光电子材料磨粒加工技术综述

光电子材料磨粒加工技术综述
毕佳;郑萌萌
【摘要】以石英晶体、单晶硅、钽酸锂、铌酸锂、陶瓷、红蓝宝石等为代表的光电子材料在光电子元件中的应用越来越广泛.本文从线锯切、磨削两个方面详细阐述了光电子材料的磨粒加工技术原理、影响因素及优缺点,并对光电子材料磨粒加工技术发展趋势进行了展望,为下一步研究提出了需要重点关注的领域.
【期刊名称】《北京印刷学院学报》
【年(卷),期】2018(026)003
【总页数】3页(P66-68)
【关键词】光电子材料;磨粒加工;线锯切;磨削
【作者】毕佳;郑萌萌
【作者单位】烟台职业学院,烟台 264000;曲阜师范大学,曲阜 273165
【正文语种】中文
【中图分类】TG58
一、概述
20世纪后期，由光学和电子学结合而形成的新型技术——光电子技术快速发展，并广泛应用于光电显示、光电通信、光电存储、光电转化和光电照明等。

近年来，随着电子信息、通讯、自动控制产业的快速发展，各种光电子元件越来越呈现出高性能化的发展趋势。

以石英晶体、单晶硅、钽酸锂、铌酸锂、陶瓷、红蓝宝石等为
代表的光电子材料在光电子元件中的应用越来越广泛[1]。

根据光电子元件材料的
特性，将其分为：
硬脆性材料。

硬脆性材料具有“两高一大一易”特点，即熔点高、硬度高（莫氏＞6.5）、脆性大、易开裂，硬脆性材料的韧性和强度与金属材料有着较大差别，超
精密加工难度大。

硬脆性材料代表有石英晶体、工程陶瓷、光学玻璃、单晶硅片、蓝红宝石等。

软脆性材料。

软脆性材料在光纤通讯领域应用，具有传输损耗小、色散小；应用于光电池领域，具有光电转换效率高、抗辐射性能好、变化小等优势。

软脆性材料物理特性表现为又脆又软，以铌酸锂和钽酸锂晶片为代表，硬度普遍较低（莫氏＜6，如砷化镓单晶片莫氏硬度为4.5，磷化铟单晶片莫氏硬度为3），此外，软脆性材
料还具有易开裂、易出划痕、韧性高等特点。

从表一光电子材料的物理特性来看，与普通金属材料使用其物理机械性能不同的是，其更加注重材料的光电、压电和热电性能，以光电子材料制成元件的成品对光电子材料要求更加注重：1）精度更高。

光学材料的元件基片表面以纳米计算。

2）完
整性。

光学材料的元件既不能有损伤，形状方面也不能有畸变，否则会影响元件的性能发挥。

3）成品率。

以光学材料加工制成的元件成品率更高。

总之，基于光电子材料的上述特点及其应用的特殊要求，基片表面的精度和可靠性要求更高。

表1 光电子器材功能、效应、材料分类功能光载波源激光变频、移频光的控制于
信号加载开关、调制、偏转、复用、解调、传感光的传输波导、耦合、隔离、延迟、放大光的信息处理整形、逻辑、双稳、相关、卷积共轭、滤波、全息、存储光的接收探测显示物理效应发光效应光电转换效应非线性光学效应、电光效应、光折变
效应声光效应磁光效应光热效应光波导效应量子尺寸效应电光效应光电转换效应材料III-V族半导体；II-VI族半导体；IV-VI族半导体VI族半导体、非晶半导体、超导体、磁性半导体无机晶体；液晶；有机晶体熔融石英；稀土掺杂玻璃；硫化物玻
璃；卤化物玻璃；硫卤化物玻璃氟化物玻璃硫卤化物玻璃
二、线锯切割加工技术
（一）线锯切割技术原理
将钢丝细绳缠绕在排线轮上，放线机构和收线机构将钢丝拉紧，并在放线与收线机构二者之间装上一定数量的张力控制轮，主要起到控制钢丝的刚度效果，然后利用排线轮在高速状态下正向、反向来回有节奏地旋转，从而实现钢丝的往复运动。

