单晶石英表面低损伤的摩擦诱导纳米加工研究

正本论文主要研究石英表面低损伤的摩擦诱导纳米加工方法。首先,石英屈服前摩擦表面可直接形成纳米凸起结构,据此提出石英表面摩擦诱导直接加工方法。凸结构机械性能与基体接近,但化学稳定性降低。为进一步减少加工损伤,根据摩擦区域石英材料可被KOH溶液选择性去除的现象,提出了石英表面摩擦诱导选择性刻蚀加工方法。研究表明摩擦化学作用可显著降低摩擦诱导加工损伤,改善所加工结构的性能。文中阐明了扫描参数(载荷、扫描次数、扫描速度)和刻蚀温度对所提     

单晶硅纳米磨削亚表面损伤形成机制及其抑制研究

硅晶圆纳米磨削过程中产生的亚表面损伤限制了其使用寿命，亟需研究纳米磨削过程中单晶硅的亚表面损伤形成机制和抑制方法。文章首先建立了单晶硅纳米磨削的分子动力学仿真模型，研究其亚表面损伤形成机制。随后研究了磨削参数对磨削过程中磨削力、磨削温度以及亚表面损伤形成的影响机制。最后提出了单晶硅纳米磨削的损伤抑制策略。结果表明：单晶硅纳米磨削过程中结构相变和非晶化是其主要亚表面损伤形成机制。原始的Si-Ⅰ相在挤压和剪切作用下形成了Si-Ⅱ相、Si-Ⅲ相、Si-Ⅳ相、bct5-Si相以及非晶。磨削深度增加导致了磨削力和磨削温度升高，而磨削速度的增加导致磨削力减小，磨削温度升高。磨削力增大是导致亚表面损伤严重的主要原因，而一定程度的高温有利于抑制单晶硅的亚表面损伤。在纳米磨削单晶硅时，可通过减小磨削深度和提升磨削速度来实现亚表面损伤的抑制。     

滑动速度对单晶硅在不同接触尺度下磨损的影响

利用纳米划痕仪和液压伺服磨损试验机研究不同接触尺度下滑动速度对单晶硅磨损性能的影响。结果表明:单晶硅在不同接触尺度条件下表现出不同的损伤特征,同时滑动速度对其损伤有很大影响。微观单点接触条件下,单晶硅在低载下的损伤表现为凸起;速度越高,摩擦诱导的非晶层越薄,形成的凸结构越低。随着载荷增加,当接触压力高于单晶硅的硬度时,单晶硅的损伤逐渐转变为沟槽;滑动速度越高,接触区材料的加工硬化越剧烈,沟槽越浅。宏观多点接触条件下,较低的名义接触压力即会在单晶硅表面产生磨损,磨损过程中同时发生犁沟、疲劳和氧化磨损;滑动速度越高,单晶硅表面裂纹萌生得越多,产生的磨屑越细,磨损量越低。该研究结果有助于单晶硅超光滑表面制造的工艺改进以及硅基微机电系统的摩擦学优化设计。     

粘度对含纳米粒子溶液冲蚀单晶硅表面的磨损影响

利用高分辨透射电子显微镜和原子力显微镜观察了含SiO2纳米颗粒溶液冲蚀硅片的表面损伤,考察了纳米颗粒碰撞单晶硅片所导致的微观物理损伤。结果表明,硅片经历一定时间冲蚀后,表面可见纳米尺度的凹坑和划痕,并发现一定厚度的非晶损伤层。抛光液粘度从1.2m Pa.s增加到16m Pa.s时,冲蚀后硅片表面损伤逐渐变得轻微,对应的表面凹坑最大深度从4nm减小到0.5nm,表面损伤层厚度从约12nm减小到4nm。     

单晶硅纳米级磨削过程的理论研究

对内部无缺陷的单晶硅纳米级磨削过程进行了分子动力学仿真,从磨削过程中瞬间原子位置、磨削力、原子间势能、损伤层深度等角度研究了纳米级磨削加工过程,解释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理。研究表明：磨削过程中,单晶硅亚表面损伤的主要形式是非晶结构形式,无明显的位错产生,硅原子间势能的变化是导致单晶硅亚表面损伤的重要原因;另外,发现磨粒原子与硅原子之间有黏附现象发生,这是由于纳米尺度磨粒的表面效应而产生的。提出了原子量级条件下单晶硅亚表面损伤层的概念,并定义其深度为沿磨削深度方向原子发生不规则排列的原子层的最大厚度。     

蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤分布研究

在前人对硬脆性材料亚表面损伤预测理论研究的基础上,建立了蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤层深度与表面划痕深度之间的理论模型(DNR)。通过对双面研磨后的衬底晶片进行KOH轻度化学腐蚀并结合VK-X100/X200形状测量激光显微系统,得到了晶片表面划痕随深度的分布情况,进而得出了晶片亚表面损伤层随深度的分布情况。研究表明：亚表面损伤层随深度变化的分布规律为随着深度的增大呈递减趋势,集中分布在距离外层碎裂及划痕破坏层下方0～12.9μm深度范围内,所占比例达96.7%左右。研究结果有利于优化双面研磨工艺参数来控制亚表面损伤层的深度。     

单晶硅各向异性湿法刻蚀的形貌控制

针对摆式微加速度计的制作,对利用两种添加剂共同修饰的TMAH刻蚀液的单晶硅湿法刻蚀技术及其相关刻蚀特性进行了研究。分析了两种添加剂之间的作用机理及对单晶硅湿法刻蚀的影响,选择合适的添加剂刻蚀液配比,实现了稳定的刻蚀形貌控制。通过两种添加剂的共同作用,获得了具有光滑刻蚀表面(粗糙度约为1nm)和良好凸角保护(凸角侧蚀比率小于0.8)的刻蚀形貌。实验结果表明,在三重溶液(TMAH+Triton-X-100+IPA)下的刻蚀形貌具有明显优势。最后,基于添加剂对疏水性单晶硅材料的作用机理及表面张力调节,表面活性剂和酒精类添加剂之间的相互作用分析了刻蚀形貌发生变化的原因。以典型悬臂梁-质量块的制作为例,验证了采用该单晶硅刻蚀形貌控制方法可以获得微加速度计光滑的悬臂梁表面和无需凸角补偿的完整质量块。相比于其它制作工艺,该方法简单、易操作,有利于提高微机电器件的性能。     

半导体晶圆材料的超精密加工研究方面获重要进展

正纳米加工过程中实现原子级精度的超精密制造对开发纳米电子器件的独特功能至关重要。理论上讲,半导体晶圆材料的加工极限为单原子层去除。以往传统的加工方法,如金刚石切削,以及后来发展的光刻技术均无法达到该加工极限。尽管原子层刻蚀技术或聚焦离子束辅助光刻技术可以实现原子级精度加工,但会带来表面化学污染或加工表面缺陷等问题。西南交通大学与清华大学摩擦学团队合作,首次基于扫描探针技术在不具有层状解理面的单晶硅材料表面实现了极限精     

新型多功能膜/基结合力测定仪的研制

采用改进划痕法原理及切向力检测临界载荷方法，研制了一种新型多功能膜／基结合力测定仪。该仪器结构新颖，实用简便，不仅能测定金属膜层与基体的结合强度，还能对金属膜层进行模拟单颗粒磨损试验。试验表明，该仪器具有较高的可靠性。     

单晶硅反射镜的超精密磨削工艺

为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工,研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征,并对单晶硅进行了超精密磨削试验,研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后,采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100mm×5mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明,超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10nm,亚表面损伤深度小于100nm,磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1μm减小到1.5μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。     

Warping of silicon wafers subjected to back-grinding process

This study investigates warping of silicon wafers in ultra-precision grinding-based back-thinning process. By analyzing the interactions between the wafer and the vacuum chuck, together with the machining stress distributions in damage layer of ground wafer, the study establishes a mathematical model to describe wafer warping during the thinning process using the elasticity theory. The model correlates wafer warping with machining stresses, wafer final thickness, damage layer thickness, and the mechanical properties of the monocrystalline silicon. The maximum warp and the warp profile are measured on the wafers thinned to various thicknesses under different grinding conditions, and are used to verify the modeling results.     

太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割表面完整性研究

游离磨料多线切割是目前加工太阳能硅片的主要方法。然而,该方法切痕较深,损伤层较厚,进一步增大硅片尺寸、减小硅片厚度难度很大。游离磨料电解磨削多线切割,复合了机械磨削和电化学加工方法,通过在加工过程中给硅锭和切割线施加电场产生阳极钝化或腐蚀,可以有效降低切割负载,提高切割效率,改善硅片的表面质量。以156 mm×56 mm(8寸)、电阻率(1~3?·cm)P型多晶硅片切割为例,初步试验结果表明,采用相同的切割参数和原材料,相对于游离磨料多线切割,电解磨削多线切割硅片的弯曲度降低了3μm,分布区间集中在0~9μm之间;采用20%的Na OH溶液腐蚀硅片,表面的隐裂和深沟槽较少出现,说明硅片的表面损伤程度减轻,有利于减少后续制绒减薄量。该方法和现有游离或固结磨料多线切割技术兼容性好,设备改造成本低,工程应用前景十分广阔。     

