一种超精密磨削砂轮及其制备方法和应用[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112536733 A(43)申请公布日 2021.03.23

(21)申请号 202011404932.4(22)申请日 2020.12.03

(71)申请人 郑州磨料磨具磨削研究所有限公司

地址 450001 河南省郑州市高新区梧桐街

121号

申请人 郑州大学(72)发明人 叶腾飞　张高亮　赵延军　谷春青　

钱灌文　王礼华　熊华军　吴武山　王海龙　(74)专利代理机构 郑州联科专利事务所(普通

合伙) 41104

代理人 蔡艳(51)Int.Cl.

B24D 3/22(2006.01)B24D 3/28(2006.01)

权利要求书1页 说明书7页 附图1页

B24D 18/00(2006.01)

(54)发明名称

一种超精密磨削砂轮及其制备方法和应用(57)摘要

具体涉及一本发明属于超硬磨具技术领域，

种超精密磨削砂轮及其制备方法和应用。所述超精密磨削砂轮，包括金刚石20‑30份、普通磨料15‑20份、聚四氟乙烯粉5‑10份、改性填料5‑15份、热塑性聚氨酯橡胶粉5‑10份、树脂粉35‑55份、增强纤维1‑10份。本发明制备的砂轮锋利度明显提升，有效降低对半导体晶圆材料边棱的切削损伤，提高表面加工质量，降低边缘大小不一的崩口率，增加磨削一致性。

CN 112536733 ACN 112536733 A

权　利　要　求　书

1/1页

1.一种超精密磨削砂轮，其特征在于，包括以下重量份数的原料：金刚石20‑30份、普通磨料10‑20份、聚四氟乙烯粉5‑10份、改性填料5‑15份、热塑性聚氨酯橡胶粉5‑10份、树脂粉35‑55份、增强纤维1‑10份。

2.根据权利要求1所述超精密磨削砂轮，其特征在于，所述普通磨料为碳化硅或刚玉，改性填料为玻璃微珠、二氧化硅、二氧化钛和碳酸钙的一种或两种以上；树脂粉为有机硅树脂粉、橡胶改性酚醛树脂粉或环氧树脂粉；增强纤维为玻璃纤维丝或石棉丝。

3.根据权利要求2所述超精密磨削砂轮，其特征在于，所述金刚石为泡沫金刚石，碳化硅为多晶绿碳化硅，刚玉为多晶白刚玉。

4.根据权利要求1或2所述超精密磨削砂轮，其特征在于，所述改性填料的粒度为800‑1200#，树脂粉的粒径为20‑100μm，热塑性聚氨酯橡胶粉的粒径为20‑50μm，增强纤维的长径比不高于10、直径＜15μm。

5.根据权利要求3所述超精密磨削砂轮，其特征在于，泡沫金刚石的粒度为400‑4000#，

聚四氟乙烯粉的粒径为5‑35μm。多晶绿碳化硅和多晶白刚玉的粒度为600‑6000#，

6.权利要求1‑5任一所述超精密磨削砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将配方中的金刚石、普通磨料、聚四氟乙烯粉、改性填料混合均匀，得混合料A；（2）称取配方中的热塑性聚氨酯橡胶粉、树脂粉、增强纤维，并混合均匀得混合料B；（3）将混合料A和混合料B混合均匀，过筛备用，得混合料C；（4）将混合料C放入到模具中，在压力为2‑5 MPa、温度为110‑150℃的条件下保压保温20‑60min，卸模即得。

7.根据权利要求6所述超精密磨削砂轮的制备方法，其特征在于，步骤（1）中混合时，将金刚石、普通磨料、聚四氟乙烯粉、改性填料放入玻璃瓶中，加入氧化锆介质球，旋转40‑100min；步骤（2）中将热塑性聚氨酯橡胶粉、树脂粉、增强纤维采用气流混合，空气流速为5‑10m/s，混合时间为30‑60min；步骤（3）中的混合采用三维混料机，混合时间为20‑40min，过40#筛网。

