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.     

硅片的磨削加工技术概述

叙述了薄硅片的磨削与研磨工艺和非接触抛光工艺以及各工艺参数对硅片光洁度与平面度的影响。     

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。     

硅片磨削砂轮的新进展

在硅片制造过程中,磨削加工已经成为非常重要的工艺手段.随着对硅片加工高质量、低成本要求的不断提高,对加工中所使用的磨削砂轮要求其具有低磨削表面损伤、良好的自锐能力、保持一致性、长寿命和低成本等性能.对硅片磨削砂轮近年来的技术进行了回顾,论述了为满足这些严格要求,在硅片磨削砂轮的磨料、结合剂材料、孔隙生成以及几何设计方面的进展.     

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...     

磨粒簇砂轮磨削结构化表面试验研究

结构化表面对提高零件减阻性能有重要意义。为了解决结构化表面难加工、效率低的问题,对结构化表面的创成方法展开试验研究。在砂轮的圆周方向采用错位、阵列、叶序排布的磨粒簇,采用磨削复映获得工件结构化表面,利用试验分析不同排布下获得的凹坑结构化表面的创成规律及影响因素。试验结果表明:砂轮与工件的转速比、切削深度及叶序参数可以影响结构化表面的形状及疏密程度,转速比与工件表面周向凹坑数目成正比,磨削深度与凹坑的周向尺寸成正比,磨削深度、叶序参数与工件表面凹坑的粗糙度成反比。     

硅片自旋转磨削的运动几何学分析

介绍了硅片自旋转磨削的原理,通过引入节点、节圆概念建立了硅片自旋转磨削的运动学模型,通过分析砂轮与硅片之间的相对运动给出了硅片自旋转磨削的运动轨迹参数方程。在运动学的基础上推导了磨纹长度、磨纹数量以及磨削稳定周期公式。分析了磨纹间距、磨纹密度与磨削表面质量的关系。给出了选定磨削条件下的计算实例。研究结果为提高硅片加工质量及合理选择磨削工艺参数提供了理论依据。     

利用复合磨粒抛光液的硅片化学机械抛光

为了提高硅片的抛光速率,利用复合磨粒抛光液对硅片进行化学机械抛光.分析了SiO2磨粒与聚苯乙烯粒子在溶液中的ζ电位及粒子间的相互作用机制,观察到SiO2磨粒吸附在聚苯乙烯及某种氨基树脂粒子表面的现象.通过向单一磨粒抛光液中加入聚合物粒子的方法获得了复合磨粒抛光液.对硅片传统化学机械抛光与利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光进行了抛光性能研究,提出了利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光技术的材料去除机理,并分析了抛光工艺参数对抛光速率的影响.实验结果显示,利用单一SiO2磨料抛光液对硅片进行抛光的抛光速率为180 nm/min;利用SiO2磨料与聚苯乙烯粒子或某氨基树脂粒子形成的复合磨粒抛光液对硅片进行抛光的抛光速率分别为273 nm/min和324 nm/min.结果表明,利用复合磨粒抛光液对硅片进行抛光提高了抛光速率,并可获得Ra为0.2 nm的光滑表面.     

消除陶瓷亚表层损伤的辅助振动磨削法

本文研究了磨削陶瓷材料时消除浅表损伤和增大材料去除率的技术。缺口型断裂试件试验表明间歇卸载可以在载荷方向的中央裂纹全面发生前,产生横向裂纹。再加载时,横向裂纹可以减缓中央裂纹的进一步延伸。单磨粒的磨削试验验证了间歇载荷的好处。磁致伸缩装置调节工件产生间歇载荷。类似的研究指出,每个磨粒的作用力在调制情况下可能是双倍的,但并不增加垂直于磨削表面的成品工件的磨削缺陷。我们的试验观察表明材料去除率增加62％,中央裂纹的延伸最小。试验同时表明在同样的材料去除率情况下,调制可减少中央裂纹延伸深度24％。我们观察到随着切削速度与调制频率的比率的增大,损伤深度加深。最后,合理调节切削深度和切削方向都能有效的减轻亚表层损伤。     

磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

K9玻璃磨削亚表面损伤深度预测模型及实验研究

基于压痕实验原理,建立了K9玻璃亚表面损伤深度预测模型。为获得预测模型中的未知参量,开展了K9玻璃磨削实验。利用激光扫描共聚焦显微镜检测工件磨削后的表面粗糙度值,利用扫描电镜检测磨削后的工件表面微观形貌和亚表面损伤层形貌,分析了工艺参数对表面粗糙度值和亚表面损伤深度的影响规律。考查了工艺参数对法向磨削力的影响规律,并根据实验数据,采用多元线性回归拟合法得到法向磨削力的经验公式,进而确定了亚表面损伤深度预测模型的参数。模型预测值与实验值具有较好的一致性,表明预测模型具有一定的可靠性。     

金刚石磨盘磨削的磨粒损伤特性研究

研究了钎焊金刚石磨盘和电镀金刚石磨盘磨削花岗岩的磨粒损伤形式及其与法向磨削力之间的相互关系。实验结果表明，钎焊金刚石磨盘的磨粒损伤形式为磨粒尖端因磨耗变成平台、切削刃破损；电镀金刚石磨盘的磨粒损伤不但具有上述两种形式，同时还有磨粒脱落，因而其使用寿命大为缩短；金刚石磨粒形态对磨削力有较大影响，磨削力的变化加速了磨粒形态的转化。阐述了三种磨粒损伤产生的机理和磨削力变化的成因。     

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。     

细粒度金刚石砂轮超精密磨削硅片的表面质量

为实现硅片高质量表面的超精密磨削,研究了5000目、8000目和30 000目金刚石砂轮磨削硅片的表面质量。利用数学模型预测了硅片磨削表面的粗糙度Ra并对预测结果进行了试验验证,分析了硅片磨削表面的形貌特征;通过磨床主轴电机的电流变化对比分析了5000目、8000目和30 000目砂轮磨削过程中的磨削力变化趋势。研究结果表明：8000目砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra小于10 nm,亚表面损伤深度小于150 nm,磨削过程中的磨削力稳定,磨削质量优于5000目砂轮,磨削过程的稳定性优于30 000目砂轮。     

小切深磨削条件下工件表面硬化机理

以位错运动造成塑性变形的理论为基础,深入分析了小切深条件下磨削力机械作用硬化机理和材料热相变硬化机理。通过不同磨削参数的小切深磨削硬化试验,分析磨削硬化过程中不同磨削参数条件对工件表面强化层形成的影响及其金相组织转变的情况,深入研究磨削强化层组织的形成机理。试验结果表明,小切深条件下磨削加工试件表面的硬化主要以位错运动而产生的强化层为主,提高磨削深度和降低工件进给速度会增大工件表面显微残余应力,增强试件表层硬化层的形成效果。