電沉積超薄金剛石切割刀片背面結(jié)瘤缺陷的形成機(jī)理

祝小威, 邵俊永, 王永寶, 王 戰(zhàn), 劉建雙, 李媛媛

(1. 超硬材料磨具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001) (2. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001)

電沉積超薄金剛石切割刀片具有精度高、切縫小、加工表面質(zhì)量好等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于半導(dǎo)體晶圓的切割。切割刀片以鋁合金為基體，通過沉積前處理[1-4]、復(fù)合電沉積，使鎳與金剛石共沉積于鋁合金基體上，之后去除部分鋁合金基體露出鍍層，形成刀刃。鋁合金基體剖面和切割刀片制造過程如圖1所示。

超薄金剛石切割刀片屬于精密加工工具，必須保證其切口整齊，無崩口、無毛刺、無裂紋[5]。刀片缺陷對切割質(zhì)量影響很大，其缺陷包括刀片正面的結(jié)瘤、金剛石顆粒的過度包鑲、表面形狀不規(guī)則的溝谷，刀片背面(與基體結(jié)合一側(cè)的)的結(jié)瘤、凹坑等[6]。無論刀片哪一面出現(xiàn)缺陷，都會(huì)造成材料切縫寬、崩口大等一系列切割質(zhì)量問題[6]。

目前，刀片正面缺陷的形成機(jī)理已被廣泛研究[6]，但對其背面缺陷形成原因的研究較少。因此，本文通過對刀片背面結(jié)瘤的形貌、成分及電沉積前處理過程中鋁合金基體表面的形貌和成分演變等進(jìn)行觀察和分析，旨在給出刀片背面結(jié)瘤缺陷的形成原因及機(jī)理，以改善刀片背面結(jié)瘤、從而減少超薄金剛石切割刀片的制造缺陷。

1 切割刀片基體前處理方法及性能表征

對精加工后的5086鋁合金基體進(jìn)行復(fù)合電沉積前處理，前處理采用二次浸鋅法[7-8]，具體工序?yàn)椋簤A洗Ⅰ—酸洗Ⅱ—1次浸鋅Ⅲ—退鋅Ⅳ—2次浸鋅Ⅴ。前處理用試劑、質(zhì)量濃度及處理溫度見表1。

表1 前處理溶液組成及工藝參數(shù)Table. 1 Parameters and solution formulation for pretreatment

利用水冷系統(tǒng)、水浴鍋等設(shè)備滿足前處理各工序溫度要求。用FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡和Octane Pro能譜儀研究前處理后鋁合金基體的表面形貌和成分。之后在鋁合金基體上進(jìn)行鎳-金剛石復(fù)合電沉積，電沉積工藝參數(shù)見表2。

表2 電沉積溶液組成及工藝參數(shù)Table. 2 Parameters and solution formulation for electrodeposition

電沉積完成后，通過去除基體部分鋁合金露出刀刃背面，用FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡觀察刀刃背面結(jié)瘤的形貌和特征，用Octane Pro能譜儀研究結(jié)瘤成分，用Bruker Dimension Edge原子力顯微鏡觀察結(jié)瘤的三維圖像，分析其與鋁合金基體的結(jié)合情況，進(jìn)而分析刀刃背面結(jié)瘤產(chǎn)生的原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 切割刀片背面形貌分析

圖2為去除復(fù)合電沉積后刀刃背面的鋁合金基體獲得的刀片背面的SEM形貌。圖3為原子力顯微鏡下刀片背面的三維圖像。

圖2 刀片背面形貌

圖3 刀片背面的三維圖像

從圖2看到：無數(shù)結(jié)瘤分布于沉積層背面，尺寸0～6 μm不等。EDS成分分析表明，結(jié)瘤處只有鎳，因此為鎳瘤。從圖3中可以看到：結(jié)瘤大部分呈圓頂狀，鎳瘤高于沉積層平面0～2.4 μm不等。由此判斷與沉積層背面接觸的鋁合金基體表面上存在大小0～6 μm，深度0～2.4 μm的孔洞，因此研究鋁合金基體的表面形貌及其在前處理過程中的演變顯得尤為重要。

2.2 前處理各工序下刀片背面鋁合金基體表面的形貌及成分演變

前處理前的鋁合金基體表面形貌如圖4所示。

從圖4a可以看到：基體表面分布著許多斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)形狀不一，尺寸不等。從圖4b的放大圖可以看到：某一斑點(diǎn)放大后，低倍下看到的斑點(diǎn)是由許多異于正常組織的粒狀物組成，其顆粒尺寸0～6 μm，埋于周圍的鋁合金中。