一套完整的线锯切机还配有相应的切割液（由碳化硅磨料、表面活性剂、油基添加剂调配而成）喷洒系统，喷洒动力来源于压缩泵。

当机器在切割时，切割液会喷洒到钢丝线、硅棒刀，切割进、给机构实现均匀运动，将硅棒压向高速运动的钢丝，获得相应的高质量硅片切片。

（二）影响线锯切割技术因素
线锯切割技术的目标在于规定时间内生产出高质量的硅片数量。

影响线锯切割技术的因素主要包括：一是进料速度。

即固定待切割硅锭的切割台通过运动中的切割线网的速度。

硅锭通过切割线网开始接受切割时，切割线和硅原料之间的压力会逐渐增加。

两者之间的研磨浆料通过一种被称为“滚动与压入”的研磨机制开始切开硅原料。

在压力增加与原料开始移除之间的延迟会导致切割线网出现弯曲。

一旦原料移除速度和切割台下移速度匹配，切割就达到了运动平衡。

在指定的切割台速度和载荷下，这种平衡很大程度上取决于切割线速度、浆料切割能力以及切割线张力。

二是载荷。

每次运行的总切割面积，即硅片面积乘以硅块数量然后再乘以每个硅块能生产的硅片数量。

每个硅块可生产的硅片数量由硅块/硅锭的长度除以导轮的槽距所得数值决定。

三是钢线直径。

较小的钢线直径意味着更低的锯缝损失。

然而，钢线直径较小的切割线容易断裂，而且在切割过程中会受到更多的磨损。

这种钢线直径的变化会增加切割线断裂的风险并影响硅片质量。

优化切割线损耗的方法包括在切割线磨损和断裂风险之间找到最佳平衡点：一种能承受更多切割线磨损的系统
虽然可以减少切割线的用量，但是却面临着更为频繁的切割线断裂风险。

在特定应用中（载荷、硅片厚度等），切割台速度（进料速度）与切割线速度之比越高(vT/vw)，则切割线磨损就越快。

四是可维护性或切换时间。

在两次切割运行过程中，线锯被服务的速度越快，包括更换切割线和浆料，则整体生产率越高。

（三）线锯切割技术优缺点。

1.优点：实现切割更薄硅片的能力；使用颗粒更小的磨料，有效减少损伤还能提高硅片的机械强度，减少处理中发生的损耗；钢线直径的减少有助于节省硅料。

随着结构线和金刚线等新兴线锯切割技术的应用，在保持甚至提高硅片质量的同时进一步降低成本、提高生产率并减少耗材成本。

2.不足：操作烦琐。

通过改变排线轮槽距来改变线锯切片厚度，操作起来较为费时；损耗较大。

这里的损耗既有机器也有产品损耗。

例如，线锯切一次可以切出几千的硅片，但入线口一旦出现断线，变会直接导致几千片的硅片受损；钢丝线带、排线轮等在切割过程中也会受损；不适合小批量生产。

线锯切割常采样钢线缠绕方式进行，多在大批量生产中使用。

三、表面磨削技术
（一）磨削技术原理
最早提出磨削机理的是德国切削物理学家Salomon提出的：当切削速度增大到与工件材料种类有关的某一速度后，随着切削速度的增大，切削温度反而会出现降低。

