氟化鈣對(duì)單晶硅片磨削用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削性能的影響*

丁玉龍， 惠 珍， 熊華軍， 趙延軍， 包 華

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 超硬材料磨具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450001)

隨著筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦以及可穿戴智能設(shè)備等產(chǎn)品的發(fā)展，單晶硅片半導(dǎo)體襯底材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中200 mm及以上尺寸的硅片應(yīng)用成為主流，對(duì)硅片的質(zhì)量提出了更高的要求[1]。一般采用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪加工單晶硅片，要求加工后硅片的磨削表面的粗糙度值低、損傷層薄，磨削質(zhì)量穩(wěn)定、磨削效率高，砂輪自銳性好、有較高的性價(jià)比。

學(xué)者們從磨削機(jī)理[2]、磨料類型和粒度[3-4]、砂輪組織結(jié)構(gòu)[5-6]等方面開(kāi)展了大量研究，以提高樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的性能。其中，砂輪組織中的氣孔結(jié)構(gòu)可有效去除硅片表面的損傷層并降低其表面粗糙度，同時(shí)也會(huì)降低砂輪的修整頻次。研究發(fā)現(xiàn)：石墨[7-9]、二硫化鉬[10-12]、氟化鈣(CaF2)或者氟化鋇[13]等材料既可增加砂輪組織中的氣孔數(shù)量，又可用作樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪中的固體潤(rùn)滑組分，降低磨削軸承鋼和合金鋼時(shí)的磨削力和工件的表面粗糙度值[13]。然而，還未見(jiàn)在硅片磨削用金剛石砂輪中添加固體潤(rùn)滑劑的報(bào)道。

為優(yōu)化砂輪的組織結(jié)構(gòu)、改善其磨削性能，將固體潤(rùn)滑劑CaF2引入到單晶硅片磨削用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪中。通過(guò)分析添加不同體積分?jǐn)?shù)的CaF2制作的金剛石砂輪的表面形貌，磨削過(guò)程中的電流變化、砂輪的磨損情況以及磨削后工件的表面粗糙度和表面損傷層變化，評(píng)估CaF2對(duì)單晶硅片磨削用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削性能的影響。

1 試驗(yàn)條件及過(guò)程

1.1 砂輪制備

含CaF2砂輪的組成如表1所示。將表1中的物料按設(shè)定的配方配比并混合均勻后，采用熱模壓工藝在MYS-200T油壓機(jī)上制作環(huán)形砂輪工作層，熱壓保溫溫度和壓力分別為180 ℃和10 MPa；用專用切割機(jī)將環(huán)形砂輪工作層切割成砂輪節(jié)塊；再將其粘在鋁基體上；經(jīng)精加工，最終制成圖1所示的6A2T 209×22.5×158×5×5磨削用試驗(yàn)砂輪。

表1 砂輪組成及編號(hào)

1.2 磨削試驗(yàn)

磨削試驗(yàn)在DISCO DFG840磨床上進(jìn)行，磨削工件為直徑200 mm、厚度785 μm的單晶硅片。磨削過(guò)程中，硅片被吸附于真空吸盤上隨工作臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)，砂輪做相向旋轉(zhuǎn)，磨削示意圖如圖2所示。磨削工藝參數(shù)如表2所示。

參數(shù)類型參數(shù)取值砂輪線速度 v1 / (m/s)40垂直進(jìn)給速度v2 / (μm/s)0.3磨削量 ap / μm200工作臺(tái)轉(zhuǎn)速 n / (r/min)120

磨削采用濕磨；修整時(shí)使用自制的精磨砂輪修整板，砂輪轉(zhuǎn)速2500 r/min，修整量50 μm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速80 r/min。

1.3 磨削結(jié)果表征方法

砂輪磨削前后的檢測(cè)指標(biāo)有表面形貌、砂輪的磨損情況及磨床主軸電流、單晶硅片的表面粗糙度、損傷層厚度。用掃描電子顯微鏡(FEI Inspect S50)背散射檢測(cè)砂輪磨削前后的表面形貌；用磨床自帶的測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)磨削過(guò)程中砂輪的磨損情況和主軸電流的變化情況；用哈量2205B型表面粗糙度儀檢測(cè)磨削后硅片的表面粗糙度Ra、Ry和Rz；用“角度截面顯微觀測(cè)法”計(jì)算硅片表面的損傷層厚度[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金剛石砂輪磨削前的表面形貌

