【doc】铌酸锂切磨抛工艺探讨

【doc】铌酸锂切磨抛工艺探讨 铌酸锂切磨抛工艺探讨 江苏冶金1991年第4期 铌酸锂切磨抛工艺探讨 姚瑞明 (南京锗厂) 1言 铌酸锂单晶作为一种铁电材料,在声表 面波技术上的应用近年来有了很大的发展. 用它翩作的声表面波滤波器大大改善了彩 电,录像机和高传真音响设备的可靠性和稳 定性.由于铌酸俚脆性大,传热系数小,硬 度又不很高".因而造成了加工工艺上的 很大困难,不易得到优质的抛光片.本工艺 研究着重探讨了铌酸俚晶片的切割,研磨, 抛光等的详细过程,克服了切割,研磨.抛 光等工艺过程中的难点,获得了较为理想的 抛光表面,并经有关厂家使用证明(见表 5),用本工艺制作的抛光片在器件翩作过程 中,全线合格品率高于国内同类产品的水 平,具有一定的推广意义.此项工艺产品在 本厂已投人大批量生产. 铌酸锂单晶在翩成滤谈器之前,必须利 用切片机,磨片机,抛光机等设备将单晶加 工成符合一定要求的晶片,这个过程即为单 晶的加工.经过切磨抛工艺后的晶片表面必 须高度平整光洁,并具有一定的晶向和厚 度.表面任何微小的损伤都可能影响到器件 的质量和性能. 对于经过切磨抛加工后的表面,若加工 过程中韵损伤仍残留在晶片上,则在随后的 镀铝和光刻中产生.断铝和.黑点.使器件 报废.实践证明,抛光片表面对于器件合格 率影响很大.所以了鳃切磨抛各个过程中损 伤的产生和最大磨削量,是提高晶片表面质 量的重要途径. 1?晶片切割 内圆切割刀片的安装是晶片切割工艺中 的关键环节,它直接影响到晶片切割的质 量,切割效率和刀片使用寿命.所以在刀片 安装时必须使1).刀片的刀刃处在同一个平 面上,刀片圆心与切割机主轴同心.2).刀 片的刀刃上所受的张长均匀.由于7J背(不 锈钢片)在翩造过程中是滚压出来的, 所以刀背组织不是各向同性的等轴晶.而是 单向的纤维结构.所以在紧固刀片时,应在 纤维方向上少加点力,在纤维的垂直方向上 多加点力,这样易使刀片紧固均匀如液压 张紧的刀片.其在各个方向上用的力大小都 一 样.刀片紧固后就不均匀,刀片易铪纤维 力向上呈隋圆,影响刀片的使用寿命. 刀片安装好以后,用磁性百分表检查刀 片横向和圆周方向上的平坦度,不得超出 0,Olmm.刀片张力的大小则用电气测礅计和 张力计来测定.一般"对刀背厚0.05- 0,06rnm的刀片,当加70克力时,刀片变形 量在0,04,0,05mm为台适;刀背厚0.10- 0.1lmm的刀片,当加90克力时,刀片变形 量在0.040.05turn为合适. 对铌酸锂晶片切割的要求 1).切片厚度公差<?0.01mm. 2).平行度误差<0.02mm. 3).晶向偏离<l0' 4).弯曲度越小越好,最大不超过磨片 时允许磨削量的1/2. 5).表观要求,切割后晶片表面应无缺 损,破边,表面光滑无台坡. 晶体的粘结 由于铌酸锂单晶与锗单晶在物理性能上 有明显的差异,蜘导热系数等,因此不能用 锗单晶粘结的概念套用到铌酸锂单晶上,应 尽量避免像锗单晶的热焊.对铌酸锂的粘 1991年第4期江苏冶金 结要在室温下用CH31型胶粘剂按适当的比 例进行粘结,固化.粘结胶必须具有一定的 粘度和强度,以切割时不.粘刀,晶片易取 下,不破边为好. CH31型胶粘剂是以环氧树脂为基体, 低分子聚酰胺等复合物为固化剂.并加有填 料等组成.作者通过粘度及硬度试验得出 A:B 硬度渐低 粘度渐大 固化渐慢 2.晶片研磨 根据实验情况,铌酸锂晶片的研磨采用 粗,细磨两道工序. 早在50年代,学者们就开始研究损伤层 的测定.并提出了各种测定的方法.但损伤 层的性质至今还没有完全明白,一般学者们 认为".切割研磨的损伤层由多晶层.裂 纹层和弹性畸变层组成,裂纹数日自表面向 内层逐次减少. 