新興工業材料加工用金剛石工具

劉一波,徐良(1.中國鋼研科技集團有限公司,北京 100081;.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司,北京 1000)

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新興工業材料加工用金剛石工具

劉一波1,2,徐良2
(1.中國鋼研科技集團有限公司,北京 100081;
2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司,北京 102200)

摘 要:文章簡單綜述了金剛石工具在光伏產業、LED和半導體等領域的應用,并介紹了單晶硅、多晶硅和藍寶石的加工流程和加工過程中用到的金剛石工具,其中重點介紹了金剛石圓鋸片、高精度鉆頭、金剛石線鋸、超細粒度金剛石砂輪和金剛石超薄切割片,最后就國內金剛石工具的發展趨勢做了簡單闡述。

關鍵詞:單晶硅;多晶硅;藍寶石;砂輪;線鋸

1　前言

我國金剛石工具的發展經歷了地質勘探、石材和建材加工等傳統的大發展階段,其代表產品包括地質鉆頭、金剛石鋸片、繩鋸、框架鋸等。隨著技術的不斷進步,以及國家對環保理念的不斷普及,金剛石工具不斷地進入新領域,如光伏半導體晶硅加工、LED領域的藍寶石加工以及其他硬脆貴重材料的加工;新產品、新技術研發方面不斷取得突破,新一代高附加值的金剛石工具被不斷地開發出來,如高精度套料鉆頭、金剛石線鋸、超細粒度金剛石砂輪、金剛石超薄切割片等,已經在新型工業材料加工中發揮著重要的作用。同時,相對于傳統領域,新興領域對金剛石工具提出了更高的要求,要求有更高的精度、更好的性能以及更為復雜的制造工藝,盡最大可能精細精密金剛石工具,對金剛石工具制造行業來說是一個挑戰。

2　單晶硅、多晶硅加工

2.1單晶硅與多晶硅

硅屬于硬脆材料,莫氏硬度為6.5,可根據用途制成多晶硅、單晶硅,廣泛用于IC集成電路,也是光伏發電產業最基礎和最關鍵的材料。單晶硅的制造方法通常是先制得多晶硅或無定形硅,然后用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。多晶硅是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在過冷條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結合起來,就結晶成多晶硅。

表1　單晶硅和多晶硅的特性與區別Table 1 The characteristics and distinction of monocrystalline silicon and polycrystalline silicon

2.2單晶硅和多晶硅的加工流程

單晶硅的加工流程主要包括切斷—滾圓—切方—研磨—切片—倒角—磨片—化學腐蝕—拋光等步驟。相比而言,多晶硅沒有了切斷和滾圓步驟,只需在晶錠制備完成后,切方、切片即可。在整個單晶硅和多晶硅從晶錠到芯片的制備過程中,均需要不同用途的金剛石工具參與加工,而且加工的精度要求比較高。具體的步驟和對應的工具以及指標見表2。

表2　硅材料加工用金剛石工具Table 2 Diamond tools for silicon materials

由表2可以看出,基于單晶硅和多晶硅的加工工具,主要包括金剛石鋸片、帶鋸、金剛石砂輪以及金剛石線鋸等,這些工具的制造工藝如表3所示。

表3　晶硅加工用金剛石工具制造工藝Table 3 The manufacturing process of diamond tools used for crystalline silicon

3　藍寶石加工

3.1藍寶石

藍寶石(見圖1)成分為Al2O3,莫氏硬度為9,僅次于金剛石的硬度,在高新產業中,主要用于LED發光組件的基體。藍寶石具有硬脆的特點,且價格昂貴,在加工過程中通常要求精度高、加工效率快、低的材料損失以及潔凈的工作環境。而金剛石是自然界中硬度最高、耐磨性最強的材料,金剛石工具是加工這種材料的最佳選擇。

圖1　藍寶石晶體及晶片Fig.1 Sapphire crystals and wafer

3.2藍寶石加工流程

從藍寶石晶錠到最后的襯底藍寶石片,主要包括以下步驟:長晶—掏棒—滾磨—晶棒定向—切片—研磨—倒角—拋光,每一個步驟均需要配備不同的金剛石工具來完成,主要工具有鉆頭、砂輪、線鋸等。

長晶:利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體;

掏棒:使用藍寶石鉆頭從藍寶石晶體中掏出藍寶石晶棒;

滾磨:用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度;

定向:在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,便于精準切片加工;

切片:使用金剛石線鋸將藍寶石晶棒切成薄薄的晶片;

研磨:去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平面度;

倒角:將晶片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度;