A study on the characteristics of a wafer-polishing process according to machining conditions

The polishing process for silicon wafers plays a key role in the fabrication of semiconductors, since a globally planar, mirrorlike wafer surface is achieved in the process. The surface roughness of the wafer depends on the surface properties of the carrier head unit, together with other machining conditions, such as working speed, type of polishing pad, temperature, and down force. In this paper, the results of several experiments are used to study silicon wafer surfaces. The experiments were designed to observe the down force and temperature when a wafer carrier head unit with wafer was pressed down onto a polishing pad. A load cell was employed to detect the applied pressure against the polishing pad, and the working temperature was measured with an infrared sensor. Wafer surface roughness was investigated according to several parameters and experimental data.     

干摩擦和水润滑条件下单晶硅的摩擦磨损性能研究

在UMT-2微摩擦试验机上,对单晶硅片进行了干摩擦和水润滑两种状态下的摩擦磨损试验,分析讨论了载荷和滑动速度对单晶硅片的摩擦因数和磨损率的影响规律;运用扫描电子显微镜,观察和分析了其磨损表面形貌。结果表明:干摩擦条件下的磨损机理主要表现为黏着磨损,水润滑条件下的磨损机理主要表现为机械控制化学作用下的原子/分子去除过程;水润滑条件下的摩擦因数和磨损量均较小,最小磨损率仅为10μm3/s;在水润滑条件下,载荷和滑动速度达到一定值时,硅片表面将发生摩擦化学反应,生成具有润滑作用的Si(OH)4膜,即机械作用在一定条件下对化学反应具有促进作用。     

碳化硅陶瓷的超声振动辅助磨削

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验,对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究,并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示,该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主,砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加,随着主轴转速的增加略有减小;普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加,而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比,在相同的磨削参数下,超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善,且磨削力比减小近1/3,表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少,表面损伤层较浅,亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低,可以获得较为理想的表面质量。     

Material transfer in polymer-polymer sliding

The transfer of material in sliding between polyethylene films and polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polypropylene and polymethyl methacrylate discs and between Mylar films and polyethylene and polyvinyl chloride discs was investigated. Infrared spectroscopy and differential thermal analysis were used to detect the direction of material transfer. The transfer process was studied as a function of sliding time, speed and load. It was found that the transfer occurs under all conditions of rubbing and invariably occurs from a material of low cohesive energy density to one of higher cohesive energy density. The thickness of the layer of material transferred has been estimated as a function of the above sliding variables by quantitative infrared spectroscopy. It is found that the layer thickness increases with sliding speed and time but decreases with load. The effect of this material transfer on the coefficient of friction has also been studied for one combination.     

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。     

On the critical thickness of protective films at sliding interfaces

Friction and wear experiments were conducted on couples consisting of Invar and Fe-3%Si steel pins sliding against a tool steel disk in a mild vacuum (0.1 mmHg) at room temperature. At loads below a critical value, protective films, identified as compacted oxides, were observed on the sliding surfaces. The resulting friction and wear values were very low. A critical film thickness was observed that was thinner for Invar (6 μm) than for Fe-3%Si steel (22 μm), presumably because of a larger difference between the thermal expansion coefficients of oxide and metal for Invar than for Fe-3%Si steel. This critical thickness was found to be independent of sliding speed or applied load. However, at higher loads, the critical thickness was reached at lower sliding times, probably as a result of a higher flash temperature.     

The crystallographic change in sub-surface layer of the silicon single crystal polished by chemical mechanical polishing

The effect of the contact nominal pressure on the surface roughness and sub-surface deformation in chemical mechanical polishing (CMP) process has been investigated. The experimental results show that a better surface quality can be obtained at the lower pressure, and the thickness of sub-surface deformation layer increases with the increase of the pressure. In CMP process, polishing not only introduces amorphous transformation but also brings a silicon oxide layer with a thickness of 2–3 nm on the top surface. The atomic structure of the material inside the damage layer changes with the normal pressure. Under a higher pressure (125 kPa), there are a few crystal grain packets surrounded by the amorphous region in which the lattice is distorted, and a narrow heavy amorphous deformation band appears on the deformation region side of the interface. Under a lower pressure, however, an amorphous layer can only be observed.