刘一波,徐良(1.中国钢研科技集团有限公司,北京 100081;.北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司,北京 1000)



新兴工业材料加工用金刚石工具

刘一波1,2,徐良2
(1.中国钢研科技集团有限公司,北京 100081;
2.北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司,北京 102200)

摘 要:文章简单综述了金刚石工具在光伏产业、LED和半导体等领域的应用,并介绍了单晶硅、多晶硅和蓝宝石的加工流程和加工过程中用到的金刚石工具,其中重点介绍了金刚石圆锯片、高精度钻头、金刚石线锯、超细粒度金刚石砂轮和金刚石超薄切割片,最后就国内金刚石工具的发展趋势做了简单阐述。

关键词:单晶硅;多晶硅;蓝宝石;砂轮;线锯

1　前言

我国金刚石工具的发展经历了地质勘探、石材和建材加工等传统的大发展阶段,其代表产品包括地质钻头、金刚石锯片、绳锯、框架锯等。随着技术的不断进步,以及国家对环保理念的不断普及,金刚石工具不断地进入新领域,如光伏半导体晶硅加工、LED领域的蓝宝石加工以及其他硬脆贵重材料的加工;新产品、新技术研发方面不断取得突破,新一代高附加值的金刚石工具被不断地开发出来,如高精度套料钻头、金刚石线锯、超细粒度金刚石砂轮、金刚石超薄切割片等,已经在新型工业材料加工中发挥着重要的作用。同时,相对于传统领域,新兴领域对金刚石工具提出了更高的要求,要求有更高的精度、更好的性能以及更为复杂的制造工艺,尽最大可能精细精密金刚石工具,对金刚石工具制造行业来说是一个挑战。

2　单晶硅、多晶硅加工

2.1单晶硅与多晶硅

硅属于硬脆材料,莫氏硬度为6.5,可根据用途制成多晶硅、单晶硅,广泛用于IC集成电路,也是光伏发电产业最基础和最关键的材料。单晶硅的制造方法通常是先制得多晶硅或无定形硅,然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。

表1　单晶硅和多晶硅的特性与区别Table 1 The characteristics and distinction of monocrystalline silicon and polycrystalline silicon

2.2单晶硅和多晶硅的加工流程

单晶硅的加工流程主要包括切断—滚圆—切方—研磨—切片—倒角—磨片—化学腐蚀—抛光等步骤。相比而言,多晶硅没有了切断和滚圆步骤,只需在晶锭制备完成后,切方、切片即可。在整个单晶硅和多晶硅从晶锭到芯片的制备过程中,均需要不同用途的金刚石工具参与加工,而且加工的精度要求比较高。具体的步骤和对应的工具以及指标见表2。

表2　硅材料加工用金刚石工具Table 2 Diamond tools for silicon materials

由表2可以看出,基于单晶硅和多晶硅的加工工具,主要包括金刚石锯片、带锯、金刚石砂轮以及金刚石线锯等,这些工具的制造工艺如表3所示。

表3　晶硅加工用金刚石工具制造工艺Table 3 The manufacturing process of diamond tools used for crystalline silicon

3　蓝宝石加工

3.1蓝宝石

蓝宝石(见图1)成分为Al2O3,莫氏硬度为9,仅次于金刚石的硬度,在高新产业中,主要用于LED发光组件的基体。蓝宝石具有硬脆的特点,且价格昂贵,在加工过程中通常要求精度高、加工效率快、低的材料损失以及洁净的工作环境。而金刚石是自然界中硬度最高、耐磨性最强的材料,金刚石工具是加工这种材料的最佳选择。

图1　蓝宝石晶体及晶片Fig.1 Sapphire crystals and wafer

3.2蓝宝石加工流程

从蓝宝石晶锭到最后的衬底蓝宝石片,主要包括以下步骤:长晶—掏棒—滚磨—晶棒定向—切片—研磨—倒角—抛光,每一个步骤均需要配备不同的金刚石工具来完成,主要工具有钻头、砂轮、线锯等。

长晶:利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体;

掏棒:使用蓝宝石钻头从蓝宝石晶体中掏出蓝宝石晶棒;

滚磨:用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度;

定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,便于精准切片加工;

切片:使用金刚石线锯将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片;

研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平面度;

倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度;

抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级精度。

4　晶硅、蓝宝石加工用金刚石工具

4.1金刚石圆锯片

(1)金刚石外圆锯片

金刚石外圆锯片是应用较早的切割工具,外圆周上电镀金刚石的圆锯片直径在200mm左右,多用于将单晶硅圆棒加工成硅方棒,加工后的单晶硅棒成对称矩形;目前蓝宝石晶棒去头尾切割也用到金刚石外圆锯片,一般为热压烧结连续边金刚石锯片。它的优点是结构简单,操作容易,刀片价格便宜;缺点是刀片较厚,锯口宽,材料损耗大,切割面的平行度较差。

(2)金刚石内圆锯片

金刚石内圆锯片的优点是刚性好,可做得很薄,达到0.1mm;切片精度很高,直径200mm晶片的厚度差仅为0.01mm;每片都可以进行径向调整和切片厚度的调整,小批量多规格加工时,具有灵活的可调性。缺点是切片表面损伤层较大;生产率低,每次只能切割一片;只能切割直线,无法切割曲面;不能切割直径太大的晶片。

4.2高精度套料钻头

套料钻头加工对象为蓝宝石等较为贵重的硬脆材料,主要用于表壳、光学玻璃、LED衬底的加工,钻头的精度要求非常高。以2寸的套料钻头为例,日本的钻头售价可以达到2500元以上,国内钻头的售价也可达到800元以上,与同规格的工程钻头(100元左右)相比,这类产品具有极高的附加值,而且市场需求量正在逐年增加,具有较为广阔的应用前景。

套料钻头制造技术包括超薄环状刀头制造技术、高精度焊接技术以及钻头后续修磨技术;其中超薄环状刀头的质量对产品的最终使用性能起决定性的影响,该项技术包括均匀混料、精细造粒、标准化热压烧结、脱模等一系列生产工艺和操作标准;高精度焊接技术是保证钻头同心度和焊接强度的关键步骤,包括焊接面处理、焊接同心调整、标准化焊接;钻头后续修磨能进一步提高钻头的精度。

4.3金刚石线锯

日本旭金刚石公司于2006年推出金刚石线锯产品,并在日本和台湾两地大量推广使用;到目前为止,国内已经有包括长沙岱勒、南京三超等规模化生产金刚石线锯的企业,金刚石线锯也广泛应用于单晶硅、多晶硅和蓝宝石的开方与切片,且市场需求量极大。一般用于晶硅开方用的金刚石线锯线径为0.35mm,用于晶硅切片用的线径为0.12mm,而用于蓝宝石切片的线锯线径一般为0.25mm。跟游离磨料线锯切割相比,金刚石线锯切割效率大幅度提高,如表4所示;从价格方面来说,金刚石线锯由最开始的3元/米到现在的0.6元/米,也大大推动了客户低价使用高品质产品的机会。

表4　游离磨料与电镀金刚石线锯切割性能对比Table 4 The cutting performances contrast of free abrasive and diamond wire saw

随着大尺寸硅片和蓝宝石片的应用和发展,金刚石线锯将成为新一代硅片和蓝宝石片切割工具,其加工表面损伤小、挠曲变形小、切片薄、片厚一致性好,能切割大尺寸硅/蓝宝石锭,省材料、效益高,产量大,效率高,这一系列无可比拟的优点将受到硅片和蓝宝石加工企业的高度重视。

4.4金刚石带锯

金刚石带锯条(图2)一般为电镀产品,适用于切割单晶硅、多晶硅、蓝宝石等高硬度晶体,以及各种水晶、玻璃、玉石、石材拼花、有色金属、磁性材料等硬脆材料的切割。钢带一般采用优质不锈钢,无缝焊接工艺,焊接性能优良,具有弹性及韧性好、抗疲劳性能高、抗拉强度高、使用寿命长、偏摆度精确等特点;刃口采用高品级金刚石颗粒,使用耐磨性强的双金属均匀牢固地镶嵌在刃口,具有使用寿命长、锋利、切割面平整、效率高、噪音低等特点。一般带锯条的宽为38mm,厚度0.6mm,周长3230～6100mm,广泛应用于各大光伏企业。

图2　金刚石带锯Fig.2 Diamond band saw

4.5超细粒度金刚石砂轮

硬脆材料加工包括用砂轮加工晶棒的滚圆砂轮、平面研磨砂轮、减薄砂轮以及抛光砂轮等,金刚石粒度粗到250#细到8000#均有涉及,胎体材料包括金属基、树脂基和陶瓷基,应用于晶硅、蓝宝石以及其他硬脆材料的研磨和抛光等,属于用量最大的一类产品。