圖3是不同樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削前的表面背散射照片。掃描電子顯微鏡背散射成像技術(shù)主要用于樣品表面不同元素分布情況的觀察，而CaF2中Ca元素原子序數(shù)大，背散射電子多，SEM探頭接收到的信號(hào)強(qiáng)，在圖上相對(duì)較亮，可清楚觀測(cè)出填料CaF2在砂輪工作層中的分布狀態(tài)。從圖3可以看出：砂輪中各組分分布狀況良好且相對(duì)均勻，其中CaF2在砂輪工作層中呈彌散狀分布，且隨著其含量的增加，結(jié)合劑橋變薄。這就造成在磨削過(guò)程中，結(jié)合劑容易發(fā)生斷裂，從而使新磨粒不斷露出，保持砂輪的持續(xù)鋒利。

2.2 磨床主軸電流及金剛石砂輪磨削后的表面形貌

隨砂輪負(fù)載不同，切削力相應(yīng)變化；切削力的變化會(huì)引起電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)電流相應(yīng)變化。因此，磨床主軸電流能反映磨削過(guò)程中磨削力的變化情況[13]。在端面磨削中，磨削力一般包括徑向力、切向力和法向力：法向力將磨粒擠壓至工件表層，從而將工件材料去除；切向力直接反映磨削過(guò)程中的功率需求；徑向力在端面磨削中可忽略不計(jì)。樹(shù)脂結(jié)合劑端面磨砂輪采用CaF2為固體潤(rùn)滑劑，在磨削中碳鋼和軸承鋼時(shí)，其磨削力都有較大幅度的下降[15]。

圖4為磨床主軸電流隨加工硅片數(shù)量的變化。從圖4中可以看出：砂輪中添加CaF2后，磨床主軸電流下降較多，且主軸電流隨硅片加工片數(shù)增多變化不大；當(dāng)CaF2體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，主軸電流最小，約為6.4 A。這是因?yàn)樘砑覥aF2降低了磨屑黏附在砂輪表面的概率，并使結(jié)合劑橋變薄；當(dāng)其受到的外力達(dá)到斷裂閾值時(shí)，結(jié)合劑橋斷裂，新磨粒隨即露出，保證了砂輪持續(xù)的切削能力，也就阻止了由于磨粒鈍化造成的磨削力上升的趨勢(shì)。此外，加入CaF2改善了磨削過(guò)程中磨粒在滑擦和耕犁階段的受力，降低了工件和砂輪之間的摩擦系數(shù)，進(jìn)而減小了切向力。受到以上因素的綜合影響，砂輪磨削力下降，機(jī)床的主軸電流減小。

2種砂輪磨削后表面的背散射照片如圖5所示。圖5a中有明顯的黏屑(圖中亮點(diǎn))，圖5b則無(wú)此現(xiàn)象，且圖5b中可以清晰地看到表面紋路。這些紋路是CaF2在砂輪表面劃擦形成的，間接證實(shí)了砂輪在磨削過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)合劑橋均勻斷裂的現(xiàn)象，因而持續(xù)保證砂輪的鋒利性，這也和圖4的分析相一致。

2.3 金剛石砂輪磨削過(guò)程中的磨損情況

圖6為硅片數(shù)量對(duì)砂輪磨損量的影響。圖6中：4種砂輪的磨損量都隨硅片數(shù)量的增加而增加；同時(shí)，CaF2添加量增加，其總體的磨損量出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。以硅片數(shù)n為自變量、砂輪磨損量Δh為因變量進(jìn)行線性擬合，得到4個(gè)線性擬合公式：

砂輪A：Δh=0.505 9n-22.108 0，R2=0.982 6

(1)

砂輪B：Δh=0.483 2n-21.488 0，R2=0.981 2

(2)

砂輪C：Δh=0.462 8n-21.245 0，R2=0.980 5

(3)