拋光:改善晶片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級精度。

4　晶硅、藍寶石加工用金剛石工具

4.1金剛石圓鋸片

(1)金剛石外圓鋸片

金剛石外圓鋸片是應用較早的切割工具,外圓周上電鍍金剛石的圓鋸片直徑在200mm左右,多用于將單晶硅圓棒加工成硅方棒,加工后的單晶硅棒成對稱矩形;目前藍寶石晶棒去頭尾切割也用到金剛石外圓鋸片,一般為熱壓燒結連續邊金剛石鋸片。它的優點是結構簡單,操作容易,刀片價格便宜;缺點是刀片較厚,鋸口寬,材料損耗大,切割面的平行度較差。

(2)金剛石內圓鋸片

金剛石內圓鋸片的優點是剛性好,可做得很薄,達到0.1mm;切片精度很高,直徑200mm晶片的厚度差僅為0.01mm;每片都可以進行徑向調整和切片厚度的調整,小批量多規格加工時,具有靈活的可調性。缺點是切片表面損傷層較大;生產率低,每次只能切割一片;只能切割直線,無法切割曲面;不能切割直徑太大的晶片。

4.2高精度套料鉆頭

套料鉆頭加工對象為藍寶石等較為貴重的硬脆材料,主要用于表殼、光學玻璃、LED襯底的加工,鉆頭的精度要求非常高。以2寸的套料鉆頭為例,日本的鉆頭售價可以達到2500元以上,國內鉆頭的售價也可達到800元以上,與同規格的工程鉆頭(100元左右)相比,這類產品具有極高的附加值,而且市場需求量正在逐年增加,具有較為廣闊的應用前景。

套料鉆頭制造技術包括超薄環狀刀頭制造技術、高精度焊接技術以及鉆頭后續修磨技術;其中超薄環狀刀頭的質量對產品的最終使用性能起決定性的影響,該項技術包括均勻混料、精細造粒、標準化熱壓燒結、脫模等一系列生產工藝和操作標準;高精度焊接技術是保證鉆頭同心度和焊接強度的關鍵步驟,包括焊接面處理、焊接同心調整、標準化焊接;鉆頭后續修磨能進一步提高鉆頭的精度。

4.3金剛石線鋸

日本旭金剛石公司于2006年推出金剛石線鋸產品,并在日本和臺灣兩地大量推廣使用;到目前為止,國內已經有包括長沙岱勒、南京三超等規模化生產金剛石線鋸的企業,金剛石線鋸也廣泛應用于單晶硅、多晶硅和藍寶石的開方與切片,且市場需求量極大。一般用于晶硅開方用的金剛石線鋸線徑為0.35mm,用于晶硅切片用的線徑為0.12mm,而用于藍寶石切片的線鋸線徑一般為0.25mm。跟游離磨料線鋸切割相比,金剛石線鋸切割效率大幅度提高,如表4所示;從價格方面來說,金剛石線鋸由最開始的3元/米到現在的0.6元/米,也大大推動了客戶低價使用高品質產品的機會。

表4　游離磨料與電鍍金剛石線鋸切割性能對比Table 4 The cutting performances contrast of free abrasive and diamond wire saw

隨著大尺寸硅片和藍寶石片的應用和發展,金剛石線鋸將成為新一代硅片和藍寶石片切割工具,其加工表面損傷小、撓曲變形小、切片薄、片厚一致性好,能切割大尺寸硅/藍寶石錠,省材料、效益高,產量大,效率高,這一系列無可比擬的優點將受到硅片和藍寶石加工企業的高度重視。

4.4金剛石帶鋸

金剛石帶鋸條(圖2)一般為電鍍產品,適用于切割單晶硅、多晶硅、藍寶石等高硬度晶體,以及各種水晶、玻璃、玉石、石材拼花、有色金屬、磁性材料等硬脆材料的切割。鋼帶一般采用優質不銹鋼,無縫焊接工藝,焊接性能優良,具有彈性及韌性好、抗疲勞性能高、抗拉強度高、使用壽命長、偏擺度精確等特點;刃口采用高品級金剛石顆粒,使用耐磨性強的雙金屬均勻牢固地鑲嵌在刃口,具有使用壽命長、鋒利、切割面平整、效率高、噪音低等特點。一般帶鋸條的寬為38mm,厚度0.6mm,周長3230～6100mm,廣泛應用于各大光伏企業。

圖2　金剛石帶鋸Fig.2 Diamond band saw

4.5超細粒度金剛石砂輪

硬脆材料加工包括用砂輪加工晶棒的滾圓砂輪、平面研磨砂輪、減薄砂輪以及拋光砂輪等,金剛石粒度粗到250#細到8000#均有涉及,胎體材料包括金屬基、樹脂基和陶瓷基,應用于晶硅、藍寶石以及其他硬脆材料的研磨和拋光等,屬于用量最大的一類產品。