8.权利要求1‑5任一所述超精密磨削砂轮的应用，其特征在于，用于半导体晶圆的倒角和倒边精磨加工。

2

CN 112536733 A

说　明　书

一种超精密磨削砂轮及其制备方法和应用

1/7页

技术领域

[0001]本发明属于超硬磨具技术领域，具体涉及一种超精密磨削砂轮及其制备方法和应用。

背景技术

[0002]半导体芯片及器件的加工领域所涉及的设备，材料属于集成电路行业难度最大，技术含量最高的领域，其制备流程复杂，所涉及激光、切割、刻蚀、抛光、贴膜、光刻、焊接等工艺。应用于半导体芯片及器件的材料目前较多的是硅材料、砷化镓、以及近年市场上性能

氮化铝、碳酸锂、氧化钾等材料，因为其都具有更加优越的电子优越的晶体碳化硅、氮化镓、

带宽和物理光学性能，被广泛应用和研究。此类半导体晶圆材料(一般直径为4寸、8寸、12寸)为氧化物材料或者晶体材料，厚度薄(一般为50μm‑1000μm)、容易发生翘曲、加工易碎；硬度高且脆性大，磨加工难度大，且晶圆的对于崩口以及表面加工质量要求极高，光洁度一般要求为5‑10纳米级别。

[0003]以上半导体晶圆材料在进行面减薄或抛光之前，为防止由于周边存在微小崩口导致在对其晶圆面进行减薄或者抛光时产生碎片，其周边需要进行加工，使其去除崩口、棱边平滑、光洁度好，进而进入下一道加工程序。目前以上材料的倒边加工多用金属结合剂金刚石砂轮，但是随着材料棱边光洁度要求的提升以及崩口率要求的降低，金属结合剂金刚石倒边轮已经无法满足其要求。

[0004]目前行业急需一种精磨倒边轮，直接用于半导体材料以的倒边或者在金属结合剂金刚石砂轮作为第一道粗磨倒边后，用其进行精抛上道工序留下的崩口和粗糙面，从而达到降低崩口率和提升光洁度的目的。

发明内容

[0005]为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种超精密磨削砂轮。该磨削砂轮可

加工效果好。以实现半导体晶圆材料边角的精磨加工，

[0006]本发明还提供了上述磨削砂轮的制备方法和应用。[0007]为实现上述目的，本发明的技术方案如下：[0008]一种超精密磨削砂轮，包括以下重量份数的原料：金刚石20‑30份、普通磨料10‑20份、聚四氟乙烯粉(PTFE粉)5‑10份、改性填料5‑15份、热塑性聚氨酯橡胶粉(TPU粉)5‑10份、树脂粉35‑55份、增强纤维1‑10份。[0009]优选的，所述普通磨料为碳化硅或刚玉，改性填料为玻璃微珠、二氧化硅、二氧化钛和碳酸钙的一种或两种以上；树脂粉为有机硅树脂粉、橡胶改性酚醛树脂粉或环氧树脂粉；增强纤维为玻璃纤维丝或石棉丝。[0010]进一步优选的，所述金刚石为泡沫金刚石，碳化硅为多晶绿碳化硅，刚玉为多晶白刚玉。

[0011]进一步优选的，泡沫金刚石的粒度为400‑4000#，多晶绿碳化硅和多晶白刚玉的粒

3

CN 112536733 A

说　明　书

2/7页

度为600‑6000#，聚四氟乙烯粉的粒径为5‑35μm。[0012]优选的，所述改性填料的粒度为800‑1200#，树脂粉的粒径为20‑100μm，热塑性聚氨酯橡胶粉的粒径为20‑50μm，增强纤维的长径比不高于10、直径＜15μm。[0013]具体的，本发明所用的普通磨料粒度比金刚石粒度低一个粒度号，如：金刚石粒度选择400#，相应的，普通磨料粒度选择600#；金刚石粒度选择1000#，相应的，普通磨料粒度选择1200#。

[0014]上述超精密磨削砂轮的制备方法，包括以下步骤：[0015](1)将配方中的金刚石、普通磨料、聚四氟乙烯粉、改性填料混合均匀，得混合料A；[0016](2)称取配方中的热塑性聚氨酯橡胶粉、树脂粉、增强纤维，并混合均匀得混合料B；[0017](3)将混合料A和混合料B混合均匀，过筛备用，得混合料C；[0018](4)将混合料C放入到模具中，在压力为2‑5MPa、温度为110‑150℃的条件下保压保