砂輪D：Δh=0.448 6n-20.761 0，R2=0.978 7

(4)

式(1)～(4)中的R2是擬合相關(guān)系數(shù)，值越接近1表示擬合越理想，4個(gè)線性擬合曲線均較理想。式(1)～(4)中的擬合曲線斜率即為磨削1片硅片時(shí)的砂輪消耗量，其值變化明顯并隨CaF2的加入量增多而降低，其中砂輪D的磨損量最低，為每片0.448 6 μm，與砂輪A的0.505 9 μm相比，磨損量下降了11.3%。這是因?yàn)殡m然CaF2的加入使結(jié)合劑橋變薄，但相應(yīng)地也對(duì)砂輪的工作層組織起到補(bǔ)強(qiáng)作用，從而降低了砂輪的磨損[16]。

2.4 硅片表面粗糙度及損傷層厚度

硅片的磨削質(zhì)量常用表面粗糙度Ra、Ry和Rz來(lái)表征：Ra表示輪廓算術(shù)平均偏差， 可以反映硅片磨削表面的宏觀粗糙度；Ry表示微觀不平度十點(diǎn)高度；Rz表示輪廓最大高度。Ry和Rz可以間接反映晶圓表面由于砂輪磨削引起的表面輪廓變化，硅片表面輪廓度變化越小，硅片的碎片率越低。

圖7是不同砂輪磨削后硅片的表面粗糙度變化趨勢(shì)。從圖7中可以看出：CaF2的體積分?jǐn)?shù)不同，硅片的表面粗糙度Ra變化不大，Ry和Rz變化明顯；相對(duì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)CaF2體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，Ra、Ry和Rz分別達(dá)到最小值0.056 μm、0.382 μm和0.396 μm。

影響表面粗糙度Ra的決定性因素是磨粒的大小，A、B、C、D砂輪的金剛石粒度相同，變化的只是CaF2的加入量及砂輪組織不同。單一的砂輪組織結(jié)構(gòu)變化并不會(huì)對(duì)磨削工件的粗糙度有重大影響，這也解釋了Ra變化不明顯的原因。同時(shí)，加入CaF2后硅片和砂輪之間的摩擦力減小，砂輪的鋒利度改善，使Ry和Rz明顯下降，硅片的表面輪廓度趨于一致。

圖8是2種砂輪磨削硅片后其表面用顯微鏡測(cè)量的裂紋長(zhǎng)度。將圖8中的數(shù)據(jù)代入文獻(xiàn)[14]中進(jìn)行計(jì)算，得出砂輪D磨削后硅片的損傷層厚度為0.559 6 μm，砂輪A的則為0.792 8 μm，表明添加CaF2可有效減小單晶硅片的表面損傷層厚度。

在超精密磨削過(guò)程中，材料去除是由磨粒的微切削造成的，這種微切削會(huì)在單晶硅片表面造成微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生會(huì)降低硅片的強(qiáng)度和耐變形能力。CaF2的加入降低了工件和砂輪之間的摩擦作用，同時(shí)也賦予砂輪良好的切削能力，使單晶硅片的表面損傷層厚度減小。

(a)砂輪AGrinding wheel A(b) 砂輪DGrinding wheel D圖8 用顯微鏡測(cè)量的單晶硅片表面裂紋長(zhǎng)度 Fig. 8 Crack length measured by microscope on the surface of silicon-based wafers

3 結(jié)論

(1)樹(shù)脂金剛石砂輪中加入CaF2固體潤(rùn)滑劑，可降低砂輪和工件之間的摩擦系數(shù)，提高砂輪的切削能力，同時(shí)也可減小砂輪的磨損量、延長(zhǎng)砂輪的使用壽命并提高硅片的表面質(zhì)量。

(2)當(dāng)CaF2體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，磨床的主軸電流約6.4 A，砂輪磨損量為0.448 6 μm/片，單晶硅片表面的粗糙度為Ra0.056 μm、Ry0.382 μm和Rz0.396 μm，表面損傷層厚度為0.559 6 μm，硅片具有更高的強(qiáng)度和耐變形能力。