精密磨削.docx

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1、第十章精密磨削(PrecisionGrinding)10-1前言磨削(Grinding)是一种利用磨轮(GrindingIheeD作高速旋转及微小深度(微小量)，磨削工件外表或内孔,以获得精密形状及外表粗度的加工技术。磨削加工的特色：(1)每一颗微细磨粒，其作用相当于一把细微刀刃，磨削加工，如同无数细微刀刃同时切削。(2)可磨削硬脆材料，如硬化钢、玻璃、碳化物及陶克等。(3)磨削去除率小(1.oWHatCria1.Remova1.Rate)(4)磨削速率(CUttingSPeed)大,进给率(FeedRate)及磨削深度(DePthofCUt)均小，因此比马力(SPeCifiCHorsePoW

2、er)相当大HPs(SpecificHorsePower)HP(HorsePower)/MRR(Materia1.Remova1.Rate)10-2深进缓给磨削(CreePFeedGrinding)所谓深进缓给磨削(CreePFeedGrindin由简称(C.F.G),与一股的平面第削不一样，磨削深度(DCPthofCUt)增加数倍至数十倍，而进绐率(FeCdRate)以相同的倍数减慢，可以增加磨削速率及增进工作外表粗度的磨削技术。CFG机制示意图，如图(一)所示。1.oneCvHEAppiO1.Xmm,chcaviyccf1.1.nMAt图一CFG机制示意图CFG磨床之特色：(1)磨削深度(

3、即磨削量)大，具备减震装置(DampingDevice),以维持静，动平衡。(2)软质磨轮增进工件外表粗度。(3)为保持磨轮外表，不被磨屑阻塞，经常保持在锐利状态，因此在其上方按装外表含有钻丁磨粒之整修砂轮(DreSSingWhee1),在制程中，不断整修磨轮，使其保持直国度及锐利状态，以维持工件质量之稳定性。(4)为维持一定的切削速率(CUttingSPeed)及磨削深度，磨轮转速不但可以无段变速，并且能够自动下降以获得理想I1.致的工件质量，10-3电解磨削(E1.eCtroIytiCGrinding)电解研削(ECG)是由电解加工，亦可称为电化学加工(EIeCIr。Chemica1.MH

4、Chining简称ECM),亦就是反电被(DePIating)加工与机械I杼削(Mechanica1.Grinding)所组合之星合加工.电解磨削是1952年美国G.FKee1.eric研发成功。电解加工原理电解加工在原理上是将电铸的阳极金域溶解现象应用于金屈加工，将预先成形为所定形状的电极隔着微小间隙(0.20.311un)与被加工物外表相向，并压送电解液(e1.ectrO1.yte),流速5x20ms,以电极(e1.ectrode)为阴极，被加工物为阳极，施加定的直流电压(5、20V),那么经电解液而通电流，被加工物从接近电极的部份开始电解,同时使电极以一定速度(O.53.OnmiZmin

5、)向被加工物送入，达预先设定的加工深度时，即得所希里的加工形状。电解加工的特色(1)可同时加工广阔面积之工件。(2)不拘被加工物的机械性质，都可加工。(3)不发生热变形、加工应变、加工变质层。(4)单一工程即可雕出豆杂形状工件。(5)电极不消耗。(6)加工面粗糙度良好.(7)加工速度比放电加工(EDV)快5“10倍。电解加工的应用(1)锻造模、玻璃模、侬胶模等的雕形加工。(2)沟加工、斜面、轮廊加工、深孔加工等传统加工法的效率差者。(3)难切削材料的加工.伤痕等不可能用机械加工的加工电解研削机构示意图如图(二)所示三iWS尊解被图(二)电解磨削机构示意图电解磨削原理示意图如图(三)所示1.iK

6、核鼠维注2电性触合材4被加工物(图-：)电解磨削原理示意图电解磨削系利用金属结合剂及微细钻石磨料所组成的导电性砂轮同时进行电解加工与机械研削的方式，砂轮的导电部份为阴极，被加工物为阳极，接直流电源，在两者的间隙通电解液，在被加工物与砂轮的导电性结合材料之间进行电解加工，不易电解的物质或被加工而生成的不动态皮膜(即金属氧化膜)，用磨料以机械研削除去，加工量的比率是电解加工量90%、机械研削fiU0%.磨料突出量为O05mm以下，这可防止两极的短电路，并保持电解液通路必要的间隙。当进行粗、中等加工后，停供电解电流，只以机械研削细加工而提高加工精度的方式一此方式是利用电解研削的高效率，除去加工量后，

