新興工業(yè)材料加工用金剛石工具

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

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新興工業(yè)材料加工用金剛石工具

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

摘 要:文章簡(jiǎn)單綜述了金剛石工具在光伏產(chǎn)業(yè)、LED和半導(dǎo)體等領(lǐng)域的應(yīng)用,并介紹了單晶硅、多晶硅和藍(lán)寶石的加工流程和加工過(guò)程中用到的金剛石工具,其中重點(diǎn)介紹了金剛石圓鋸片、高精度鉆頭、金剛石線鋸、超細(xì)粒度金剛石砂輪和金剛石超薄切割片,最后就國(guó)內(nèi)金剛石工具的發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)單闡述。

關(guān)鍵詞:單晶硅;多晶硅;藍(lán)寶石;砂輪;線鋸

1　前言

我國(guó)金剛石工具的發(fā)展經(jīng)歷了地質(zhì)勘探、石材和建材加工等傳統(tǒng)的大發(fā)展階段,其代表產(chǎn)品包括地質(zhì)鉆頭、金剛石鋸片、繩鋸、框架鋸等。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,以及國(guó)家對(duì)環(huán)保理念的不斷普及,金剛石工具不斷地進(jìn)入新領(lǐng)域,如光伏半導(dǎo)體晶硅加工、LED領(lǐng)域的藍(lán)寶石加工以及其他硬脆貴重材料的加工;新產(chǎn)品、新技術(shù)研發(fā)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(kāi)發(fā)出來(lái),如高精度套料鉆頭、金剛石線鋸、超細(xì)粒度金剛石砂輪、金剛石超薄切割片等,已經(jīng)在新型工業(yè)材料加工中發(fā)揮著重要的作用。同時(shí),相對(duì)于傳統(tǒng)領(lǐng)域,新興領(lǐng)域?qū)饎偸ぞ咛岢隽烁叩囊?要求有更高的精度、更好的性能以及更為復(fù)雜的制造工藝,盡最大可能精細(xì)精密金剛石工具,對(duì)金剛石工具制造行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

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(jù)用途制成多晶硅、單晶硅,廣泛用于IC集成電路,也是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的材料。單晶硅的制造方法通常是先制得多晶硅或無(wú)定形硅,然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)出棒狀單晶硅。多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí),硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核,如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結(jié)合起來(lái),就結(jié)晶成多晶硅。

表1　單晶硅和多晶硅的特性與區(qū)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(xué)腐蝕—拋光等步驟。相比而言,多晶硅沒(méi)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(gè)單晶硅和多晶硅從晶錠到芯片的制備過(guò)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(duì)應(yīng)的工具以及指標(biāo)見(jiàn)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(lán)寶石加工

3.1藍(lán)寶石

藍(lán)寶石(見(jiàn)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(chǎn)業(yè)中,主要用于LED發(fā)光組件的基體。藍(lán)寶石具有硬脆的特點(diǎn),且價(jià)格昂貴,在加工過(guò)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(huán)境。而金剛石是自然界中硬度最高、耐磨性最強(qiáng)的材料,金剛石工具是加工這種材料的最佳選擇。

圖1　藍(lán)寶石晶體及晶片F(xiàn)ig.1 Sapphire crystals and wafer

3.2藍(lán)寶石加工流程

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

長(zhǎng)晶:利用長(zhǎng)晶爐生長(zhǎng)尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體;

掏棒:使用藍(lán)寶石鉆頭從藍(lán)寶石晶體中掏出藍(lán)寶石晶棒;

滾磨:用外圓磨床進(jìn)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(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置,便于精準(zhǔn)切片加工;

切片:使用金剛石線鋸將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片;

研磨:去除切片時(shí)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(jī)械強(qiáng)度;

拋光:改善晶片粗糙度,使其表面達(dá)到外延片磊晶級(jí)精度。

4　晶硅、藍(lán)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(yīng)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(duì)稱矩形;目前藍(lán)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(jié)連續(xù)邊金剛石鋸片。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作容易,刀片價(jià)格便宜;缺點(diǎn)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(nèi)圓鋸片

