大尺寸硅片超精密磨削平整化加工机理与技术

在中国国家自然科学基金重大项目《先进电子制造中的重要科学技术问题研究》资助下，针对大尺寸硅片化学机械抛光(CMP)和超精密磨削平整化所涉及的“超精抛光中纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技术”，以300mm硅片为代表，归纳报告硅片超精密磨削加工机理、磨削平整化理论、超精密磨削表面/亚表面损伤、磨削加工工艺规律，以及大尺寸硅片超精密磨削平整化加工关键技术的研究进展。 从硅片旋转磨削过程的运动学仿真、硅片磨削过程的分子动力学仿真和硅片材料的脆性 延性转变等3方面研究了硅片的超精密磨削机理。 通过建立硅片旋转磨削过程的运动学理论模型，获得硅片旋转磨削的运动轨迹参数方程、磨纹长度、磨纹数量以及磨削稳定周期等模型，分析了磨纹间距、磨纹密度与磨削表面层质量的关系。在此基础上开发硅片旋转磨削纹理的计算机预测仿真软件对硅片超精密磨削过程进行数字模拟，通过硅片磨削实验对数字仿真结果进行实验验证。     

工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤分布

集成电路制造过程中,基于工件旋转磨削原理的超精密磨削技术是硅片平整化加工和图形硅片背面减薄的重要加工方法,但磨削加工不可避免会在硅片的表面/亚表面产生损伤,研究磨削硅片的亚表面损伤分布对于分析硅片发生弯曲或翘曲变形的原因,确定后续工艺的材料去除厚度都具有重要的指导意义.采用角度截面显微观测法研究工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度沿晶向和径向的变化规律及光磨对磨削硅片的亚表面损伤分布的影响.结果表明,无光磨条件下磨削硅片的亚表面损伤深度在整个硅片表面分布不均匀,亚表面损伤深度沿周向在<110>晶向处大于<100>晶向,沿径向从中心到边缘逐渐增大;光磨条件下磨削硅片的亚表面损伤深度在整个硅片表面几乎是均匀的,且光磨后的硅片亚表面损伤深度明显小于无光磨条件下硅片亚表面损伤深度.     

单晶硅片磨削表面相变研究

为了揭示硅片自旋转磨削加工过程中材料的去除机理,采用显微拉曼光谱仪研究了硅片磨削表面的相变。结果表明：半精磨和精磨硅片表面存在-Si相、Si-III相、Si-IV相和Si-XII相,这表明磨削过程中Si-I相发生了高压金属相变（Si-II相）,Si-II相容易以塑性方式去除。粗磨硅片表面没有明显的多晶硅,只有少量的非晶硅出现,材料以脆性断裂方式去除。从粗磨到精磨,材料去除方式由脆性断裂去除向塑性去除过渡。粗磨向半精磨过渡时,相变强度越大,材料的塑性去除程度越大;半精磨向精磨过渡时,相变强度越小,材料的塑性去除程度越大。     

单晶硅片磨削的表面相变

为揭示硅片自旋转磨削加工过程中材料的去除机理,采用显微拉曼光谱仪研究了硅片磨削表面的相变.结果表明:半精磨和精磨硅片表面存在α-Si相、Si-Ⅲ相、Si-Ⅳ相和Si-Ⅻ相,这表明磨削过程中Si-Ⅰ相发生了高压金属相变(Si-Ⅱ相).Si-Ⅱ相容易以塑性方式去除.粗磨硅片表面没有明显的多晶硅,只有少量的非晶硅出现,材料以脆性断裂方式去除.从粗磨到精磨,材料去除方式由脆性断裂去除向塑性去除过渡.粗磨向半精磨过渡时,相变强度越大,材料的塑性去除程度越大;半精磨向精磨过渡时,相变强度越小,材料的塑性去除程度越大.     

单晶硅片的制造技术

随着IC技术的进步，集成电路芯片不断向高集成化、高密度化及高性能化方向发展。传统的硅片制造技术主要适应小直径(φ≤200mm)硅片的生产；随着大直径硅片的应用，硅片的超精密磨削得到广泛的应用。本文主要论述了小直径硅片的制造技术以及适应大直径硅片生产的硅片自旋转磨削法硅片磨削的加工原理和工艺特点。     

单晶硅片的制造技术

随着IC技术的进步,集成电路芯片不断向高集成化、高密度化及高性能化方向发展.传统的硅片制造技术主要适应小直径(≤200 mm)硅片的生产;随着大直径硅片的应用,硅片的超精密磨削得到广泛的应用.文章主要论述了小直径硅片的制造技术以及适应大直径硅片生产的硅片自旋转磨削法的加工原理和工艺特点.     