7、停止电解加工，不更换砂轮，以同一砂轮维续细磨。而得到期望的外表精度。电解液可提高电解研削速率.，磨料微粒为不导电的材料如：钻石、三氧化二铝(A1.Os)及晶方氮化物(CBN)104电解抛光(E1.ectro1.yticPo1.ishing)所谓电解抛光，即是将工件放置阳极，于电解液中通电，在适当操作参数下，使工件发生电解反响(亦称反电镀)，工件外表而因电场集中效应而产生溶解作用，因而可达成工件外表平坦与光泽化之加工技术。电解抛光机制示意图如图(四)所示：图(四)电解抛光机制示意图电解抛光技术于1931年，由创造实行。电解抛光J技术可广泛运用在半导体制程设备、化工、航天以及其它高精密等外表处理加

8、工。电解抛光应用范围:(1)可处理铜、黄铜、铅、锲、钻、锌、扬、铝、不锈钢、铁、铐等材料。(2)电解抛光技术广泛应用丁半导体/1.CD等级阀件、管配件、接头、IGS之外表处理。(3)电解抛光可达镜面级光泽，抛光后产品外表可达Ra=O.2、0.5HnU(4)不锈钢电解抛光外表可生成钝化层，有效提升抗腐蚀能力。电解抛光成品如相片(一)所示：相片(一)电解抛光成品工研院机研所，两年来，在没有技术引进楮况下，自行设计、开发夹治具、电解液和设立实验室，摸索出世界最新颖的外表处理电解抛光关键技术。机械所目前已建立电解抛光实验室，拥有内外孔电解抛光设备，除开发阀件内孔电解抛光技术外,更将触角延伸至管件内孔电

9、解地光高级技术开展，期能建立我国扎实的电解抛光加工能力.近年，国内半导体制造业蓬勃开展，但半导体制程设备工业却远远落后，详究其原因，主要在F国内缺半导体制程设备所需的精密外表加工技术.电解地光应用于半导体制程设备中的控制阀内流道、厂务配管流道、反响腔壁外表之处，凡与制程气体接触之处理都需要电解抛光加工处理，应用范围多且广。将电解抛光应用于半导体制程设备的目的有三，为可生成抗蚀钝化层，二为可产生高度洁净外表，三为可镜面抛光降低粗植度。为建立电解地光操作参数，机械所是从电流密度、电压、通电时间、温度、流速、电解液配方、比例、添加剂等，来了解其对钝化抗蚀性的影响，并委托清华大学进行电解抛光试片抗蚀性

10、研究，已实验完成且有不错的成果，机械所在电解抛光高度洁挣外表研究方面，那么从制程和步骤着手,包括前处理溶液清洗、械洗除油、酸洗除锈、电解液洁净和控制、后处理化学清洗，以及在无尘室进行超化学液配方、温度、操作时间、角度等研究.电解抛光效益(创造产值)：(1)为具备机械、电控、热流、材料化工高度整合性技术。(2)1999年时国内半导体业者需求与EP有关之阀件、管配件等零组件消耗品总金额为67.5亿，其中EP技术产生价值约占22%,总值约为15亿。10-5化学机械抛光(Chemica1.Mechamica1.Po1.ishing,简称CMP)CMP机器之构造图及制程示意图如图（I1.）及图（六）所示

11、:图（三）CMP机器构造简图图（六）CMP制程示意图CMP是将工件压在旋转之弹性衬垫（研磨垫）上，利用相对运动加工之抛光技术。将具有腐蚀性之加工液供应到工件上，当工件进行腐蚀加工（化学性）时，同时供应超微磨粒(直往100奈米以下)抛光(机械性)材料，对工件之凸部进行选择性的抛光操作.故称机(械；化学抛光或化学机械抛光。在1.SI往微细、高积体化开展之I可时，形成丁硅外表之装置构造也有多层化，其外表凹凸变大之倾向。为了实现多层化装置之配线的高信赖性、离成功率，在装置制造之过程中,每一层外表之凹凸必须很平坦化(P1.anarization)平坦化过程之概念图，如图(七)所示：在硅芯片上所形成内部前

