[发明专利]一种基于3D打印的金刚石多孔研磨块的制造方法及应用

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的金刚石多孔研磨块的制造方法，是根据研磨过程所需的磨屑内冷空间设计孔隙率可调控的研磨块晶胞单元体的三维模型，导入Magics软件对研磨块晶胞单元体进行可推积叠加组合操作得到多孔研磨块的三维模型，打印粉料为金刚石磨粒和铝合金系列结合剂的混合粉末，通过激光选区熔化技术进行3D打印成形，得到金刚石多孔研磨块并用于半导体衬底晶片研磨用研磨盘的制造。多孔晶胞结构的设计能够在晶片研磨加工中，有足够的冷却液流通空间，并使磨屑从孔洞中流走。本发明对于提高半导体晶片研磨加工效率具有重要意义。

技术领域

本发明属于半导体晶片研磨的工程应用技术领域，具体涉及一种基于3D打印的金刚石多孔研磨块的制造方法及其应用。

背景技术

芯片制造所用的半导体衬底晶片，主要采用蓝宝石、碳化硅和金刚石等半导体材料，其特点是高硬度、大脆性、耐磨损和抗腐蚀良好等。半导体材料作为芯片衬底材料，要求其表面具有一定的平整度，同时具有光滑、低损伤的表面质量。衬底晶片的加工主要通过晶棒的线锯切割、晶片的双面研磨以及精密抛光等步骤，其中研磨过程是获得平整光滑表面的重要工序，主要采用的工具是双面研磨盘，通常研磨盘是由多个研磨块的拼接组装而成。

衬底的双面研磨加工中，目前主要采用三种方式，分别为：游离磨料研磨、半固结磨料研磨和固结磨料研磨。其中，游离磨粒研磨主要存在研磨效率低、表面粗糙度较高、磨料的利用率低和环境污染等问题；半固结磨粒研磨可以一定程度上提高研磨效率和衬底的表面精度，但是提高的幅度相对有限，且磨具修整较为困难；固结磨粒研磨具有较高的研磨效率，能实现衬底的快速减薄，具有较好的应用前景。目前，固结磨粒研磨块主要采用压制烧结的方式制备，一般为致密的块体结构，在加工中难以提供冷却液流通空间，同时磨屑经常附着在磨块表面，导致磨具极易产生磨粒堵塞失效，后期需要频繁修整，工作量较大。

为了解决磨具的上述问题，目前采用的方法是在磨块表面开槽，使磨削液能够充分流动，并且在加工过程中带走脱落的磨粒和磨屑，这种沟槽结构的磨块目前已经验证有效。但是，磨削液和磨屑只能在表面流动，同时开槽的尺寸过大也会反过来影响加工效率，如能在磨块中制备出三维空间连通的多孔磨块，是磨具制备的发展趋势。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于3D打印的金刚石多孔研磨块的制造方法及其应用。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种基于3D打印的金刚石多孔研磨块的制造方法，包括：

1)根据研磨过程所需的磨屑内冷空间设计孔隙率，基于数学函数关系式通过设计软件得到具有所述孔隙率的研磨块晶胞单元体的三维模型；

2)在Magics软件上创建多孔研磨块的形状，导入所述研磨块晶胞单元体的三维模型填充到多孔研磨块内部，设置多孔研磨块的尺寸，得到多孔研磨块的三维模型；

3)打印粉料为金刚石磨粒和铝合金系列结合剂的混合粉末，其中金刚石磨粒的体积分数为10％～30％，通过激光选区熔化技术进行3D打印成形，得到金刚石多孔研磨块。

可选的，所述激光选区熔化技术的激光功率200～400w，扫描速度2500～3500mm/s，扫描间距100～150μm，光斑直径70～90μm。

可选的，所述步骤1)包括

1.1)选择数学函数Gyroid作为生成研磨块晶胞单元体的曲面函数，于MATLAB软件上建模得到所述孔隙率的研磨块晶胞单元体的三维模型的STL文件格式；

1.2)导入三维建模处理软件SOLIDWORKS，得到研磨块晶胞单元体的三维模型。

可选的，所述步骤1.1)包括根据给定x、y、z取值范围，建立立方体点集，再采用函数isosurface根据曲面表达式获得等值面，进一步采用isocaps函数封闭模型。