硅晶圆分层划片工艺试验研究

目的优化硅晶圆划片工艺参数,提高划片质量。方法提出一种硅晶圆分层划片工艺方法,利用自主研发的精密全自动划片机,通过全因素试验,研究了主轴转速、进给速度和切削深度等工艺参数对分层划片与传统单次划片的工艺性能的影响,检测了崩边宽度、相对缝宽、切缝表面粗糙度,通过检测划片过程中主轴电流大小来间接反映切削力的大小。最后对分层划片工艺进行优化试验,得出最佳工艺参数组合。结果随着划片深度的增加,主轴电流增大,进给速度对主轴电流的影响较小,分层划片可以有效减少划片过程产生的切削力,提高划切效果。分层划片试验发现,随主轴转速的增加,相对缝宽增大;随进给速度增大,相对缝宽先减小后增大。进给速度为15 mm/s,转速为10 000 r/min时,相对缝宽最小,为1.048。随着主轴转速的增加,崩边宽度减小;随着进给速度的增大,崩边宽度增大。进给速度为1 mm/s,转速为25 000 r/min时,崩边宽度最小,为5.31μm。结论与传统单次划片方式相比,分层划片工艺能够得到更好的划片效果,可一定程度上降低崩边宽度,减小相对缝宽值,减少微裂纹,提高划切质量。     

划片刀配方对砷化镓晶圆切割崩裂的影响

利用试验设计方法(design of experiment, DOE),以不同配方的划片刀划切砷化镓晶圆,并检测其正、背、侧面的崩裂尺寸,找出划片刀配方对砷化镓晶圆切割崩裂尺寸的影响规律。研究表明:划片刀的磨料粒度与砷化镓晶圆切割质量密切相关,即磨料粒度越细,正、背、侧面崩裂尺寸越小;而磨料浓度和结合剂强度与砷化镓晶圆正、背、侧面的切割质量相关性并不显著。可通过缩小磨粒尺寸的方式提高划切质量,并视情况调整磨料浓度和结合剂强度。      

旋转超声锯切光学玻璃的表面形成机理研究

目的 探究不同物理性能光学玻璃锯切加工的表面形成机理,以及旋转超声锯切过程中径向振动冲击对其表面特性的影响。方法 首先通过显微压痕实验,对比K9与石英两种光学玻璃的硬度与断裂韧性,计算其各自的临界切削深度,并用LS-DYNA进行单颗磨粒切削的有限元仿真,分析不同物理性能光学玻璃的表面形成机理。然后对其进行旋转超声锯切（Rotary ultrasonic sawing RUS）和普通锯切（Conventional sawing CS）实验,分析径向超声振动对不同物理性能的光学玻璃表面特性的影响。结果 K9、石英玻璃的断裂韧性分别为5.232 MPa?m0.5和1.644 MPa?m0.5,临界切削深度为4.288 μm和0.012 μm。仿真结果表明,加工过程中,超声振动将单颗磨粒的最大切削厚度由1.1767 μm提高为8.001 μm。对石英与K9玻璃进行锯切试验的结果显示,对于K9玻璃,旋转超声锯切后,沟槽底部粗糙度Pa与峰谷值Pv相对普通锯切大幅降低,但石英玻璃下降幅度不大。结论 超声振动增大了单颗磨粒切削厚度,使得K9玻璃的材料去除方式由部分塑性去除转变为完全脆性断裂去除,致使表面层产生微破碎,避免了传统加工过程中产生的大面积破碎和裂纹,进而提高表面粗糙度。石英玻璃因为临界切深小,在普通锯切中即为脆性去除,超声振动的影响效果稍小,对加工后表面粗糙度的影响不大。     

全自动双轴精密划片机的研制

为提高划片机的划片质量和划片效率，研制全自动双轴精密划片机。整机采用了龙门式结构，工具轴Y1与Y2采用并列平行的结构设计，使用全闭环控制；旋转工作台采用DD马达直接驱动；上下料系统可实现多盘的全自动上下料。检测结果表明:Y1/Y2轴的全程定位精度达到 1.5 μm，Z1/Z2轴的重复定位精度达到 1.0 μm，工作台平面度达到 4.3 μm。划切试验结果表明:划切沟槽的实际深度与设计深度的最大误差为5.2 μm，划切痕迹的实际位置与设计位置的最大误差为4.8 μm，划切表面平整光滑，崩边小，无毛刺。与国内传统的单轴划片机相比，所研制的双轴划片机划片效率提高了80%，划片质量得到了明显提高。      