高速深磨磨削表面烧伤的实验研究

高速深磨磨削表面烧伤研究是高速深磨的非常重要的内容。文章通过测量40Cr钢高速深磨磨削试件表面烧伤层的深度,观察磨削表面质量,分析了高速深磨各种工艺参数对磨削烧伤层厚度的影响规律,研究了避免磨削烧伤和磨削裂纹的高速深磨磨削参数优化准则。     

硅片的在线电解修整超精密磨削

用铸铁短纤维结合剂金刚石砂轮与脉冲电解修整相配合,对硅片进行了在线电解修整（ＥＬＩＤ）超精密磨削。研究了磨削工艺参数对硅片的加工质量及磨削效率的影响,采用原子力显微镜（ＡＦＭ）与扫描电子隧道显微镜（ＳＴＭ）对硅片磨削表面进行了形貌分析,探讨其微观磨削机理。     

外圆纵磨工件表面振纹的抑制

外国纵向摩创工件表面常产生各种波纹。本文分析因自傲振动引起的振纹特征，以寻求其消除方法。外圆纵向磨别中，工件顶尖系统是薄弱环节，为主振系统。在工件上后一转振纹与前一转振纹存在滞后角度叩（见图1）。当满足时，振出的磨削厚度大于振入的磨削厚度，便发生再生型自激     

磨粒转角对磨削的影响分析

磨粒形状比较复杂,运用DEFORM-3D软件进行棱锥状磨粒的单颗磨粒磨削仿真,分析了磨粒转角对磨屑形状、磨削温度、磨削力的影响,旋转角度分别为0°、10°、20°、30°、40°、45°,通过对比分析得出结论:转动角度为45°时,磨削中最高温度较低,可以降低磨削热;转动角度为0°时,磨削的切向力与法向力较小。不同转动角度下,磨屑的形态与温度的分布不同。     

工件旋转法磨削硅片的磨粒切削深度模型

半导体器件制造中,工件旋转法磨削是大尺寸硅片正面平坦化加工和背面薄化加工最广泛应用的加工方法。磨粒切削深度是反映磨削条件综合作用的磨削参量,其大小直接影响磨削工件的表面/亚表面质量,研究工件旋转法磨削的磨粒切削深度模型对于实现硅片高效率高质量磨削加工具有重要的指导意义。通过分析工件旋转法磨削过程中砂轮、磨粒和硅片之间的相对运动,建立磨粒切削深度模型,得到磨粒切削深度与砂轮直径和齿宽、加工参数以及工件表面作用位置间的数学关系。根据推导的磨粒切削深度公式,进一步研究工件旋转法磨削硅片时产生的亚表面损伤沿工件半径方向的变化趋势以及加工条件对磨削硅片亚表面损伤的影响规律,并进行试验验证。结果表明,工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度沿硅片半径方向从边缘到中心逐渐减小,随着砂轮磨粒粒径、砂轮进给速度、工件转速的增大和砂轮转速的减小,加工硅片的亚表面损伤也随之变大,试验结果与模型分析结果一致。     

湿式机械化学磨削单晶硅的软磨料砂轮及其磨削性能

针对干式机械化学磨削(Mechanical chemical grinding, MCG)单晶硅过程中易产生磨削烧伤、粉尘多、加工环境差等问题,研制一种可用于湿式MCG单晶硅的新型软磨料砂轮,并对砂轮的磨削性能及其磨削单晶硅的材料去除机理进行研究。根据湿式机械化学磨削单晶硅的加工原理和要求,制备出以二氧化硅为磨料、改性耐水树脂为结合剂的新型软磨料砂轮。采用研制的软磨料砂轮对单晶硅进行磨削试验,通过检测加工硅片的表面/亚表面质量对湿式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行分析,并与传统金刚石砂轮、干式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行对比。采用X射线光电子能谱仪对磨削前后硅片的表面成分进行检测,分析湿式MCG加工硅片过程中发生的化学反应。结果表明,采用湿式MCG软磨料砂轮加工硅片的表面粗糙度Ra值为0.98 nm,亚表面损伤层深度为15 nm,湿式MCG软磨料砂轮磨削硅片的表面/亚表面质量远优于传统金刚石砂轮,达到干式MCG软磨料砂轮的加工效果,可实现湿磨工况下硅片的低损伤磨削加工。在湿式MCG过程中,单晶硅、二氧化硅磨粒与水发生了化学反应,在硅片表面生成易于去除的硅酸化合物,硅酸化合物进一步通过砂...     

