[发明专利]一种亚微米曲率半径单颗粒金刚石针尖纳米深度高速划擦方法

说明书

技术领域

本发明属于脆性晶体超精密加工技术领域，涉及脆性晶体超精密磨削的加工方法，特别涉及一种亚微米曲率半径单颗粒金刚石针尖纳米深度高速划擦方法。

背景技术

硬脆晶片如硅片、蓝宝石、氧化镁、碳化硅，广泛应用于军事、国防、航空、航天等领域，这些硬脆晶片在成为高性能器件基片以前，一般经历拉单晶、线锯切割成晶片、树脂结合剂砂轮磨削、化学机械抛光等工艺。传统的树脂结合剂砂轮磨削，由于磨削损伤层较厚，容易导致硬脆晶片的崩边、破碎、划痕等加工缺陷。对于硅片硬脆晶片，化学机械抛光后，还要生长电路，保护后再进行背面减薄，由于树脂结合剂的损伤层厚，减薄时容易造成硅片的翘曲、破碎等加工缺陷。虽然传统加工有缺点，但是硬脆晶片的高性能基片要求超精密加工后，硬脆晶片表面无加工损伤、表面粗糙度R_a<1nm，微米级平面度。传统的树脂结合剂砂轮难以达到高性能基片的超精密加工的要求。为了开发新型的超精密加工方法，就要对超精密磨削的基本原理进行研究，即亚微米曲率半径单颗粒金刚石针尖纳米深度高速划擦方法。

目前研究砂轮的单颗粒划擦方法主要有两种：一种是研究砂轮的磨粒磨损，另一种是采用准静态加载的方法模拟砂轮的磨粒压入及划擦实验方法。平面磨削的砂轮的尺寸一般为几百毫米，难以直接放入真空腔中进行扫描电镜表征。普通的光学显微镜由于离开焦平面后成像模糊，获得清晰的砂轮微观形貌图像较为困难，而且#3000砂轮的磨粒尺寸为5微米，光学显微镜难以分辨。另一方面，砂轮磨削前后的同一颗粒难以找到，有的已经脱落，有的已经磨损，尤其对于粒度高的细磨粒砂轮，更为困难。此外，砂轮由于高速旋转，磨削后的工件表面是多个磨粒往复磨削而不是单个磨粒单次磨削的结果。因此，人们采用准静态加载的方法研究砂轮磨粒的纳米深度压入及划擦实验，即纳米压痕和纳米划痕方法分别模拟砂轮压入及划擦过程。但是，砂轮的超精密磨削的速率一般为20-50m/s，而纳米压痕和划痕的速率为一般为μm/s量级，与真实的超精密磨削的速率相去甚远。

发明内容

本发明的目的是采用亚微米曲率半径单颗粒金刚石针尖，实现脆性晶片纳米深度高速划擦方法。

本发明的技术方案是样品为硅片、蓝宝石、氧化镁、碳化硅晶片，采用天然金刚石为针尖原料，将天然金刚石用高频焊接的方法固定在金属杆体上，磨具开始为金刚石砂轮，最终用铸铁盘，磨具转速为30-60m/s,磨削进给量为200nm-2μm/s。单颗粒金刚石针尖曲率半径为50-950纳米，针尖形状为圆锥、三棱锥和四棱锥。在超精密平面磨床上，纳米深度高速划擦时金刚石针尖的速率为1.7-40.2m/s，利用硅片的平面度和磨床的端面跳动的组合偏差，完成亚微米曲率半径单颗粒金刚石针尖纳米深度高速划擦实验。

样品为硅片、蓝宝石、氧化镁、碳化硅晶片。硅片作为半导体领域的垄断材料，在半导体芯片制造中具有举足轻重的作用。蓝宝石广泛应用于光电窗口，氧化镁用作高温超导体薄膜的衬底材料。碳化硅晶片具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，是半导体领域最有前景的材料之一，也是发光二极管和激光二极管的理想衬底材料，是光电行业的关键基础材料之一。这四种脆性晶体具有优异的性能，在各自的领域具有非常重要的应用，因此，选择这四种脆性晶体作为典型的亚微米曲率半径单颗粒金刚石针尖纳米深度高速划擦实验的样品。

采用天然金刚石为针尖原料，重量为0.1-0.2克拉，将天然金刚石用高频焊接的方法用镍基、铁基、或钴基合金粉末固定在金属杆体上。天然金刚石相比于人工金刚石来说，强度更好，组织更加均匀，金刚石内气泡少，裂纹少，因此相对于人工金刚石能承受更好的力和热的冲击作用，因此作为单颗粒金刚石针尖纳米深度高速划擦的首选材料。考虑天然金刚石的成本和加工难度，选择0.1-0.2克拉的天然金刚石比较合适。天然金刚石在磨削加工的过程中，要承受较大的磨削力的作用，因此要将天然金刚石焊接在金属杆体上。采用较为常用的镍基、铁基、钴基合金粉末将天然金刚石焊接在金属杆体上。这种合金粉末的强度较纯金属要高很多，因此考虑选择镍基、铁基或者钴基的一种作为焊接粉末。