卸模即得。温20‑60min，

[0019]这里混合料C和基体一起在模具中成型，关于砂轮的基体，其并不是本发明的创新之所在，采用本领域常规技术即可，本发明对其不做赘述。[0020]优选的，步骤(1)中混合时，将金刚石、普通磨料、聚四氟乙烯粉、改性填料放入玻璃瓶中，加入氧化锆介质球，旋转40‑100min；步骤(2)中将热塑性聚氨酯橡胶粉、树脂粉、增强纤维采用气流混合，空气流速为5‑10m/s，混合时间为30‑60min；步骤(3)中的混合采用三维混料机，混合时间为20‑40min，过40#筛网。

[0021]气流混合是本领域一种常规的物料混合方式，其目的是利用气流将粉状物料混合均匀，采用本领域常规的气流混合装置来实现混料均匀即可，本发明对气流混合装置不再赘述。

[0022]上述超精密磨削砂轮用于半导体晶圆的倒角和倒边精磨加工。[0023]和现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0024]1.本发明金刚石磨料使用泡沫金刚石(见图1)，泡沫金刚石具有将单颗粒金刚石磨料单一大切削刃细化成微小尺度的多切削刃口，切削刃口尺寸变小，数量增多，磨削热和应力得到分散，单个刃口切削深度减小，使砂轮的锋利度明显提升，有效降低对半导体晶圆材料边棱的切削损伤，提高表面加工质量，降低边缘大小不一的崩口率，增加磨削一致性；[0025]2.本发明选用的普通磨料为多晶白刚玉和多晶绿碳化硅，其硬度低于金刚石，在本发明配方和形成的结合剂体系中，其多晶团簇结构相当于多个单颗粒磨料团簇在一起，穿插在结合剂之间，形成网状节点，可以增加结合剂的脆性，从而增加整个体系的自锐性。需要特别提出的是，此普通磨料在此体系中主要作用不作为磨削作用，而起到促进结合剂在磨削时脆性断裂，从而增加此倒边砂轮的持续自锐性，不断对半导体材料晶圆进行抛光磨削，持续不断的提升边角的表面质量；

[0026]3.本发明中PTFE粉和改性填料配合使用，形成的韧性材料具有柔性的链状分子结构，使本发明的砂轮具有低硬度，软韧性，极易适合半导体晶圆边角的抛光；[0027]4.本发明TPU粉和树脂的选用，都是为了使最终砂轮的具有软弹性、柔韧性，纤维材料的加入，同时增加砂轮的形状保持性和强度，使砂轮不仅可以对半导体晶圆材料及玻璃材料进行柔性抛光，且做出来的内凹形面具有好的形状保持性和磨削寿命；

4

CN 112536733 A[0028]

说　明　书

3/7页

5.本发明采用高精密槽型的石墨模具直接热压成型，最后破坏性去掉石墨模具进

行卸模，而不是采用一般的合金或者钢制模具，成型出整圆砂轮，卸模后再对整个外圆进行加工修整，修整出各个内凹槽型，极大的提高了槽型精度和成型效率；

[0029]6.压力和温度及保温时间能够直接决定PTFE的结晶度以及与其他功能填料的反应速率以及小分子气体的排出量和排出速率，从而导致整个结合体系强度和硬度的变化，以致达不到要求的砂轮密度、硬度和弹性模量，因此压力和温度及保温时间直接决定被磨削的材料的表面磨削质量；

[0030]7.本发明制备的砂轮洛氏硬度为HR15N(10‑15)，磨削层弹性模量为(0.015‑0.025)×105MPa，此弹性模量属树脂砂轮中较小的弹性模量，低硬度且具有一定的柔韧性，利于半导体晶圆材料的精抛倒边。