高分子添加剂对磨料水射流切割质量的影响

通过磨料水射流和在磨料水射流中加入不同浓度高分子添加剂切割大理石的对比实验,测量了在不同工况下切缝表面不同位置测点的粗糙度。试验结果表明:在相同工况下,高分子添加剂磨料水射流较磨料水射流能减小切缝表面粗糙度,提高切缝表面质量;不同浓度高分子添加剂磨料射流对切缝表面粗糙度影响不一,存在最优浓度为3×10~(-4);磨料水射流切割中,走刀速度过慢和过快时获得切缝表面最小表面粗糙度的靶距较正常走刀速度大;高分子添加剂磨料射流切割中,不同走刀速度下获得切缝最小表面粗糙度的靶距趋向一致。     

使用雾化液的K9光学玻璃化学机械磨削

根据K9光学玻璃的物理化学特性,在干式化学机械磨削（chemical-mechanical grinding,CMG）的基础上,用超声雾化方法产生NaHCO₃雾化液参与磨削,研制了适合湿式CMG的磨具,对K9光学玻璃试样进行了化学机械磨削试验,得到了雾化环境下磨削结果最优的CeO₂型磨具。在此基础上,采用正交试验法,对比分析工件转速、磨具转速以及雾化液的pH值对K9光学玻璃表面粗糙度和材料去除率的影响。结果表明:工件表面粗糙度受雾化液的酸碱度的影响最强,磨具转速次之,工件转速最弱;对材料去除率的影响,雾化液的酸碱度最强,工件转速次之,磨具转速最弱。使用适量的雾化液可提高加工质量和速度,消除干式CMG产生的粉尘污染,这种方法适于对K9光学玻璃的精加工。      

基于化学蚀刻检测光学玻璃亚表面损伤深度

目的 提出一种光学玻璃机械加工亚表面损伤深度的检测方法,给光学玻璃超精密抛光的加工深度提供参考依据。方法 首先通过实验分析K9玻璃研磨试样在化学蚀刻过程中亚表面裂纹的结构变化,采用探针式粗糙度仪检测化学蚀刻表面的裂纹深度,并探讨探针半径和化学蚀刻时间对裂纹深度测量结果的影响,建立以蚀刻表面峰谷粗糙度(PV)表征亚表面裂纹深度的测量条件。然后利用激光共聚焦显微镜检测化学蚀刻表面PV粗糙度,确定光学玻璃的亚表面裂纹深度。最后采用截面抛光法直接检测光学玻璃的亚表面裂纹深度,验证上述两种检测方法的可靠性。结果 以蚀刻表面PV粗糙度表征亚表面裂纹深度的测量条件为,测量介质须在蚀刻表面裂纹开始融合之前有效探测至裂纹底部。针对W18和W40磨粒研磨的K9玻璃试样,采用激光共聚焦显微镜检测蚀刻表面PV粗糙度方法测得的两种试样裂纹深度为12.82 μm和20.45 μm,直接测量方法的测量结果为12.50 μm和19.34 μm。两种方法测量结果的偏差分别为2.56%和5.74%,一致性较好。结论 基于化学蚀刻和激光共聚焦显微镜检测光学玻璃亚表面损伤深度的方法不受表面裂纹宽度限制,满足以蚀刻表面PV粗糙度表征亚表面损伤深度的测量条件,且对试样损伤较小,提高了光学玻璃亚表面损伤深度的测量效率和结果可靠性。     

K9玻璃磁性研磨抛光表面粗糙度试验研究

针对K9光学玻璃研磨抛光过程中存在的问题,将磁性研磨加工方法应用在光学玻璃的研磨抛光上。试验表明,K9玻璃的表面粗糙度值Ra由原来的90nm左右下降到40nm左右。为进一步研究磁性研磨试验的4个因素,设计了正交试验,最终得出各个因素对于工件表面粗糙度影响的主次顺序,并确定其最优组合为:磁极转速2300r/min,加工间隙1.5mm,磁感应强度0.4T,进给速度200mm/min。     

