20000字硕士毕业论文提高复合电沉积金刚石刀头性能的实验研究
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：20000字
论点：金刚石,磨削,划片
论文概述：
仅此几点我们便可以看到，集成电路的发展一日千里!硅晶圆制备以后，还要经过氧化、扩散、光刻、沉积、腐蚀、检测、研磨等一系列工艺之后，才能制成规则排列的集成电路器件。如需
论文正文：
绪论 课题研究的背景与意义1.1.1IC技术的发展对超薄切割片的需求磨削作为一种应用范围最广、最有效的精密与超精密加工方法，正伴随着磨料技术和磨具制造技术的发展，在现代机械制造领域中发挥着越来越重要的作用。20世纪70年代电镀超硬磨料砂轮的推广应用，以及现代科学技术的日新月异，进一步刺激和促进了现代磨削技术不断向着超高速磨削(150-SOOm/s)和超精密磨削(亚微米一纳米)的方向发展。磨削加工对象已经逐渐代替了传统磨料，尤其在精密加工与超精密加工领域，基本上开始从A(氧化铝)、B(碳化硅)向C(CBN立方氮化硼)、D(金刚石)的过渡[4-5]0如今单晶金刚石制造技术已经越来越成熟，目前可以制备从2500}m到O.S},m甚至更小的单晶金刚石颗粒(微粉)，而且人造单晶金刚石与天然金刚石的硬度等各方面性能相差无几[。因此，金刚石作为加工硬脆材料的磨料，无疑是最好的选择之一。如今，随着工业科学的不断发展，大规模集成电路的发展也极其迅速，用于大规模集成电路的硅晶片直径不断增大。增大硅晶片的直径，可以加快效率、节约成本。硅晶片已从以前的几十毫米发展到了今天的几百毫米。目前8英寸((200mm)硅晶片生产己成规模，12英寸(300mm)的硅晶片已开始投产，日本富士通株式会社在2007年己经拥有两个12英寸的晶圆厂。此外，16英寸((400mm)的硅晶棒也己试产成功。于此同时，IC的制程线宽已从0.18}.m降至0.09}m[\']。 仅此几点我们便可以看到，集成电路的发展一日千里!硅晶圆制备以后，还要经过氧化、扩散、光刻、沉积、腐蚀、检测、研磨等一系列工艺之后，才能制成规则排列的集成电路器件。为了将排列密布的集成电路切割分离，就要用到划片这一工艺，将器件切割分离，供线焊封装。硅晶片是由多晶硅经过拉单晶后切片而成，单晶硅属于硬脆材料，延展性差，所以切割加工容易出现加工缺陷。硅晶片的划片属于精密加工范围，划片后必须保证切口整齐，无毛刺，无裂纹。集成电路制成以后，其价值相当高，如果划片的工艺不完善，对生产商的利润打击是致命的。所以，研究一种好的划片技术和划片工具以及高质高效的划片工艺，对集成电路的发展起着不可忽视的巨大作用。由于硅片的脆硬特点，所以利用金刚石为磨料的磨具加工，可以获得理想的划片效果。硅片晶圆金刚石切割片主要有树脂结合剂切割片、钎焊砂轮切割片、烧结砂轮切割片、电镀电铸切割片等。树脂结合剂切割片厚度一般为100-SOO},m，采用热固性酚醛树脂作为结合剂。其制造工序是将金刚石磨粒与树脂混合，用热压法烧结和热固化后进行研磨加工。树脂结合剂切割片生产成本较高，而且由于树脂结合剂切割片硬度较低，厚度大等原因，使得其在切割硅晶圆时易出现偏摆和大槽宽的现象[[g]。而金属结合剂金刚石切割片因具有结合强度高、成型性好、使用寿命长、能够满足高速磨削和超精密磨削技术的要求等显著特性，成为硅晶圆划片的重要加工工具。对于金属结合剂切割片，可以利用复合电化学沉积、高温钎焊、烧结等方法将金刚石与金属一起结合而成。近十年来发展起来的高温钎焊超硬磨也不仅仅局限于传统的金属材料零件，如今也向着硅片、陶瓷、岩石、晶体等坚硬难磨的非金属材料精密和超精密磨削方向发展[1-3]，如金刚石线锯对岩石和硅晶棒的切割以及在集成电路工艺中利用磨削完成的研磨、减薄等。从本质来说，磨削也是切削的一种形式，在利用磨削的加工方式时，总是利用单个或多个磨料群对工件进行切削加工。因此，磨料也就成为了磨削加工中的至关重要的一部分。随着科技的发展，超硬磨料料砂轮制造技术，不仅使得磨粒在基体上的把持强度得到提高，而且具有更大的磨粒裸露高度(可达磨粒高度的70%-80%)，显著改善了砂轮的锋利度和容屑空间，取得了使用工效和寿命高于传统超硬材料磨具3-S倍以上的效果[。但是目前主要只针对较大颗粒磨料砂轮采用高温钎焊制造，对于磨料为微粉或超细微粉的精密、超精密磨削和抛光用磨具的制造，因受到高温钎焊制造工艺本身的限制、尚有许多需要解决的技术难题[’“]。烧结是将粉末或粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程，利用烧结制成的一般是厚度约大于0.1~的薄膜，与树脂结合剂切割片一样，使得硅晶圆上集成电路间排布的槽宽受到限制。 利用复合电化学沉积的方法是将金刚石置于电镀溶液中，通过两端施加电压，使金属在阴极表面沉积的同时将荷电的金刚石微粉带入镀层，嵌入金属基体中形成金刚石金属结合剂薄膜。通过对时间的控制，可以精确得到不同厚度的薄膜;通过各种添加剂的使用可以得到不同性能的薄膜;通过不同的金刚石搅拌形式可以将各种颗粒尺寸的金刚石嵌入金属层。电化学沉积制备金刚石薄膜的工艺成熟，应用广泛，工艺简单，投资少，制造方便。在硅晶圆划片中应用的金刚石颗粒大小一般为2-S}.m，刀片的厚度约为20-SO}m，利用电化学沉积技术能够很有效地实现切割片薄膜的制造。2课题研究的意义高精度金刚石超薄切割工具是随着电子工业技术的发展而出现并发展起来的。早在上世纪60年代中期，前苏联就研制出了由金刚石磨粒和金属结合剂构成的切割工具用于硅片的划切。此后，日本、美国等纷纷开发出了高精度金刚石超薄切割工具，其产品精度高、刚性好，使用性能十分优良。如今随着材料科学的不断发展，越来越多的新兴 参考文献[1] Malkin S.蔡光起译.磨削技术一理论与应用[M].沈阳:东北大学出版社，2002.[2〕赵恒华，冯宝富，高贯斌等.超高速磨削技术在机械制造领域中的应用「J].