金剛石內(nèi)圓鋸片的優(yōu)點(diǎn)是剛性好,可做得很薄,達(dá)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(jìn)行徑向調(diào)整和切片厚度的調(diào)整,小批量多規(guī)格加工時(shí),具有靈活的可調(diào)性。缺點(diǎn)是切片表面損傷層較大;生產(chǎn)率低,每次只能切割一片;只能切割直線,無(wú)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(duì)象為藍(lán)寶石等較為貴重的硬脆材料,主要用于表殼、光學(xué)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(jià)可以達(dá)到2500元以上,國(guó)內(nèi)鉆頭的售價(jià)也可達(dá)到800元以上,與同規(guī)格的工程鉆頭(100元左右)相比,這類產(chǎn)品具有極高的附加值,而且市場(chǎng)需求量正在逐年增加,具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

套料鉆頭制造技術(shù)包括超薄環(huán)狀刀頭制造技術(shù)、高精度焊接技術(shù)以及鉆頭后續(xù)修磨技術(shù);其中超薄環(huán)狀刀頭的質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的最終使用性能起決定性的影響,該項(xiàng)技術(shù)包括均勻混料、精細(xì)造粒、標(biāo)準(zhǔn)化熱壓燒結(jié)、脫模等一系列生產(chǎn)工藝和操作標(biāo)準(zhǔn);高精度焊接技術(shù)是保證鉆頭同心度和焊接強(qiáng)度的關(guān)鍵步驟,包括焊接面處理、焊接同心調(diào)整、標(biāo)準(zhǔn)化焊接;鉆頭后續(xù)修磨能進(jìn)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(chǎn)品,并在日本和臺(tái)灣兩地大量推廣使用;到目前為止,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有包括長(zhǎng)沙岱勒、南京三超等規(guī)?；a(chǎn)金剛石線鋸的企業(yè),金剛石線鋸也廣泛應(yīng)用于單晶硅、多晶硅和藍(lán)寶石的開(kāi)方與切片,且市場(chǎng)需求量極大。一般用于晶硅開(kāi)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(lán)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(jià)格方面來(lái)說(shuō),金剛石線鋸由最開(kāi)始的3元/米到現(xiàn)在的0.6元/米,也大大推動(dòng)了客戶低價(jià)使用高品質(zhì)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。

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

隨著大尺寸硅片和藍(lán)寶石片的應(yīng)用和發(fā)展,金剛石線鋸將成為新一代硅片和藍(lán)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(lán)寶石錠,省材料、效益高,產(chǎn)量大,效率高,這一系列無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)將受到硅片和藍(lán)寶石加工企業(yè)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(chǎn)品,適用于切割單晶硅、多晶硅、藍(lán)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(yōu)質(zhì)不銹鋼,無(wú)縫焊接工藝,焊接性能優(yōu)良,具有彈性及韌性好、抗疲勞性能高、抗拉強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、偏擺度精確等特點(diǎn);刃口采用高品級(jí)金剛石顆粒,使用耐磨性強(qiáng)的雙金屬均勻牢固地鑲嵌在刃口,具有使用壽命長(zhǎng)、鋒利、切割面平整、效率高、噪音低等特點(diǎn)。一般帶鋸條的寬為38mm,厚度0.6mm,周長(zhǎng)3230～6100mm,廣泛應(yīng)用于各大光伏企業(yè)。

