光電材料加工用套料鉆頭和研磨減薄砂輪關鍵制造技術

劉 偉,劉一波 ,曹彩婷,徐 強, 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任公司,北京 102200)

光電產業作為21世紀最大、最活躍的產業之一，在促進國民經濟和科學發展中起了重要的作用，在國際高科技競爭及國家安全方面具有極其重要的意義[1]。隨著科學技術的迅猛發展，藍寶石晶體、單晶硅和特種陶瓷材料由于其優異的物理特性已成為現代工業，尤其是微電子及光電子產業極為重要的基礎材料[2-4]。藍寶石單晶具有耐磨損、機械強度高、光透過率高、抗化學腐蝕性強，同時與半導體材料GaN晶系數失配率小而被廣泛用作光電襯底材料。據法國Yole統計[5]，藍寶石襯底材料應用占比約75%，其中半導體照明(LED)襯底材料占比95%以上。高性能芯片的獲得很大程度依賴藍寶石襯底片的表面加工質量，而藍寶石具有高硬度和高化學穩定性屬于硬脆難加工材料，其加工過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。藍寶石襯底片的加工流程如圖1所示。藍寶石襯底片加工過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。

藍寶石襯底片加工過程的特點決定了對金剛石工具的要求顯著不同于傳統金剛石工具，需要有更高的精度、更好的性能、更復雜的制造工藝。本文重點介紹藍寶石襯底片加工過程中所用的金剛石套料鉆和研磨減薄砂輪的關鍵技術。

1 光電材料加工用套料鉆頭

在藍寶石襯底加工中，金剛石套料鉆用于藍寶石晶棒的掏棒加工。隨著藍寶石襯底片向更薄更大的方向發展，對金剛石套料鉆的要求也越來越高。目前市面上2寸套料鉆基本上實現了國產化，而4寸及6寸以上的金剛石套料鉆基本上采用進口產品。安泰鋼研也推出了2寸、4寸和6寸的金剛石套料鉆產品。

1.1 鉆進機理介紹

李大佛等[6]介紹了孕鑲金剛石鉆頭的鉆進破巖機理，筆者認為孕鑲鉆鉆進機理也同樣適用于藍寶石晶棒的掏料過程。藍寶石掏料過程主要是套料鉆頂部金剛石切削刃對藍寶石晶體進行切削，產生的切削通過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 藍寶石晶棒套料加工Fig．2 Trepanning of Sapphire rods

1.2 套料鉆設計

1.2.1 鉆頭的結構設計

藍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(結構示意見圖3)。由于藍寶石晶棒技術含量較高，不僅具有高毛利率的優勢，而且占襯底成本比重達50%以上，藍寶石晶體的出棒率將直接影響晶棒的成本，因此藍寶石掏棒對金剛石套料鉆結構設計提出了更高的要求：1)要求套料鉆口徑更大；2)要求套管長度更長，且跳動??；3)要求套料鉆刀頭更薄，內外徑公差范圍窄。圖4給出了套料鉆產品的刀頭結構設計圖。

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，基體的有效長為120～440 mm； 3)要求刀頭與基體配合的內側隙為0.45±0.05 mm，外側隙為0.45±0.05 mm；4)2寸套料鉆跳動≤0.05mm，4寸≤0.08mm，6寸≤0.10mm。

圖3 藍寶石加工用套料鉆基本結構Fig．3 Structure diagram of nesting drills1．螺紋接頭 2．管體 3．刀頭

圖4 套料鉆及刀頭結構設計Fig．4 Nesting drill and its drill head design

1.2.2 套料鉆頭的配方設計

在藍寶石晶體的掏棒過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]。晶棒側圓表面不能有明顯的裂紋、破碎等現象。要滿足掏棒的質量，除了涉及套料鉆頭結構設計外，對套料鉆頭刀頭配方設計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，同時胎體對金剛石的把持力強，且胎體和金剛石磨損一致； 3)選擇合適的金剛石，既能滿足鋒利度又要滿足耐磨性的要求。

安泰鋼研根據市場上手動和自動兩種不同機型開發了2個不同鉆進工藝要求的胎體系列。對于手動系列Cu基胎體，可以滿足在不修刀的條件下連續掏棒，而對于自動設備有在線修刀裝置的則配備Co基胎體，在掏棒中具有更長的使用壽命。

1.3 套料鉆頭制備關鍵技術及質量控制

套料鉆頭生產工藝流程如圖5所示。金剛石套料鉆頭制備過程關鍵技術： 1)超薄刀頭制造技術；

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

2)高精度焊接技術；3)套料鉆頭修磨技術；4)套料鉆應用技術。生產過程中的質量控制關鍵點： 1)原材料檢驗，包括金屬粉和金剛石的檢驗。2)刀頭生產過程控制：A確保粉金混料均勻，同時避免粗顆粒金剛石混入；B刀頭裝分均勻，通過多次裝分完成；C確保燒結工藝一致性。 3)激光焊接過程控制：A套料鉆基體要輕拿輕放，避免運輸過程出現應力；B保證刀頭和基體的對中性；C確保焊接工藝，以保證焊接后不出現裂紋等缺陷。4)修磨開刃過程控制：A設計工裝，確保鉆桿在刀頭附近處跳動小于0.05mm；B修磨工藝控制，確保套料鉆頂刃和內外側金剛石出露合適。5)鉆頭的應用技術：對于手動設備和自動設備，套料鉆的配方設計以及公差范圍要合理控制，確保套料鉆能夠穩定使用。6)出廠前各項指標檢驗，套料鉆采用全檢的檢測方式，不合格不放行。

