàn)大量的小氣泡的原因。

圖7 不同保溫時間下砂輪的抗折強(qiáng)度與氣孔率

3 結(jié)論

結(jié)合坯體的TG-DSC曲線，通過對比氣孔率和抗折強(qiáng)度、觀察微觀形貌等方式，考察了燒結(jié)制度對磨削硅片用陶瓷結(jié)合劑砂輪的蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)的影響，確定了形成良好蜂窩狀結(jié)構(gòu)的砂輪的燒結(jié)制度工藝：在25～250 ℃、250～350 ℃、350～750 ℃等3個溫度范圍內(nèi)，分別以5 ℃/min、3 ℃/min、5 ℃/min的升溫速率升溫；在150 ℃、300 ℃、750 ℃分別保溫120 min、60 min和90 min；燒結(jié)完成后隨爐冷卻。通過該工藝可制備出蜂窩狀結(jié)構(gòu)良好的超細(xì)粒度陶瓷結(jié)合劑砂輪。