圖2　金剛石帶鋸Fig.2 Diamond band saw

4.5超細(xì)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(xì)到8000#均有涉及,胎體材料包括金屬基、樹(shù)脂基和陶瓷基,應(yīng)用于晶硅、藍(lán)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(chǎn)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(dá)到一個(gè)拋光過(guò)程可以處理的規(guī)格。硅片研磨時(shí),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(duì)其進(jìn)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(tài)是由無(wú)數(shù)微小破碎痕跡構(gòu)成的均勻無(wú)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(wú)變質(zhì)層、無(wú)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(shù)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(jié)劑組成一個(gè)圓環(huán)薄片狀物體,厚度在0.015～0.5毫米之間,可分為金屬結(jié)合劑刀片和樹(shù)脂結(jié)合劑刀片兩種。其中金屬結(jié)合劑電鍍刀片的厚度為0.015mm～0.1mm,金屬結(jié)合劑熱壓刀片和樹(shù)脂結(jié)合劑刀片的厚度為0.1mm～0.5mm。超薄切割片廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)各種硬脆材料進(jìn)行切割或開(kāi)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(xué)陶瓷、玻璃等;具有切割精度高、割縫窄、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn);使用時(shí)裝在專用設(shè)備上可單刀使用也可多刀同時(shí)使用。

圖3　金剛石超薄切割片F(xiàn)ig.3 Ultrathin diamond cutting discs

隨著信息電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)微型電子元器件及集成電路的切割要求越來(lái)越高,而且切割的量也越來(lái)越多。據(jù)資料介紹,世界上超薄切割片的年銷售額達(dá)5億多美元。目前,該類產(chǎn)品的市場(chǎng)主要被日本、美國(guó)等世界領(lǐng)先的公司所占領(lǐng)。這些公司所生產(chǎn)的刀具性能穩(wěn)定、規(guī)格種類齊全、具有很高的切割精度。我國(guó)電子工業(yè)正步入一個(gè)飛速發(fā)展期,對(duì)精密切割工具的需求也進(jìn)入了高速增長(zhǎng)期。但是由于國(guó)內(nèi)該類產(chǎn)品發(fā)展起步較晚,其性能還存在諸多的缺陷,不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)快速發(fā)展的要求,每年還需從國(guó)外進(jìn)口大量的各種類型的超薄片。在國(guó)內(nèi),對(duì)薄型砂輪片進(jìn)行研究和制造并打入市場(chǎng)的企業(yè)很少,因此對(duì)超薄切割片的研究與開(kāi)發(fā),具有廣闊的市場(chǎng)前景。

5　新興工業(yè)材料加工金剛石工具發(fā)展趨勢(shì)

(1)金剛石工具將越來(lái)越體現(xiàn)其“工業(yè)牙齒”的作用,在眾多的新興工業(yè)材料加工領(lǐng)域體現(xiàn)其超卓的性能。隨著原材料性能的提升、產(chǎn)品規(guī)格系列化、生產(chǎn)設(shè)備專業(yè)化和檢測(cè)手段的標(biāo)準(zhǔn)化,金剛石工具將向著更高水平發(fā)展,產(chǎn)品質(zhì)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(xì)粒度金剛石砂輪、高精度鉆頭等,國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有差距,表現(xiàn)在性能不好或者性能不穩(wěn)定,國(guó)內(nèi)的大中型企業(yè)會(huì)更愿意采購(gòu)昂貴的國(guó)外產(chǎn)品,來(lái)保持生產(chǎn)的穩(wěn)定性。這也對(duì)國(guó)內(nèi)的相關(guān)工具制造企業(yè)提出了新的挑戰(zhàn),即產(chǎn)品的精度滿足使用要求的情況下,盡可能地提高產(chǎn)品的性能,并保持產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。

(3)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品需瞄準(zhǔn)高檔、精密金剛石工具這個(gè)方向,在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,制定嚴(yán)格的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)程,來(lái)確保產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性;另外,需配備高精度數(shù)控機(jī)床、電火花、線切割等設(shè)備,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)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(jiǎn)介:劉一波(1966-),男,教授級(jí)高工,博士生導(dǎo)師,副總經(jīng)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(jí)工程師。研究方向:金剛石工具。

收稿日期:2015-09-26

中圖分類號(hào):TQ164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-1433(2016)02-0027-05

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