飞秒激光全划切超薄碳化硅基片

目的 为实现超薄碳化硅基片全划切,需在加工出窄线宽(小于25 μm)的切割槽的同时保证基片的强度。方法 使用波长为1 030 nm的红外飞秒激光对碳化硅基片进行全划切加工,通过扫描电子显微镜和光学显微镜分析脉冲重复频率、脉冲能量、切割速度和扫描次数对切口宽度、深度以及断面形貌的影响,采用能谱仪对不同脉冲能量下的划切断面进行微区元素分析,采用激光共聚焦显微镜测量划切断面粗糙度,以及采用电子万能实验机测试划切样品的抗弯强度。结果 划切断面的元素主要有Si、C、O 3种,O元素富集在断面的上下边缘位置。SiO2颗粒喷溅重沉积影响断面微纳结构。断面的粗糙度随脉冲能量的增强而上升,基片强度反而下降。在激光脉冲能量为3.08 μJ、脉冲重复频率为610 kHz、切割速度为4 mm/s、切割12次的条件下,可以加工出宽度为15 μm、深度高于100 μm的良好切割槽,断面粗糙度为296 nm,基片抗弯强度为364 MPa。结论 切割槽宽度和深度与脉冲重复频率、脉冲能量、切割速度和扫描次数有关。O元素的分布说明存在SiO2堆积在断面上下边缘部分的现象。使用小脉冲能量激光进行划切,可以减少SiO2颗粒喷溅重沉积,从而使断面出现大量熔块状结构,得到粗糙度较低的断面形貌。断面粗糙度降低,意味着划切断面存在的微裂纹等缺陷减少,从而使强度上升。本试验最终采用较优激光划切工艺参数,实现了飞秒激光全划切超薄SiC基片,槽宽仅为15 μm。由于短脉宽小脉冲能量高重复频率激光的作用以及激光辐射下SiC材料的相分离机制,基片划切断面烧蚀形貌良好,且抗弯强度较好。     

4130钢的CO2激光切割质量

研究了在CO2激光切割系统上切割的4130钢试样,以及功率和进给率对切缝宽度、表面粗糙度、条带频率和热影响区大小的组合影响.用回归分析研制了能描述独立工艺过程参数对激光切割质量影响的模型.对于试验的工作条件范围,观察到主要是功率影响切缝宽度和热影响区大小,而进给速率的影响是次要的.另一方面,表面粗糙度和条纹出现率受进给速率的影响最大.在低功率级时,可获得最小的切缝宽度和热影响区,并且进给速率的影响为中等.低进给速率可获得良好的表面粗糙度和低条纹出现频率.为了得到最佳的切割质量,切缝宽度、热影响区和表面粗糙度应保持最小.但是,在保持高生产率时不能满足符合这些要求的工作条件.     

Development of a Dicing Blade With Photopolymerizable Resins for Improving Machinability

Dicing blades are widely used for the cutting of hard-brittle materials such as ceramics, glass, and quartz. Thermosetting resin is effective as a bonding agent in conventional blades. For production, it takes several hours for heat curing by the hot press method and a lapping process is also required for truing the blade flatness. These result in blades with high cost. In this paper, the application of photopolymerizable resin to the blade is proposed, for the purpose of reducing production costs and improving machinability. Four types of blade (a single layered, a three layered, a slotted and a slot-filled blade) were used. As the result of a series of cutting tests on silicon wafers, in comparison with the thermoset resin blade, the grinding ratio, the spindle motor current and the chipping size distribution on the workpiece surface, have been improved.     