1964年Faust提出了具有代表性的描绘 损伤层的模型".如图1所示.A区包括 细微裂纹层和网络位错.B区为弹性变形 层,包含了位错密度的改变.A/B面间位 错密度最高.B/c面间位错密度为零.A 区大约为总损伤层的1/10.Stiklcr和 Booker[6用电子显微镜对锗硅的研究表 明,当加工粒子大干0.001mm时,损伤层由 A区和B区组成;当加工粒子小于 0.001ram.损伤层只有B区,也好损伤层仅 为位错层.所以抛光时磨料粒度越小越好. 对表面的影响也越小. 图切割研磨损伤层示意图 影响研磨损伤层深度一般有这以下几个 因素: 1).材料的晶体取向;2).磨料粒度的大 t』,:3).研磨时的压强:4).磨料曲率半径; 5).研磨时间:6).研磨速度. 张畸方,王玉田用x双晶衍射法和 声光谱法对硅的切割片和研磨片的损伤进行 了测量,如表l表2所示. 硅的切割片损伤测量表1 切鲁5样品号晶向【型号刀片状况屹刀建度弯曲度平整度损伤崖厚 N0l<III)IN新刀24mm/111in5"7H N02<Il1)JN新刀)40ram/rain<10<l0"I5" N03<l1I){N旧刀30mm/rain26# No4<III)fN机振大15ram/m;n40#<l0II N05<ill>『N中间)20a8" 硅的研磨片损伤测?表2 研磨样品号}晶向}型号砂粒度}直径{损伤层厚 No6I<II1)fN305}36单面磨8 No7'1<Il】).N】3O450双面磨{】 No8'l<111)iNl30450双面磨l No9'f(…>NfSlO:5.单面抛< 江苏抬金1991年第4期 2.J磨盘的修理 磨盘的修理是铌酸锂切磨抛的基本操作 技能,它直接关系到磨片质量.修磨时一般为 几个磨盘循环修磨,直到修磨平整,用刀口 尺检验不漏缝或漏缝均匀即为修好. 2.2磨井的选择 粗磨不仅要将切痕和切割形变除去,而 且还要预磨刊一定厚度,使细磨能够容易地 将粗磨损伤除去,从而过渡到抛光.所以粗 细磨的选择既要相互兼顾,又要兼顾到抛光 的容易进行,同时还要兼顾到研磨效率. 经过试验,以粒度为W5的白刚玉微粉 作为细磨磨料,既能将粗磨损伤去除达到一 定的光洁度和平整度,又能兼顾到下一工序 的抛光(其磨削量见表五).由于白刚玉微粉 的磨料是呈球状的,能在晶片表面均匀磨 削,且损伤层较小,利于抛光.其微粉组成 为': 最粗粒子数lO一73粒 粗粒百分数5-7p20% 基本粒百分数5-3.540% 混合粒百分数5-2.5p70% 细率百分数2.5__0.5<10% 2.3磨料与磨盘的适应性 经过大量实验认为,粗痞可以在致密性 略差(但须有一定的致密性)的磨盘上进 行,可以减少黑拉丝的产生.细磨则必须 在致密性好,并且具有一定的光洁度,耐磨 削易修理的磨盘上进行,这样才能避免磨料 上磨盘的不适应而引起的拉丝. 当确定了磨料与磨盘以后,研磨中磨科 浓度便成为研磨质量的直接因素,试验得 磨料:水=l/2--l/3:l 对粗,细磨面的要求 1).而形精度,整个磨面不平度< 0.02ram. 2).磨面表面光洁无.黑拉丝和括扯状 齿型拉丝 3).粗磨面光洁度?6-7,细磨面?lO. 3.晶片抛光 铌酸锂抛光采用的是机械抛光,其抛光 原理同研磨基本一样,只是抛光采用的磨料 粒度更细,并且在研磨盘上覆盖一层抛光布 进行软研磨. 3.抛光磨井粒度的选择 分别用Wl和W35的研磨膏进行抛 光,其对比结果见表3. 不同研磨膏抛光状况比较表3 3.2抛光布的选择 分别用4种不同类型的抛光膜层进行抛 ,其对比结果见表4. 光,时问相同 不同抛光膜层表面情况比较表4 抛光布抛光膜 吃膏量磨削量表面情况 型号层厚度 DF0.25ram少O01表面光亮 表面光亮.