附图说明

[0031]图1为实施例所用的泡沫金刚石图的电镜图；[0032]图2为实施例1制备砂轮的SEM图。

具体实施方式

[0033]下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明，但并不是对本发明的。[0034]下述实施例中所使用的泡沫金刚石的型号为HFD‑SC，购自柘城惠丰钻石科技股份有限公司；普通磨料(如：多晶绿碳化硅和多晶白刚玉)购自白鸽磨料磨具有限公司；PTFE粉购自沈阳无量科技有限公司；TPU粉购自深圳市瑞达晟塑胶有限公司；增强纤维(如：玻璃纤维丝和石棉丝)购自中国巨石股份有限公司；树脂粉(如：有机硅树脂粉、橡胶改性酚醛树脂粉和环氧树脂粉)分别购自江苏三木集团有限公司(有机硅树脂粉)和济南圣泉股份有限公司(橡胶改性酚醛树脂粉或环氧树脂粉)；改性填料(如：玻璃微珠、二氧化硅、二氧化钛和碳酸钙)购自上海超威纳米科技有限公司。需要说明的是，所提供的厂家并不是对本发明的，其也可以采用普通市售产品。[0035]实施例1

[0036]本实施例的超精密磨削砂轮，泡沫金刚石(400#)20份、包括以下重量份数的原料：多晶绿碳化硅(600#)10份、聚四氟乙烯粉(5‑35μm)10份、二氧化硅(1000#)5份、热塑性聚氨酯橡胶粉(20‑50μm)10份、橡胶改性酚醛树脂粉(本实施例采用对‑特辛基酚甲醛增粘树脂粉)(80‑100μm)35份、玻璃纤维丝(5‑8μm)10份。[0037]上述砂轮的制备方法包括以下步骤：[0038](1)称取配方中的泡沫金刚石、多晶绿碳化硅、PTFE粉、二氧化硅四种原材料，放入玻璃瓶中，加入氧化锆介质球，旋转40min，混合均匀；[0039](2)称取配方中的TPU粉、对‑特辛基酚甲醛增粘树脂粉、玻璃纤维丝三种原材料，

混合时间为30min，混合均匀；采用气流混合，空气流速为5/s，

[0040](3)将步骤(1)和步骤(2)得到的物料放入三维混料机中，混合30min后，过40#筛网备用；[0041](4)将步骤(3)得到的混合料投入到石墨模具中，进行加热加压，其中：压力为2MPa，温度为110℃，保温保压25min，之后卸模，破坏性去除石墨模具，得到所需砂轮。

5

CN 112536733 A[0042]

说　明　书

4/7页

本实施例制备砂轮的电镜图如图2所示，由图2可以明显看出，本实施例制备的砂

轮内部结构存在柔性结合体系和纤维丝增强增韧的效果，是一种柔性体系的磨削结构。[0043]采用本实施例的砂轮(1FF1‑150*20*31.75*10/R2.5D400#)在倒角机上对4寸碳化硅晶体片进行倒角精磨加工，其加工参数及效果见表1。

[0044]表1实施例1制备的砂轮对4寸碳化硅晶体片进行倒角精磨加工时的加工参数及加工效果

[0045]

实施例2

[0047]本实施例的超精密磨削砂轮，包括以下重量份数的原料：泡沫金刚石(1000#)25份、多晶绿碳化硅(1200#)15份、聚四氟乙烯粉(5‑35μm)5份、二氧化钛(1000#)5份、热塑性聚氨酯橡胶粉(20‑50μm)5份、橡胶改性酚醛树脂(本实施例采用对‑叔丁基酚甲醛增粘树脂粉)(70‑80μm)40份、玻璃纤维丝(5‑8μm)5份。[0048]上述砂轮的制备方法包括以下步骤：[0049](1)称取配方中的泡沫金刚石、多晶绿碳化硅、PTFE粉、二氧化钛四种原材料，放入玻璃瓶中，加入氧化锆介质球，旋转50min，混合均匀；[0050](2)称取配方中的TPU粉、对‑叔丁基酚甲醛增粘树脂粉、玻璃纤维丝三种原材料，采用气流混合，空气流速为10/s，混合时间为40min，混合均匀；[0051](3)将步骤(1)和步骤(2)得到的物料放入三维混料机中，混合40min后，过40#筛网备用；[0052](4)将步骤(3)得到的混合料投入到石墨模具中，进行加热加压，其中：压力为3MPa,温度为120℃，保温保压25min，之后卸模，破坏性去除石墨模具，得到所需砂轮。

[0053]采用本实施例的砂轮(1FF1‑200*20*40*10/R5D1000#)在倒角机上对6寸半导体硅片进行倒角精磨加工，其加工参数及效果见表2。

[0054]表2实施例1制备的砂轮对6寸半导体硅片进行倒角精磨加工时的加工参数及加工效果

[0046][0055]