结构化凹坑减阻表面的拓扑磨削与仿真研究

为了磨削出凹坑型结构化减阻表面,基于磨削运动学关系与点集拓扑理论,提出拓扑磨削结构化减阻表面的方法。首先对凹坑型结构化表面进行拓扑特征分析,根据凹坑表面创成机制建立结构化表面与结构化砂轮间的拓扑映射矩阵,设计出磨料簇砂轮;建立拓扑磨削运动轨迹模型,并通过MatLab仿真磨削过程,分析速度比与磨削深度等参数对表面形貌的影响。仿真与分析结果表明:采用拓扑磨削的方法并合理选用速度比与磨削深度等参数,可以在工件表面磨削出特定形状的凹坑型结构化减阻表面,且随着速度比的增大,凹坑长度与长度方向排布周期均增大;随着磨削深度增大,凹坑的长度与宽度增大,排布周期不变。     

MICRO-DISCONTINUITIES OF THE GRINDING WHEEL AND THEIR EFFECTS ON ITS DURABILITY DURING INTERNAL CYLINDRICAL GRINDING

The article depicts the kinematic parameters of micro-discontinuities and how their shaping methods impact upon the active surface of grinding wheels. It also details the construction of a special device which makes it possible to obtain micro-discontinuities with specific and defined surface configurations and shapes. Experimental research into the effects of shaping the micro-discontinuities of the grinding wheel active surface was realized in the internal deep traverse grinding process. Grinding wheels with a ceramic bond, made from micro-crystalline sintered corundum grains, were utilized in the research. The research investigated the duration of the durability period of the grinding wheels. It also looked at the grinding power, as well as the machined surface roughness, when using grinding wheel with or without micro-discontinuities shaped upon the active surface. As a result of the research undertaken, it was determined that the implementation of micro-discontinuities extends the grinding wheel durability period by at least three times its original duration, while maintaining the desired quality of the machined surface.     

Understanding simultaneous double-disk grinding: operation principle and material removal kinematics in silicon wafer planarization

Simultaneous double-disk grinding (DDG) is a novel and powerful technology for precision-machining mono-crystalline silicon slices (“wafers”). With DDG the extreme degrees of planarity can be achieved, which the fabrication of micro-electronic devices with minimum lateral feature dimensions of 90 nm and below demands. In DDG, both sides of the wafer are ground simultaneously between two opposite grinding wheels on collinear spindle axes. It is a chuck-less process, in which the workpiece is machined in “free-floating” fashion. Machining kinematics, removal mechanism, and resulting wafer shape differ from those known from (chuck-mounted) single-side grinding or double-sided batch lapping, which are conventionally used in mechanical wafer shaping. This article explains the kinematics of DDG and derives the basic, method-inherent features always observed on DDG-ground wafers from simple kinematic considerations without further model assumptions: global wafer shape, center dip (“navel”), edge thickness roll-off, and symmetries. The expected results are compared with experimental data.     

硅片低损伤磨削砂轮及其磨削性能

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题,研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性,设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料,二氧化硅为添加剂,氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺,分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤,进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明,采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra1nm,亚表面损伤仅为深度30nm的非晶层,远好于金刚石砂轮磨削硅片,接近于CMP的加工水平,实现了硅片的低损伤磨削加工。     

基于行星式平面研磨机研抛过程的运动几何学分析

分析了广泛采用的行星式平面研磨抛光机的运动原理,以节点、节圆入手,将复杂的研抛运动转化为在定中心距条件下的两个绕定轴的回转运动,分析了工件相对于研磨盘、研磨盘相对于工件的轨迹曲线,以及两者的关系,以切削速度、切痕方向角、切痕方向角对时间的变化率为纽带,将研磨抛光的几何分析与提高工件表面的加工质量联系起来,得出了优化的轨迹曲线及运动参数。     

圆锥滚子球基面磨削力模型及实验研究

为实现圆锥滚子球基面优质高效的磨削加工,以滚子球基面磨削原理为基础,建立圆锥滚子球基面磨削力的数学模型,提出了基于静刚度和功率来验证法向和切向磨削力的方法,系统地分析了夹持圆锥滚子的导轮盘转速差、圆锥滚子自转线速度和砂轮线速度对磨削力的影响,同时基于球基面磨削力数学模型优化磨削工艺参数。研究结果表明：所提出的磨削力模型的计算值与实验结果一致;导轮盘转速差降低、圆锥滚子自转线速度降低和砂轮线速度升高都会减小磨削力;优化后的磨削工艺参数可有效降低圆锥滚子球基面半径散差,从而再次验证了球基面磨削力模型的正确性。     

凸轮轴磨削加工速度优化调节与自动数控编程研究

为进一步提高凸轮轴的加工精度、表面质量和加工效率,根据X-C轴联动磨床的运动原理,建立了凸轮轴恒线速加工理论数学模型,依据该数学模型采用三次样条拟合插值法,建立了凸轮转速优化调节的数值计算模型。结合具体凸轮轴零件及其磨削加工工艺方案的具体参数,计算出机床各运动轴加工过程的运动数据,在确保无工艺故障的前提下,最终把各轴的运动数据自动转换为对应数控控制系统的数控加工程序,从而实现了凸轮轴磨削的自动数控编程。最后在CNC8312A数控高速凸轮轴磨床上,对钱江32F型号凸轮轴的进气凸轮和排气凸轮分别进行磨削加工试验,得到了预期加工效果。试验验证表明,该加工速度优化调节及其自动数控编程方法在理论上和实践上都是可行的,完全满足实际生产的需要。