东北大学学报(自然科学版)，2003, 24 (6):564-567. Hwang T. W, Evans C. J, Malkin S. An investigation of high speed grinding withelectroplated diamond wheels. Annals of the CIRP, 2000, 49(1):245-248. Simizu Jun, Zhou Libo, Eda Hiroshi.Simulation and experimental analysis of supper hig speed grinding of ductile material[J]。Proceedings of the 10th Int. ManufacturingConference, Xiamen B. H. Hu, K. K. Tong, X. P. Niu, I. Pinwill. Design and optimization of runner and gating Systemsor the die casting of thin-walled magnesium teleeommunieation parts through [6] X. Jia, S. Hayakawa, w. Li, Y. Gohshi, M. wakatsuki. Cobalt impurities in synthetic diamond[7〕章从福.富士通将在日本中部建立新的300毫米晶圆厂「M/OL].电子工业报.[8」姚春燕，彭伟，高涛.晶须增强光敏树脂结合剂超薄金刚石切割砂轮片的研究【J].金刚石与磨料磨具工程，2004, 8.[9]傅玉灿，徐鸿钧.从电镀到钎焊—国外单层超硬磨粒砂轮制造技术新发展【J].工具技术，1998, (8):4-8.[lo〕武志斌，徐鸿钧，姚正军等.钎焊单层金刚石砂轮的现存问题及其对策【J].焊接学报，2001, 6.[11〕吴贻馄.粉末冶金铁基金刚石胎体材料的表面分析【J].功能材料，1994, (4):370 ^-375.[12〕李菊丽，李长诗，郭健明.金属结合剂金刚石砂轮的研究进展【J].工具技术，2003, 37.[13」王凤平，李国平.人造金刚石锯切工具的制造和使用对其性能的影响【J].中国制造业信息化，2005, 8 } 134-136. Kajiyama. Electroplated grinding tool[P].United States Patent, Patent Number:4547998,Oct. 22, 1985.[15] Tonshaff H. K.，W arneck s G.，Research on stone saw ing, U ltralardM aterials App lications Technology [M].VO 1. I. Ed. P. A. Dam i e 1, 1982:36一49.[16] wright D. N.，Wilson S. M.，Brown YV. F. and Ovens U.，Segment wear on diamond impregnated mining bits仁J].Industrial Diamond Review 1990 (5).[17]蔡鑫泉.硅片划片加工【M].电子工业专用设备，1993年第1期.[18] Stephan Schoenfelder, Matthias Ebert, Christof Landesberger, Karlheinz Bock, Jorg Bagdahn. Investigations of the influence of dicing techniques on the strength properties of thin silicon[19〕解振华，魏听.半导体晶片的金刚石工具切割技术[J].金刚石与磨料磨具工程，2004, 2. 139-1. 摘要 4-5 Abstract 5-6 1 绪论 9-21 1.1 课题研究的背景与意义 9-11 1.1.1 IC技术的发展对超薄切割片的需求 9-10 1.1.2 课题研究的意义 10-11 1.2 国内外相关技术的发展现状 11-19 1.2.1 硅片划切方法及工具 11-13 1.2.2 金刚石超薄切割片研制技术的发展 13-15 1.2.3 复合电沉积技术 15-17 1.2.4 铝合金腐蚀去除技术 17-19 1.3 本文的主要工作 19-21 2 复合电镀金刚石切割片制备工艺的研究 21-40 2.1 复合电镀原理 21-22 2.2 复合镀层生长速度 22-23 2.3 复合电镀前处理工艺的研究 23-29 2.3.1 金刚石磨料前处理 23-24 2.3.2 铝合金基体前处理 24-29 2.4 复合电镀工艺的研究 29-35 2.4.1 实验设备与条件 29-30 2.4.2 切割片基体和电镀夹具的设计 30-31 2.4.3 电镀液的试验选择 31-32 2.4.4 工件悬挂与金刚石上砂方法 32-33 2.4.5 切割片复合电镀试验研究 33-35 2.5 初步试验研究数据与结论 35-40 2.5.1 镀层金刚石浓度 35-37 2.5.2 镀层表面效果 37-40 3 超薄切割片磨粒浓度及分布均匀性评定方法的研究 40-50 3.1 划片工艺对切割片性能的要求 40-41 3.2 超薄切割片磨粒浓度及分布均匀性评定方法 41-43 3.2.1 金刚石磨粒浓度的评定指标 41-42 3.2.2 金刚石分布均匀性评定指标 42-43 3.3 电沉积参数对磨粒分布影响的试验分析 43-48 3.3.1 分析试件的制备 43-44 3.3.2 镀液中金刚石浓度的影响 44-45 3.3.3 阴极电流密度的影响 45 3.3.4 搅拌作用 45-48