有直条纹 DM,0.5mm较多0.02 被纹明显.弧度太 l6mm很多,0005较暗 FlwI_9mm根多,0有状' 3,3抛光磨削量r见表jJ 由文献[5】及[7】知细磨后损伤层约为 lOp.则A区为总损伤层的l/10约为l B区则约为.抛光痞削量约为lOp,所以 抛光后A区的细微裂纹层和网络位错及B区 是可以被去除的. 由于抛光的原理同研磨基本一样,所以 抛光后的晶片表面仍然有一层更加细小的损 伤层,它将影响副随后的器件加工工艺和波 形特性.为了尽可能减少损伤层的影响,除 了传统的机械抛光,国内外学者还研究井采 用了电解抛光,化学抛光,化学机械抛光, 1991年第4期江苏冶金51 无磨料抛光等.文献[9】研制成功的一种新型 无磨料抛光液实际上是一种化学抛光.它几 乎不产生表面损伤.日本学者认为.如 果抛光时采用的磨料硬度与被抛材料相同, 或者比被抛材料还要小,这样可以使抛光产 生的损伤比较小:或者更进一步.抛光时不 采用任何磨料.仅借助于抛光膜层与被抛材 料表面的磨擦来进行. 实验得出,对铌酸锂晶片采用W1的金 刚石研磨膏和DF抛光布进行抛光,并在抛 光结束留出一定的时问不加磨料,仅利用抛 光膜层同晶片表面的磨擦来进行.这样便获 得了较为理想的抛光表面.实践证明,这样 的抛光片在器件翩作过程中的合格晶率是较 高的(表5). 铌酸锂抛光片利用宰裹5 车工艺翻作的抛国内同类产品在 厂名光片在器件捌作器件捌作中全线 中全线合格率合格事 上j孽利民无线电厂45%41% 上j孽半导体器件八厂43%40% 上第无线电一厂?%75% 4.结论与分折 4.i作者在实验过程中认为,铌酸锂切磨抛的关键在粗磨.从磨削量来看,粗磨一 般为0.06ram,细磨约为0.02ram,抛光约为 0.01ram.从以上数据分析看,细磨实际上是 很细小的表面均匀磨削,而抛光的磨削量则 更小.可见,如果粗磨磨不好,或者使片子 成为内凹型,或者成为外塌中凸型.当最高 点与最低点超过细磨的最大磨削量,细磨就 不能使晶片表面达到均匀磨削.抛光就难以 进行.质量就不能保证.所以粗,细磨以后 磨面都要平整光洁,才能获得高质量的抛光 表面. 4.2抛光膜层要有一定的厚度,但不能 太厚,过厚易使晶片边缘产生较大的.倒角 弧度,而且使晶片的平整度变差,那将使器 件制作的合格品率降低.所以抛光膜层在具 有一定强度和磨擦能力的同时也零比较地 薄.这样可以使晶片表面获得较高曲平整 度. 本工艺研究是在条件比较差,设备比较 简陋的情况下进行的.作者将本工艺制作的 抛光片同日本的抛光片进行了一些测试,其 简单对比结果见表6. 工艺结果对比裹6 试璎目{目车片}车工艺翻作的晶片 牛曩千掺荣搜(1咣)舅平面肄整i较好 光曲反射率的量f37.s%l16.5%J 可见,同国外先进水平相比有好的特 点.也有差距,因此今后如果能够相应的配 以国内外先进的设备和测量仪器,并对抛光 过程中进行系统控制.该抛光片是可望向世 界先进水平挑战的. 参考文献 …许玉煜等缩《铁电相与压电材料》, 科学出版社.1978. 【~TS23切片机订货贤料. 【3】有色金属工人技术理论教材(试用) 《锗生产工艺学》. 【4】佐藤升,《电气化学于工业物理 化学》,41(1973)503. 【5】J.W.Faust.ElectrochemicalTech? nology,2(1964)339. [6】R.Stikler,G.R.BookerPM,8 (1963)859. [7】张晡方王玉田,关于硅单晶机械加 工工艺和质量关系的探讨.硅材料学术会议 论文集,1986.P.336. [8】四川乐山金刚砂厂产品介绍. [9】张向东,贾铭伍,NNP-85A型无磨 料抛光液,硅材料学术会议论文集.1986.