正常基體表面和斑點(diǎn)處的EDS分析結(jié)果如圖5所示。比較圖5a和圖5b后發(fā)現(xiàn)：斑點(diǎn)位置除了鋁合金基體正常組織的主要元素Al和Mg外，還含有Fe、Mn和Si，這是鋁合金制造過程中為改善鋁合金的性能而添加的微量元素。在后續(xù)加工過程中，這些微量元素從鋁合金中析出，以顆粒狀的形式包裹于周圍的鋁合金中。

圖6是鋁合金基體經(jīng)堿洗后(工序Ⅰ)的表面形貌照片。堿洗后鋁合金基體表面斑點(diǎn)處的EDS成分分析如圖7所示。

從圖6a可以看到：與圖4a比較，圖6a的鋁合金基體表面明顯變粗糙，表面仍存在斑點(diǎn)，且斑點(diǎn)更加明顯。從圖6b可以看到：相較于圖4b，圖6b的斑點(diǎn)處的粒狀物逐漸暴露出來，已經(jīng)明顯高于基體表面，形成了凸起。而圖7的分析結(jié)果表明，斑點(diǎn)處物質(zhì)的成分較處理前的圖5b成分沒有發(fā)生變化，說明斑點(diǎn)處的顆粒狀物質(zhì)不溶于堿洗液。因此，只有鋁合金表面的氧化物被堿溶解，導(dǎo)致鋁基體表面變粗糙；同時(shí)由于粒狀物周圍的鋁合金被溶解，鋁基體表面不與堿洗液反應(yīng)的粒狀物逐漸暴露于基體表面。

圖7 堿洗后鋁合金基體表面斑點(diǎn)處的EDS成分

圖8是鋁合金基體酸洗后(工序Ⅱ)的表面形貌照片。從圖8a中可以看到：鋁合金表面的斑點(diǎn)無明顯變化。放大某一斑點(diǎn)，如圖8b所示，斑點(diǎn)處的粒狀物暴露于基體表面，且粒狀物周圍開始出現(xiàn)縫隙。斑點(diǎn)處的EDS成分分析表明，顆粒狀物質(zhì)的成分無變化，這說明酸洗液也不與斑點(diǎn)處的粒狀物發(fā)生反應(yīng)。

酸洗液繼續(xù)和鋁發(fā)生反應(yīng)，使得在堿洗步驟暴露出的粒狀物進(jìn)一步暴露于基體表面。因?yàn)榱钗镏車匿X進(jìn)一步反應(yīng)，導(dǎo)致不與酸反應(yīng)的粒狀物周圍開始出現(xiàn)縫隙。

鋁合金基體1次浸鋅(工序Ⅲ)后的表面形貌照片如圖9所示。圖10為1次浸鋅后鋁合金基體表面正常位置和凸起位置的EDS成分。

圖9中顯示：鋅以鋅粒的形式沉積于基體表面，鋅粒呈球狀，尺寸0～1 μm不等。同時(shí)，浸鋅層較粗糙，但基體表面未被浸鋅層完全覆蓋，且浸鋅層表面存在鋅粒堆積而成的凸起。對比圖10a、圖10b可知:圖10b的凸起處除Zn元素外，存在與基體表面斑點(diǎn)成分圖5b對應(yīng)的Al、Mg、Fe、Mn和Si元素，說明在一次浸鋅過程中基體表面斑點(diǎn)處粒狀物沒有脫落，鋅粒直接在斑點(diǎn)處沉積，形成浸鋅層表面凸起。

退鋅后(工序Ⅳ)鋁合金基體的表面形貌如圖11所示。從圖11中可以看到：退鋅后的基體表面存在許多孔洞，這些孔洞尺寸在0～10 μm不等。這說明1次浸鋅和退鋅過程對鋁合金基體表面有強(qiáng)烈的腐蝕作用。

1次浸鋅時(shí)，浸鋅液為強(qiáng)堿溶液，與鋁基體發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，經(jīng)硝酸退除鋅層后，鋁基體表面的粒狀物大量脫落，而形成0～10 μm的孔洞。