硅片研磨加工的目的是除去切片和轮磨所造成的锯痕及表面损伤层,有效改善硅片的翘曲度、平坦度与平行度,达到一个抛光过程可以处理的规格。硅片研磨时,重要的是控制裂纹的大小和均匀程度。单晶硅属于硬脆材料,对其进行研磨,磨料具有滚轧作用和微切削作用,材料的破坏以微小破碎为主,要求研磨加工后的理想表面形态是由无数微小破碎痕迹构成的均匀无光泽表面。研磨加工可使用粒度为350#陶瓷基金刚石砂轮,加工面粗糙度约为0.5μm,砂轮直径通常为200mm～350mm。

抛光的目的是改善单晶硅片表面微缺陷,以获得极高平坦度、极小表面粗糙度值的晶片表面,并要求表面无变质层、无划伤。抛光的方式:粗抛,主要作用是去除损伤层,一般去除量约在10μm～20μm,可选用粒度为1000#～4000#的树脂基砂轮;精抛,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,可选用粒度为8000#的金刚石砂轮。

4.6金刚石超薄切割片

超薄切割片(图3)是由金刚石和粘结剂组成一个圆环薄片状物体,厚度在0.015～0.5毫米之间,可分为金属结合剂刀片和树脂结合剂刀片两种。其中金属结合剂电镀刀片的厚度为0.015mm～0.1mm,金属结合剂热压刀片和树脂结合剂刀片的厚度为0.1mm～0.5mm。超薄切割片广泛应用于电子工业领域中对各种硬脆材料进行切割或开槽加工,如硅、锗、磷化镓、砷化镓、磷砷化镓、铁氧体、铌酸锂、钽酸锂、压电陶瓷、光学陶瓷、玻璃等;具有切割精度高、割缝窄、使用寿命长等特点;使用时装在专用设备上可单刀使用也可多刀同时使用。

图3　金刚石超薄切割片Fig.3 Ultrathin diamond cutting discs

随着信息电子产业的飞速发展,对微型电子元器件及集成电路的切割要求越来越高,而且切割的量也越来越多。据资料介绍,世界上超薄切割片的年销售额达5亿多美元。目前,该类产品的市场主要被日本、美国等世界领先的公司所占领。这些公司所生产的刀具性能稳定、规格种类齐全、具有很高的切割精度。我国电子工业正步入一个飞速发展期,对精密切割工具的需求也进入了高速增长期。但是由于国内该类产品发展起步较晚,其性能还存在诸多的缺陷,不能满足国内市场快速发展的要求,每年还需从国外进口大量的各种类型的超薄片。在国内,对薄型砂轮片进行研究和制造并打入市场的企业很少,因此对超薄切割片的研究与开发,具有广阔的市场前景。

5　新兴工业材料加工金刚石工具发展趋势

(1)金刚石工具将越来越体现其“工业牙齿”的作用,在众多的新兴工业材料加工领域体现其超卓的性能。随着原材料性能的提升、产品规格系列化、生产设备专业化和检测手段的标准化,金刚石工具将向着更高水平发展,产品质量随之明显提高。

(2)一些高精度精密金刚石工具,例如超薄切割片、超细粒度金刚石砂轮、高精度钻头等,国内产品与国外产品相比仍有差距,表现在性能不好或者性能不稳定,国内的大中型企业会更愿意采购昂贵的国外产品,来保持生产的稳定性。这也对国内的相关工具制造企业提出了新的挑战,即产品的精度满足使用要求的情况下,尽可能地提高产品的性能,并保持产品性能的稳定性。

(3)国内产品需瞄准高档、精密金刚石工具这个方向,在产品生产过程中,制定严格的产品标准和工艺规程,来确保产品的性能稳定性;另外,需配备高精度数控机床、电火花、线切割等设备,对产品进行后续的修整和完善。

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

作者简介:刘一波(1966-),男,教授级高工,博士生导师,副总经理兼总工程师。研究方向:超硬材料及粉末冶金制品;徐良(1981-),男,高级工程师。研究方向:金刚石工具。

收稿日期:2015-09-26

中图分类号:TQ164

文献标识码:A

文章编号:1673-1433(2016)02-0027-05

引文格式:刘一波,徐良.新兴工业材料加工用金刚石工具[J].超硬材料工程,2016,28(2):27-31.