精密磨削(Precision Grinding)（上）

147091444 · 发表于 2011-7-13 23:52:54

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1 前言
磨削(Grinding)是一种利用磨轮(Grinding Wheel)作高速旋转及微小深度（微小量），磨削工件表面或内孔，以获得精密形状及表面粗度的加工技术。
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、碳化物及陶瓷等。
(3)磨削去除率小(Low Material Removal Rate)
(4)磨削速率(Cutting Speed)大，进给率(Feed Rate)及磨削深度(Depth of cut)均小，因此比马力(Specific Horse Power)相当大
HPs (Specific Horse Power)=HP(Horse Power)/MRR(Material Removal Rate)
2 深进缓给磨削(Creep Feed Grinding)
所谓深进缓给磨削(Creep Feed Grinding)简称(C.F.G)，与一般的平面磨削不一样，磨削深度(Depth of cut)增加数倍至数十倍，而进给率(Feed Rate)以相同的倍数减慢，可以增加磨削速率及增进工作表面粗度的磨削技术。CFG机制示意图，如图1所示。

图1 CFG机制示意图
CFG磨床之特色：
(1)磨削深度（即磨削量）大，具备减震装置(Damping Device)，以维持静，动平衡。
(2)软质磨轮增进工件表面粗度。
(3)为保持磨轮表面，不被磨屑阻塞，经常保持在锐利状态，因此在其上方按装表面含有钻石磨粒之整修砂轮(Dressing Wheel)，在制程中，不断整修磨轮，使其保持真圆度及锐利状态，以维持工件品质之稳定性。
(4)为维持一定的切削速率(Cutting Speed)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且一致的工件品质。
3 电解磨削(Electrolytic Grinding)
电解研削(ECG)是由电解加工，亦可称为电化学加工(Electro Chemical Machining简称ECM)，亦就是反电镀(Deplating)加工与机械磨削(Mechanical Grinding)所组合之复合加工。电解磨削是1952年美国G.F Keeleric 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属溶解现象应用于金属加工，将预先成形为所定形状的电极隔着微小间隙(0.2~0.3mm)与被加工物表面相向，并压送电解液(electrolyte)，流速5~20m/s，以电极(electrode)为阴极，被加工物为阳极，施加一定的直流电压(5~20V)，则经电解液而通电流，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(0.5~3.0mm/min)向被加工物送入，达预先设定的加工深度时，即得所希望的加工形状。
电解加工的特色
(1)可同时加工广大面积之工件。
(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)单一工程即可雕出复杂形状工件。
(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(EDM)快5~10倍。
电解加工的应用
(1)锻造模、玻璃模、橡胶模等的雕形加工。
(2)沟加工、斜面、轮廓加工、深孔加工等传统加工法的效率差者。
(3)难切削材料的加工。
(4)去除毛边，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2所示

图2 电解磨削机构示意图
电解磨削原理示意图如图3所示

图3 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﹪、机械研削量10﹪。磨料突出量为0.05mm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—此方式是利用电解研削的高效率，除去加工量后，停止电解加工，不更换砂轮，以同一砂轮继续细磨。而得到期望的表面精度。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（Al2O3）及晶方氮化硼（CBN）。
4 电解拋光（Electrolytic Polishing）
所谓电解拋光，即是将工件放置阳极，于电解液中通电，在适当操作参数下，使工件发生电解反应（亦称反电镀），工件表面而因电场集中效应而产生溶解作用，因而可达成工件表面平坦与光泽化之加工技术。电解拋光机制示意图如图4所示：

图4 电解拋光机制示意图
电解拋光技术于1931年，由D.A.Jacquet发明采行。「电解拋光」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表面处理加工。
电解拋光应用范围：
(1) 可处理铜、黄铜、铅、镍、钴、锌、钖、铝、不锈钢、铁、钨等材料。
(2) 电解拋光技术广泛应用于半导体/LCD等级阀件、管配件、接头、IGS之表面处理。
(3) 电解拋光可达镜面级光泽，拋光后产品表面可达Ra=0.2~0.5μm。
(4) 不锈钢电解拋光表面可生成钝化层，有效提升抗腐蚀能力。
电解拋光成品如相片1所示：

相片1 电解拋光成品
工研院机研所，两年来，在没有技术引进情况下，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表面处理「电解拋光」关键技术。机械所目前已建立电解拋光实验室，拥有内外孔电解拋光设备，除开发阀件内孔电解拋光技术外，更将触角延伸至管件内孔电解拋光高级技术发展，期能建立我国扎实的电解拋光加工能力。
近年，国内半导体制造业蓬勃发展，但半导体制程设备工业却远远落后，详究其原因，主要在于国内缺半导体制程设备所需的精密表面加工技术。电解拋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、反应腔壁表面之处，凡与制程气体接触之处理都需要电解拋光加工处理，应用范围多且广。将电解拋光应用于半导体制程设备的目的有三，一为可生成抗蚀钝化层，二为可产生高度洁净表面，三为可镜面拋光降低粗糙度。为建立电解拋光操作参数，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拋光试片抗蚀性研究，已实验完成且有不错的成果。机械所在电解拋光高度洁净表面研究方面，则从制程和步骤着手，包括前处理溶液清洗、碱洗除油、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。
电解拋光效益（创造产值）：
(1) 为一具备机械、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。
5 化学机械拋光（Chemical Mechamical Polishing，简称CMP）
CMP机器之构造图及制程示意图如图5及图6所示：

图5 CMP机器构造简图

图6 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拋光技术。将具有腐蚀性之加工液供给到工件上，当工件进行腐蚀加工（化学性）时，同时供给超微磨粒（直径100奈米以下）拋光（机械性）材料，对工件之凸部进行选择性的拋光操作，故称机（械）化学拋光或化学机械拋光。
在LSI往微细、高积体化发展之同时，形成于硅表面之装置构造也有多层化，其表面凹凸变大之倾向。为了实现多层化装置之配线的高信赖性、高成功率，在装置制造之过程中，每一层表面之凹凸必须很平坦化（Planarization）。
平坦化过程之概念图，如图7所示：
在硅芯片上所形成内部配线之突出氧化膜部分，利用包含超磨粒拋光材之拋光衬垫进行拋光加工后，便会逐渐平坦。

图7 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（Global Planarization）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Spin On Glass（SOG）和Resist Etchback（REB）技术为主但在0.25μm以下IC制程SOG及REB技术并无法达到全面平坦化（Global Planarization）的目标，因此极需寻找新平坦化技术，化学机械研磨技术经由IBM及Intel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，如可将铜及钨纳入新组件设计中且可减少缺陷。图8乃各IC平坦化技术之比较，由此图可看出CMP在全面平坦化技术的优势。

图8 平坦化技术
图4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的晶方边长在拾厘米以上，因此理想的平坦化距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（BPSG Reflow）平坦化技术，除了高温限制在金属化前的使用外，平坦化距离仅能适合数微米长。旋涂玻璃(Spin on Glass)是二层金属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。以沉积／蚀刻交替及电子回旋电浆（ECR）沈积薄膜非常适合深次微米制程中的填隙，如搭配化学机械研磨（Chemical Mechanical Polishing）则可完全应用在多层联机的制造，以阻剂填平后蚀刻（Resist Etch Back）的平坦化技术，因没有涂布玻璃材质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高可靠度产品应用的平坦化技术。由于阻剂填平的平坦化间距仅及百微米范围，及综合图8的比较，化学机械研磨就成为全面平坦化的最佳选择。
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