硅片研磨加工的目的是除去切片和輪磨所造成的鋸痕及表面損傷層,有效改善硅片的翹曲度、平坦度與平行度,達到一個拋光過程可以處理的規格。硅片研磨時,重要的是控制裂紋的大小和均勻程度。單晶硅屬于硬脆材料,對其進行研磨,磨料具有滾軋作用和微切削作用,材料的破壞以微小破碎為主,要求研磨加工后的理想表面形態是由無數微小破碎痕跡構成的均勻無光澤表面。研磨加工可使用粒度為350#陶瓷基金剛石砂輪,加工面粗糙度約為0.5μm,砂輪直徑通常為200mm～350mm。

拋光的目的是改善單晶硅片表面微缺陷,以獲得極高平坦度、極小表面粗糙度值的晶片表面,并要求表面無變質層、無劃傷。拋光的方式:粗拋,主要作用是去除損傷層,一般去除量約在10μm～20μm,可選用粒度為1000#～4000#的樹脂基砂輪;精拋,主要作用是改善晶片表面的微粗糙程度,一般去除量1μm以下,可選用粒度為8000#的金剛石砂輪。

4.6金剛石超薄切割片

超薄切割片(圖3)是由金剛石和粘結劑組成一個圓環薄片狀物體,厚度在0.015～0.5毫米之間,可分為金屬結合劑刀片和樹脂結合劑刀片兩種。其中金屬結合劑電鍍刀片的厚度為0.015mm～0.1mm,金屬結合劑熱壓刀片和樹脂結合劑刀片的厚度為0.1mm～0.5mm。超薄切割片廣泛應用于電子工業領域中對各種硬脆材料進行切割或開槽加工,如硅、鍺、磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、壓電陶瓷、光學陶瓷、玻璃等;具有切割精度高、割縫窄、使用壽命長等特點;使用時裝在專用設備上可單刀使用也可多刀同時使用。

圖3　金剛石超薄切割片Fig.3 Ultrathin diamond cutting discs

隨著信息電子產業的飛速發展,對微型電子元器件及集成電路的切割要求越來越高,而且切割的量也越來越多。據資料介紹,世界上超薄切割片的年銷售額達5億多美元。目前,該類產品的市場主要被日本、美國等世界領先的公司所占領。這些公司所生產的刀具性能穩定、規格種類齊全、具有很高的切割精度。我國電子工業正步入一個飛速發展期,對精密切割工具的需求也進入了高速增長期。但是由于國內該類產品發展起步較晚,其性能還存在諸多的缺陷,不能滿足國內市場快速發展的要求,每年還需從國外進口大量的各種類型的超薄片。在國內,對薄型砂輪片進行研究和制造并打入市場的企業很少,因此對超薄切割片的研究與開發,具有廣闊的市場前景。

5　新興工業材料加工金剛石工具發展趨勢

(1)金剛石工具將越來越體現其“工業牙齒”的作用,在眾多的新興工業材料加工領域體現其超卓的性能。隨著原材料性能的提升、產品規格系列化、生產設備專業化和檢測手段的標準化,金剛石工具將向著更高水平發展,產品質量隨之明顯提高。

(2)一些高精度精密金剛石工具,例如超薄切割片、超細粒度金剛石砂輪、高精度鉆頭等,國內產品與國外產品相比仍有差距,表現在性能不好或者性能不穩定,國內的大中型企業會更愿意采購昂貴的國外產品,來保持生產的穩定性。這也對國內的相關工具制造企業提出了新的挑戰,即產品的精度滿足使用要求的情況下,盡可能地提高產品的性能,并保持產品性能的穩定性。

(3)國內產品需瞄準高檔、精密金剛石工具這個方向,在產品生產過程中,制定嚴格的產品標準和工藝規程,來確保產品的性能穩定性;另外,需配備高精度數控機床、電火花、線切割等設備,對產品進行后續的修整和完善。

Diamond Tools for Processing of the Emerging Industrial Materials

LIU Yi-bo1,2,XU Liang2
(1.China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing,China 100081; 2.Beijing Gangyan Diamond Products Company'Beijing,China 102200)

Abstract:This article briefly reviews the application of diamond tools on photovoltaic industry,LED and semiconductor fields etc.The diamond tools used in the process flow and machining process of monocrystalline silicon,polycrystalline silicon and sapphire have also been introduced.Among them,the diamond circular saw blade,high precision drill bit,diamond wire saw,ultrafine diamond grinding wheel and ultrathin diamond cutting blade have been emphatically introduced.The development trend of domestic diamond tools has also been expounded by the end of this article.

Keywords:monocrystalline silicon,polycrystalline silicon,sapphire,diamond grinding wheel,diamond wire saw

作者簡介:劉一波(1966-),男,教授級高工,博士生導師,副總經理兼總工程師。研究方向:超硬材料及粉末冶金制品;徐良(1981-),男,高級工程師。研究方向:金剛石工具。

收稿日期:2015-09-26

中圖分類號:TQ164

文獻標識碼:A

文章編號:1673-1433(2016)02-0027-05

引文格式:劉一波,徐良.新興工業材料加工用金剛石工具[J].超硬材料工程,2016,28(2):27-31.