1）转台式磨削。

将硅片固定在旋转台洗盘上，砂轮在高速旋转的同时沿轴向进给，并在转台的带动作用下实现同步旋转。

2）硅片旋转磨削。

吸附在工作台上的单晶硅片和杯型金刚石砂轮绕各自轴线进行旋转，砂轮也同步沿轴向连续进给。

3）双面磨削。

将单晶硅片加持在由两个侧面对称分布的夹持器中，在辊子带动下缓慢旋转，在空气轴承电主轴驱动下沿相反方向旋转并沿轴向进给，从而达到单晶硅片双面同时磨削的效果。

其中，转台式磨削技术主要应用于＜200mm的单晶硅片磨削
加工；旋转磨削和双面磨削技术多应用于＞300mm以上的较大尺寸硅片磨削；（二）磨削技术影响因素
影响高速磨削技术效果的因素主要有：磨削方法的选择；磨削液的选用；砂轮粒度、砂轮结合剂、砂轮转速、硅片转速、正向压力等工艺参数；砂轮状态检测及修整等等。

（三）磨削技术优缺点分析
各种磨削技术在硅晶片磨削中所具有的优缺点主要表现见表2。

磨削技术应用于硅片材料加工，是一种低成本、高效率的减薄磨削技术，能够实现磨削硅片表面极高的厚度均匀性，但也存在容易导致芯片碎裂，翘曲变形等不足。

表2 单晶硅片磨削方法比较应用领域同时加工硅片数量硅片最大尺寸（mm）表
面损伤层深度（μm）加工量（μm）表面纹路样式全局平整度（μm）单晶硅片面型研磨液/磨削液转台式硅片制备；晶圆减簿多片Φ200＜1．4（粗磨）＜0．4（精磨）30-40（单面）波纹状≤0．13有踏边，A/楔形纯水和表面活性剂混合液硅片旋转磨削硅片制备；晶圆减簿单片≥Φ300＜1．4（粗磨）＜0．4（精磨）
10-300（单面）辐射状≤0．13 W/M/A/V型纯水和表面活性剂混合液双面磨削
硅片制备单片≥Φ300＜1．4（粗磨）＜0．4（精磨）20-40（单面）交叉状
≤0．13 W/M/V型纯水和表面活性剂混合液
四、光电子材料磨粒加工技术展望
（一）线锯切割技术发展趋势。

1.大直径化。

随着半导体工业中硅、磁性材料等光电子材料向着大直径化的发展，线锯切割机也会逐渐趋于大型化。

2.智能化。

由于在线锯切割过程中切割状态时常变化，影响了硅片成品率。

在线测量监控技术应用于线锯切割中，提升了线锯切割的成品率，也越来越具智能化特点。

3.高工效。

硅片等光电子切割效率较低，利用线的摆动使锯线与工件接触较小，并
保持固定接触长度，然后利用张力值控制锯线摆动装置，极大地提升了光电子线锯切割工效。

因此，线锯切割技术正朝着大直径、智能化、高成品率和低损耗方向发展。

（二）磨削技术发展趋势
为提高硅晶片减簿、减少或规避表面损伤和翘曲等问题，近年来，国内外开发出了一系列新的硅片磨削技术，也取得了新进展。

1.超精密。

英国Cranfield大学研制出具有很高动、静态刚性[3]，以及良好的热平衡结构的正四面体新概念磨床，实现了隔离状态振动、温度的超精密磨削。

2.超细粒度。

日本H.Ohmori等将在线电解修整技术应用到硅片自旋转磨削，获得了RMS≤0.47nm表面，接近于化学机械抛光。

3.减薄集成。

为解决碎片率、提高加工效率，实际应用中开发出了集磨削与抛光一体的磨抛机床。

参考文献
【相关文献】
[1] 朱火明，苏珍发．光电子材料的磨粒加工技术综述[J]．超硬材料工程，2009，（6）：36-41
[2] 朱祥龙，康仁科，董志刚．等．单晶硅片超精密磨削技术与设备[J]．中国机械工程，2010，21（18）：2156-2163
[3] 康仁科，郭东明，霍风伟，等．大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展[C]．中国集成电路产业发展战略研讨会暨中国半导体行业协会ic分会年会，2003：78-83.。