实施例3

[0057]本实施例的超精密磨削砂轮，包括以下重量份数的原料：泡沫金刚石(4000#)20份、多晶绿碳化硅(6000#)15份、聚四氟乙烯粉(5‑35μm)10份、碳酸钙(1000#)5份、热塑性聚氨酯橡胶粉(20‑50μm)5份、环氧树脂粉(本实施例采用苯酚酚醛环氧树脂)(20‑40μm)35份、玻璃纤维丝(5‑8μm)10份。

[0058]上述砂轮的制备方法包括以下步骤：[0059](1)称取配方中的泡沫金刚石、多晶绿碳化硅、PTFE粉、碳酸钙四种原材料，放入玻璃瓶中，加入氧化锆介质球，旋转60min，混合均匀；[0060](2)称取配方中的TPU粉、苯酚酚醛环氧树脂、玻璃纤维丝三种原材料，采用气流混

[0056]

6

CN 112536733 A

说　明　书

5/7页

合，空气流速为7.5/s，混合时间为60min，混合均匀；[0061](3)将步骤(1)和步骤(2)得到的物料放入三维混料机中，混合30min后，过40#筛网备用；[0062](4)将步骤(3)得到的混合料投入到石墨模具中，进行加热加压，其中：压力为5MPa,温度为150℃，保温保压35min，之后卸模，破坏性去除石墨模具，得到所需砂轮。

[0063]采用本实施例的砂轮(1FF1‑200*20*40*10/R3.5D4000#)在倒角机上对4寸氮化镓片进行倒角精磨加工，其加工参数及效果见表3。

[00]表3实施例3制备的砂轮对4寸氮化镓片进行倒角精磨加工时的加工参数及加工效果

[0065]

实施例4

[0067]本实施例的超精密磨削砂轮，包括以下重量份数的原料：泡沫金刚石(2000#)30份、多晶白刚玉(4000#)20份、聚四氟乙烯粉(5‑35μm)10份、玻璃微珠(800#)15份、热塑性聚氨酯橡胶粉(20‑50μm)10份、有机硅树脂粉(本实施例采用甲基苯基硅树脂)(50‑70μm)45份、石棉丝(10‑13μm)1份。

[0068]上述砂轮的制备方法包括以下步骤：[0069](1)称取配方中的泡沫金刚石、多晶白刚玉、PTFE粉、玻璃微珠四种原材料，放入玻璃瓶中，加入氧化锆介质球，旋转100min，混合均匀；[0070](2)称取配方中的TPU粉、甲基苯基硅树脂、石棉丝三种原材料，采用气流混合，空气流速为5/s，混合时间为45min，混合均匀；[0071](3)将步骤(1)和步骤(2)得到的物料放入三维混料机中，混20min后，过40#筛网备用；[0072](4)将步骤(3)得到的混合料投入到石墨模具中，进行加热加压，其中：压力为3.5MPa，温度为130℃，保温保压20min，之后卸模，破坏性去除石墨模具，得到所需砂轮。[0073]实施例5

[0074]本实施例的超精密磨削砂轮，包括以下重量份数的原料：泡沫金刚石(1000#)25份、多晶绿碳化硅(1200#)15份、聚四氟乙烯粉(5‑35μm)5份、二氧化钛(1000#)2份、碳酸钙(1200#)3份、热塑性聚氨酯橡胶粉(20‑50μm)5份、有机硅树脂(本实施例采用聚酯改性硅树脂)(70‑80μm)40份、玻璃纤维丝(5‑8μm)5份。[0075]上述砂轮的制备方法包括以下步骤：[0076](1)称取配方中的泡沫金刚石、多晶绿碳化硅、PTFE粉、二氧化钛和碳酸钙五种原材料，放入玻璃瓶中，加入氧化锆介质球，旋转50min，混合均匀；[0077](2)称取配方中的TPU粉、聚酯改性硅树脂、玻璃纤维丝三种原材料，采用气流混合，空气流速为10/s，混合时间为40min，混合均匀；[0078](3)将步骤(1)和步骤(2)得到的物料放入三维混料机中，混合40min后，过40#筛网备用；[0079](4)将步骤(3)得到的混合料投入到石墨模具中，进行加热加压，其中：压力为

