燒結制度對陶瓷結合劑金剛石砂輪的蜂窩狀組織結構的影響*

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重要的作用，主要用到的是超細粒度的陶瓷結合劑金剛石砂輪[1]。陶瓷結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行磨削加工時，可以獲取納米級的表面粗糙度；當磨料粒度進一步下降至250 nm時，磨削晶圓的粗糙度可以達到1 nm以內(nèi)，且損傷層小于100 nm[2]。但是，由于結合劑對磨粒的把持能力強，采用亞微米金剛石制作的陶瓷結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構一般都具有高孔隙率的蜂窩狀組織結構[4]。

燒結制度對蜂窩狀組織結構的形成起著十分重要的作用。燒結制度主要包括升溫速度、排膠溫度和時間、燒結溫度和保溫時間等參數(shù)。通過查閱文獻可以得出[5]，燒結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溫度。

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

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、陶瓷結合劑、有機微球混合均勻，過80號篩網(wǎng)；加入臨時黏結劑，將混合粉體全部潤濕，使用油壓機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 ℃的鼓風干燥箱中干燥8 h；最后置于馬弗爐中，按照特定的燒結制度進行燒成。

表1 燒結物料的配方

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、抗折強度等性能，研究燒結制度的影響。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上測試樣條的抗折強度，樣品的孔隙率采用排水法進行測量。用德國耐馳的STA 449F3型同步熱分析儀進行成型料的熱重-差示掃描量熱分析(thermogravimetry-differential scanning calorimetry，TG-DSC)，測定成型料的燒結制度。測定時的升溫速度取10 ℃/min，溫度范圍為0～800 ℃。

2 試驗結果與討論

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系。

當升溫速率過快時，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，添加的有機微球得到了充分的燃燒、揮發(fā)。經(jīng)試驗確定，此有機微球的著火點在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，陶瓷結合劑開始出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，金剛石磨料開始被結合劑包裹。由于此種砂輪需要大量的孔隙來形成蜂窩狀組織結構，因此保溫階段不需要太高的燒結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合劑填充。試驗選取的升溫速率為5 ℃/min，在不同的燒結溫度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

當坯體燒結完成后，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：燒結完成后關閉電源，當溫度降到200 ℃后，打開爐門，以保證穩(wěn)定的冷卻速率。

2.2 燒結制度對砂輪的蜂窩狀組織結構的影響

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

圖2 不同燒結溫度下砂輪的燒結工藝

圖3給出的是不同燒結溫度下砂輪的組織結構的SEM圖。從圖3中可以明顯看到：當燒結溫度為710 ℃時，出現(xiàn)蜂窩狀結構；溫度達到730 ℃時，砂輪的蜂窩狀結構構建良好，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。說明溫度達到730 ℃時，陶瓷結合劑的狀態(tài)剛好，有機造孔劑占位留下來的孔沒有因結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度，提高砂輪的使用壽命[7]。當溫度繼續(xù)升高時，砂輪的蜂窩狀結構逐漸遭到破壞，溫度達到770 ℃時，孔徑變大，有許多通孔存在。原因可能是溫度達到770 ℃時，陶瓷結合劑流動性變大，之前有機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 ℃為較好的燒結溫度。

圖4表示的是砂輪在不同燒結溫度下的抗折強度與氣孔率。從圖4中可以看出，當溫度逐漸升高時，砂輪的抗折強度會逐漸下降，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構砂輪的一大特點，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 不同燒結溫度下的砂輪的抗折強度與氣孔率

為了考察保溫時間對砂輪的蜂窩狀組織結構的影響，在燒結溫度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構，如圖5所示。

圖5 不同保溫時間下砂輪的燒結工藝

圖6給出的是燒結溫度為750 ℃，不同保溫時間下的砂輪的蜂窩狀結構的SEM圖。從圖6中可以看出：當燒結溫度為750 ℃，保溫60 min時，砂輪的蜂窩狀結構孔徑相差較大，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，原因可能是結合劑中的氧揮發(fā)而形成了小的孔隙；當保溫時間逐漸延長時，其蜂窩狀組織結構逐漸完善，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]；當保溫時間達到150 min時，蜂窩狀結構遭到破壞，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，陶瓷結合劑發(fā)泡，形成諸多小氣泡，對蜂窩狀結構的構建起到了相反的作用。

圖7表示的是燒結溫度750 ℃，不同保溫時間下砂輪的抗折強度和氣孔率。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；砂輪的抗折強度則形成逐漸減小的趨勢。當保溫時間為60 min時，抗折強度為36.7 MPa，隨著保溫時間延長至90 min，抗折強度降至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度，這和砂輪的氣孔率稍微升高保持一致[13]；當繼續(xù)延長保溫時間至150 min時，砂輪抗折強度降低、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度與氣孔率

3 結論

結合坯體的TG-DSC曲線，通過對比氣孔率和抗折強度、觀察微觀形貌等方式，考察了燒結制度對磨削硅片用陶瓷結合劑砂輪的蜂窩狀組織結構的影響，確定了形成良好蜂窩狀結構的砂輪的燒結制度工藝：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；燒結完成后隨爐冷卻。通過該工藝可制備出蜂窩狀結構良好的超細粒度陶瓷結合劑砂輪。