12、线之突出辄化膜局部，利用包含超磨粒抛光材之抛光衬垫进行抛光加工后，便会逐渐平坦。图(七)平坦化过程之概念图化学机械研磨(CMP)技术因其拥有全面平坦化(G1.oba1.P1.anarization)的优势，因此在近年来成为各大IC相关产业竞相研发之技术.传统的平坦化技术以SPinOnG1.ass(SOG)和ReSiStEtchback(REB)技术为主但在0.25m以下IC制程SOG及REB技术并无法到达全面平坦化(G1.oba1.P1.anarization)的F1.标，因此极需寻找新平坦化技术，化学机械研磨技术经由IBM及Inte1.等公司积极研发,在近年来已成为全面平坦化的新兴技术。它不

13、仅可以达成全面平坦化的目标，同时可增加组件设计的多样性，如可将铜及铝纳入新组件设计中I1.可减少缺陷。图（八）乃各IC平坦化技术之比拟，由此图可看出CMP在全面平坦化技术的优势.图（八）平坦化技术图(四)说明集成电路不同制程的平坦化能力。以集成电路产品16M(百万)DRAM的品方边长在拾厘米以上，因此理想的平坦化诙离也需要拾厘米以上长度,在制程上最早应用的硼磷玻璃回填(BPSGRef1.ow)平坦化技术，除了高温限制在金属化前的使用外，平坦化距感仅能适合数微米长。旋涂玻璃(SPinonGIUSS)是二层金底联机制程最常使用的平坦化技术，其平坦化距离仅及10微米长。以沈积/蚀刻交替及电子盘旋电浆

14、(ECR)沈积薄膜非常适合深次微米制程中的填障，如搭配化学机械研磨(Chemica1.Mechanica1.Po1.ishing)那么可完全应用在多层联机的制造，以阻剂填平后蚀刻(ResistEtchBack)的平坦化技术，因没有涂布玻璃材旗的吸水性及有机物挥发等问题.故为美、日的主要集成电路制造商在尚可靠度产品应用的平及化技术。由于阻剂填平的平坦化间距仅及百微米范围，及踪合图(八)的比拟，化学机械研磨就成为全面平坦化的最正确选择。0.25Un1.以卜.制程不可或缺之平坦化设备，化学机械研磨机在中科院主导及相关业者之协乂合作F商品化研磨机已进入市场。以二氧化硅为主要成分的绝缘介痂在CMP所使用

15、的研磨剂目前CabOt公司所制造之研磨液系列产品为多数厂商所接受.Cabot公司能占有研磨液，大部份市场乃因其能自行制造之高纯度且稳定性佳Sis粉末。同时CaboI公司拥有研磨液所需开展之技术即研磨粉末制造技术，研磨粉末分散技术及研磨液配方投术。研磨液乃是用来研磨二氧化硅介电层，BpSG介电层、浅沟隔绝层(Sha1.1.owTrenchIso1.ation)及Po1.ysi1.1.icon薄膜层之研磨液。研磨液一般包含以卜组成SiO：研瘠粉末(平均粒径根据不同配方约在100nm左右)，固含量约1030%,PH值约在9.011.0(由KOH或NHoH调整)，以及去离子水约70以介电薄膜研磨所使用之SiO：研磨液为例，在PH值固定时，当研磨液的SiO,研磨粉末之含址或粒径大小增加时，其研磨速率亦相对增加，如图(九)所示，然而假设其增加比例过高，亦会刮伤薄膜外表。当PH值增加时，研磨速率亦会随之增加，然而额外之化学反响亦会提高，因而降低研磨薄膜之平坦度。图(九)介电膜研磨速率与Si“研磨剂组成之关系而CMP技术所使用之研磨垫一PUPad,大体来说有两种功能，是研磨垫之孔隙度可协助研磨液石研磨过程输送到不同区域，另一种功能乃是协助将芯片外表之研磨产物移去.研磨垫之机械性质会膨响到薄膜外表之平坦