7

[0066]

CN 112536733 A

说　明　书

6/7页

3MPa,温度为120℃，保温保压60min，之后卸模，破坏性去除石墨模具，得到所需砂轮。[0080]对比例1

[0081]本对比例与实施例1的区别在于：将实施例1的泡沫金刚石更换为普通RVD金刚石破碎料。

[0082]采用实施例1的制备工艺分别将实施例1配方和本对比例配方制造成1A1‑100*20*32*10的砂轮A(实施例1)和砂轮B(对比例1)，在倒角机上使用与实施例1相同的加工工艺参数对4寸碳化硅晶体片外圆进行磨削，得到的磨削效果见表4。

[0083]表4采用砂轮A和砂轮B对4寸碳化硅晶体片进行磨削的磨削效果

[0084]

由表4可见，使用泡沫金刚石制得的砂轮(实施例1)其加工工件的表面粗糙度，崩

口率，以及砂轮本身的锋利度明显优于使用常规金刚石磨料(对比例1)制得的砂轮。[0086]对比例2

[0087]本对比例与实施例2的区别在于：去掉实施例2中的PTFE粉和二氧化钛。

[0088]采用实施例2的制备工艺分别将实施例2配方和本对比例配方制造成1A1‑200*15*40*10D1200#的砂轮C(实施例2)和砂轮D(对比例2)，在倒角机上使用与实施例2相同的加工工艺参数对6寸半导体硅片进行倒角磨削，其砂轮本身硬度和倒角效果见表5。[00]表5砂轮C和砂轮D对6寸半导体硅片的磨削效果

[0085]

[0090]

备注：碎片量在这里是指每磨100个硅片，磨削碎裂的硅片数量

[0092]由表5可以看出，含有PTFE粉和改性填料制成的C砂轮其硬度明显低于D砂轮，C砂轮具有明显的韧性和一定的弹性，D砂轮硬度和脆性较高，因此在对半导体硅片进行倒角磨削时，C砂轮磨出的工件粗糙度低，无崩口，且对工件没有出现磨削碎片；不含PTFE粉和改性填料的D砂轮明显的磨削粗糙度和碎片量都高于C砂轮。[0093]对比例3

[0094]本对比例与实施例3的区别在于：去掉实施例3中的TPU粉和玻璃纤维丝。

[0095]采用实施例3的制备工艺分别将实施例3配方和本对比例配方制造成1A1‑150*10*20*10D1500#的砂轮E(实施例3)以及砂轮F(对比例3)，在倒角机上使用与实施例3相同的加工工艺参数对0.5mm厚，4寸直径氮化镓晶片材料进行倒角磨削。磨削100片晶片后，测试砂轮0.5mm槽的变形量，E砂轮0.5mm的槽型变化为0.49mm‑0.51mm之间，变形量为±0.01mm，而

8

[0091]

CN 112536733 A

说　明　书

7/7页

没有加入TPU粉和玻璃纤维丝的F砂轮测试的0.5mm的槽已经变为0.3‑0.6mm，变形量远远高于E砂轮。由此可见，其TPU粉状材料和纤维材料的加入，可以使砂轮形状保持性提高，耐磨耐消耗性提升，从而保持其加工的高精度。[0096]由此可以看出，本发明制造出的柔性结合剂体系金刚石砂轮可以对半导体材料晶圆进行精磨倒角抛光，可以达到金属结合剂金刚石砂轮达不到的光洁度，且可以去除粗磨工序留下的崩口。

[0097]需要说明的是：泡沫金刚石的型号还可以为HFD‑SC、HFD‑MC、HFD‑DC中的一种或多种，其粒度为400#到4000#中的一种或多种粒度，上述实施例并不是对其的。[0098]本发明采用石墨模具，因为一般的树脂砂轮成型才用的是热处理钢模具，可以反复使用，但是会出现磨损，磨损后，其形状会出现误差，达不到本发明的高精度成型，所以本发明采用石墨模具，石墨模具成本低，且一次性使用，石墨模具的槽型精度加工高，一次性使用后不重复使用，不存在磨损，可以保证一次的高精度槽型的成型。

9

CN 112536733 A

说　明　书　附　图

1/1页

图1

图2

10