1.4 套料鉆頭規格及型號介紹

安泰超硬產套料鉆規格及型號簡介，見表1。

表1 安泰套料鉆規格及型號

實例1:國內某客戶采用手動鉆機：機臺轉速355r/min，進刀13～21mm/min，每鉆進60～80mm修磨一次，安泰掏棒的鋒利度較好，每掏一根220mm長4寸晶棒需要時間約17～18min。而同類進口產品所需時間為25～27min，效率提高30%以上。

實例2:國內某客戶采用自動鉆機，其掏料過程設備參數，列于表2。同樣設備參數，進口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，價格相同。

表2 某套料過程設備工藝參數

2 藍寶石襯底切片研磨減薄砂輪

藍寶石磨削過程中的各個影響因素如圖6所示。本文著重介紹作為耗材的減薄砂輪制程關鍵技術。

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

2.1 減薄砂輪工作機理

不同于金屬材料的磨削加工，藍寶石磨削機理仍然是一個比較重要的研究課題。如何能夠更好地解決藍寶石加工的難題——低效率和高成本，也是廣大工程人員今后要繼續深入研究的一個課題。Marinerscu等人[9]認為，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而成，磨削中無數的金剛石微切削刃同時車削工件從而達到材料的去除，研磨過程如圖7所示。磨削機理[10]如圖8所示，兩相接觸處，其應力和變形會引起微裂紋，導致陶瓷晶粒破碎，從而實現對硬脆陶瓷的磨削加工。

圖7 研磨過程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 減薄砂輪設計要求

本文涉及的藍寶石襯底片減薄加工精度較高：12A2M-304-36N規格的減薄砂輪要求：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)動平衡等級G1.0以內；3)金剛石粒度180目～600目之間，根據客戶要求選擇。以4寸晶片為例的產品磨削要求：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，表面無明暗裂紋及劃痕，良品率99.5%以上。藍寶石襯底研磨減薄砂輪設計中需要具備以下特點：較高的鋒利度，滿足較小的切削力；對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程中有脫?，F象發生；較好的自銳性，整個加工過程不需要額外開刃；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；砂輪的行為公差一致性好。

2.3 減薄砂輪制備關鍵技術及質量控制

減薄砂輪制程生產工藝流程如圖9：

減薄砂輪制備過程中關鍵技術包括刀頭的制備、砂輪粗坯制程以及砂輪修整開刃。生產過程中的質量控制關鍵點有：原材料的檢驗標準，保證材料的一致性；混料過程控制，確保過程中不會有粗顆粒金剛石混入，同時通過混料工藝保證混料的均勻性；燒結工藝控制，通過實驗確定最佳燒結工藝，確保每次燒結刀頭性能的一致性；粘接技術，確保刀頭和砂輪基體粘接牢固，避免磨削過程中出現掉刀頭現象；修整過程，選擇合適的砂輪對減薄砂輪進行整型開刃；另外砂輪應用技術，配合客戶選擇合理的加工參數，確保加工的質量和效率對產品質量來說也非常重要。

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

2.4 減薄砂輪規格及型號介紹

安泰鋼研提供的產品在國內某用戶生產線使用，各項指標已經達到甚至超越國外同類產品水平，而價格只有國外產品的80%左右，極具性價比。以下將通過具體應用實例來加以說明。

實例1，12A2M-304-36N藍寶石減薄金剛石砂輪，加工4寸藍寶石襯底片，主軸轉速1000r/mim，進給量0.05mm/min,壽命2500片(進口同類產品壽命2300片左右)，良品率99.9%以上。

實例2，12A2M-255-26N 藍寶石減薄金剛石砂輪，加工2寸藍寶石襯底片，主軸轉速1000r/mim，進給量0.04mm/min,壽命5500片左右(進口同類產品壽命片5000片左右)，良品率99.9%以上。

3 結語

隨著芯片產業的不斷發展，芯片制程對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。這必然會對作為襯底材料最佳選擇的藍寶石、單晶硅、特種陶瓷產品的加工提出更高的挑戰。這類材料加工用金剛石工具基本上是國外壟斷，國內相關企業起步晚，基礎薄弱，還有很長一段路要走。當務之急要做的工作有如下幾點：

(1)國內金剛石工具相關企業要加大光電領域金剛石工具研發投入，對微觀加工領域的機理進行全面的技術研究，為產品的開發提供理論基礎。

(2)芯片企業、裝備企業、金剛石工具企業以及高校要形成產、學、研、用一體化的聯盟，高校提供人才培養人才，裝備企業根據加工要求設計合適的裝備，芯片企業提供實驗基地，金剛石工具企業提供相關高檔金剛石工具。

(3)從國家到產業均需高度重視相關瓶頸金剛石工具的開發，企業間應協同有效攻克相關產品的關鍵技術，從而提升國內芯片的競爭力。