圖12是鋁合金基體表面2次浸鋅(工序Ⅴ)后的表面形貌照片。圖13是2次浸鋅孔洞處的EDS成分分析結(jié)果。

圖12中的2次浸鋅層變得致密，鋅粒更加細(xì)小。圖12a的低倍下可以看到孔洞周圍鋅粒較多，圖12b的高倍下可以看到孔洞內(nèi)部鋅粒較少，孔洞未被鋅粒填滿，于是在2次浸鋅的鋁合金基體表面留下0～6 μm大小不等的孔洞。圖13的EDS結(jié)果表明：孔洞處存在Al、Mg和Zn，這是鋁合金基體表面正常組織處的成分(圖5a)，不再有Fe、Mn和Si成分，進(jìn)一步表明歷經(jīng)退鋅過程后，基體表面的粒狀物已完全脫落。

圖13 2次浸鋅孔洞處的EDS成分

2次浸鋅時(shí)，鋅粒優(yōu)先在孔洞周圍形核，于是孔洞周圍的鋅粒較多。而在孔洞內(nèi)部浸鋅液難以浸潤，造成孔洞內(nèi)部沉積的鋅粒較少。但由于孔洞周圍沉積上鋅，因此2次浸鋅后基體表面的孔洞尺寸較退鋅后小。

2.3 切割刀片背面結(jié)瘤形成原因及機(jī)理分析

對上述鋁合金基體沉積前的處理過程進(jìn)行分析，可得出切割刀片背面結(jié)瘤的形成原因。

5086鋁在制造過程中加入的微量元素會(huì)形成顆粒狀析出物，緊密包裹于周圍的鋁合金中。顆粒物周圍的鋁合金在堿洗和酸洗過程中被腐蝕，顆粒物逐漸暴露在基體表面上，且與周圍鋁合金間出現(xiàn)縫隙。1次浸鋅時(shí)，鋅粒直接在粒狀物表面沉積，在鋅層表面形成凸起。1次浸鋅溶液為強(qiáng)堿液，與鋁基體發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，硝酸退除鋅層后，鋁基體表面的粒狀物大量脫落，從而形成0～10 μm的孔洞。2次浸鋅時(shí)，鋅粒優(yōu)先在孔洞周圍沉積，但在孔洞內(nèi)部沉積較少，因此2次浸鋅后的鋁合金表面仍有尺寸0～6 μm孔洞。電沉積時(shí)，鎳在孔洞處沉積，去除鋁合金基體后，在刀片背面會(huì)形成0～6 μm大小的凸起，即鎳瘤。

因此，經(jīng)過前處理后，鋁合金基體表面存在眾多析出物脫落后留下的孔洞。進(jìn)行電化學(xué)沉積時(shí)，由于鍍液中存在表面活性劑，大大降低了鍍液的表面張力，導(dǎo)致孔洞被潤濕，鎳可在在孔洞內(nèi)部沉積。剝離部分鋁合金基體后，在刀片背面形成了鎳瘤。

2.4 刀片背面結(jié)瘤改善措施

由之前的分析可得，結(jié)瘤形成的原因主要是析出物脫落，因此通過改進(jìn)鋁合金基體鑄造和均勻化工藝，減小其顆粒狀析出物尺寸，即可減輕刀片背面的結(jié)瘤狀況。

從前處理各工序來看，各工序都對鋁合金基體表面有強(qiáng)腐蝕作用，使表面析出物周圍的鋁合金被腐蝕，導(dǎo)致析出物脫落。因此，使用腐蝕性較小的前處理液，也可減輕刀片背面的結(jié)瘤狀況。

3 結(jié)論

(1)刀片背面的結(jié)瘤缺陷是由于鋁合金基體在前處理過程中，其表面析出物周圍的鋁合金被溶解，析出物脫落，在鋁合金表面形成孔洞；而孔洞處難以被潤濕，導(dǎo)致2次浸鋅后的鋁基體表面仍有尺寸0～6 μm的孔洞；電沉積時(shí)，鎳在孔洞處沉積，去除鋁合金基體后，在刀刃背面形成了高于鎳層的凸起，即鎳瘤。

(2)由前處理中鋁合金基體表面的形貌演變可知，堿洗和酸洗主要使粒狀析出物與周圍鋁合金之間產(chǎn)生縫隙。1次浸鋅溶液為強(qiáng)堿液，與鋁基體發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，經(jīng)硝酸液退除鋅層后，鋁基體表面的粒狀物脫落，在鋁基體表面留下了大量孔洞。

(3)選用顆粒狀析出物尺寸較小的鋁合金基體，或選用腐蝕性較小的前處理液，即可減輕刀片背面的結(jié)瘤狀況。