SUBSTRATE EFFECT ON HYDROGENATED MICROCRYSTALLINE SILICON FILMS DEPOSITED WITH VHF-PECVD TECHNIQUE

Raman spectra and scanning electron microscope （SEM） techniques were used to determine the structural properties of microcrb＇stalline silicon （μc-Si：H） films deposited on different substrates with the very high frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition （VHF-PECVD） technique. Using the Raman spectra, the values of crystalline volume fraction Xc and average grain size d are 86%, 12.3nm; 65%, 5.45nm; and 38%, 4.05nm, for single crystalline silicon wafer, coming 7059 glass, and general optical glass substrates, respectively. The SEM images further demonstrate the substrate effect on the film surface roughness. For the single crystalline silicon wafer and Coming 7059 glass, the surfaces of the μc-Si：H films are fairly smooth because of the homogenous growth or h＇ttle lattice mismatch. But for general optical glass, the surface of the μ-Si： H film is very rough, thus the growing surface roughness affects the crystallization process and determines the average grain size of the deposited material. Moreover, with the measurements of thickness, photo and dark conductivity, photosensitivity and activation energy, the substrate effect on the deposition rate, optical and electrical properties of the μc-Si：H thin films have also been investigated. On the basis of the above results, it can be concluded that the substrates affect the initial growing layers acting as a seed for the formation of a crystalline-like material and then the deposition rates, optical and electrical properties are also strongly influenced, hence, deposition parameter optimization is the key method that can be used to obtain a good initial growing layer, to realize the deposition of μc-Si：H films with device-grade quality on cheap substrates such as general glass.     

熔融石英玻璃衬底的平面研磨加工实验研究

熔融石英玻璃衬底的研磨加工是其超光滑抛光加工的基础工序。采用游离磨料对熔融石英玻璃进行单面粗研和精研加工,研究磨料质量分数、研磨盘转速、研磨液流量和研磨时间对石英玻璃表面质量和材料去除率的影响。结果表明:粗研过程中,随着磨料质量分数、研磨盘转速、研磨液流量的增大,工件材料去除率先增大后减小;随着加工时间的延长,表面粗糙度R_a逐渐达到稳定水平。在磨料质量分数4%、研磨液流量20 mL/min、研磨盘转速60 r/min、加工30 min时,熔融石英玻璃衬底的表面粗糙度R_a达 0.11 μm。在熔融石英玻璃衬底的精研过程中,选用平均粒径3 μm的CeO₂加工50 min后的表面粗糙度R_a最低,为4.11 nm。      

微结构砂轮对不同陶瓷的磨削性能

基于阵列微孔的微结构砂轮和普通砂轮对氧化铝、氮化铝、氧化锆及氮化硅陶瓷材料的不同磨削性能,对比研究不同砂轮和不同陶瓷材料的磨削力、比磨削能、表面粗糙度及表面崩边特征。结果表明：相比普通砂轮,微结构砂轮提高了氧化铝、氮化铝及氧化锆陶瓷的磨削力和比磨削能,降低了表面粗糙度,而对氮化硅陶瓷的磨削力及表面粗糙度影响不明显;相比其他陶瓷,氮化硅陶瓷具有较高的磨削力和比磨削能。从磨削加工表面特征上看,氧化铝、氮化铝陶瓷以脆性去除方式为主,氧化锆以塑性去除为主,而氮化硅则兼具塑性和脆性去除特征;微结构砂轮加工表面崩边尺寸大于普通砂轮的崩边尺寸,氧化铝和氮化铝陶瓷的表面崩边尺寸明显大于氧化锆和氮化硅陶瓷的。     

直流磁过滤电弧源沉积氧化铝薄膜的研究

采用直流磁过滤电弧源技术,在K9玻璃基底上制备氧化铝薄膜,研究了沉积时的氧气分量和阴极靶电流对薄膜折射率、沉积速率、消光系数和表面粗糙度的影响。结果表明:薄膜折射率、沉积速率和消光系数均随着氧气分量的增加而降低,随着阴极靶电流的升高而增加;薄膜表面粗糙度则随氧气分量或阴极靶电流的增加,呈先减小、后增大的趋势。分析认为,主要是因为随着氧气分量和阴极靶电流的变化,基底表面铝原子和氧气的比例发生了改变,进而影响到薄膜的相关性能。     

固结磨料研磨K9玻璃的工艺优化

固结磨料研磨工艺具有高加工效率及清洁加工等突出优点。采用正交实验法,研究了转速比、研磨压力、研磨液流量等参数对固结磨料研磨K9玻璃的材料去除率和三维轮廓表面粗糙度Sa的影响。结果表明:研磨的最佳工艺参数组合为:转速比为145/150,研磨压力为0.055 MPa,研磨液流量为60mL/min。在该工艺参数组合下,材料去除速率达到3186 nm/min,Sa值达到19.6 nm。     

Investigation of grinding modes in horizontal surface grinding of optical glass BK7

Grinding is one of the most important processes to manufacture hard-brittle materials such as optical glass. It is often desired to increase the material removal rate while maintaining the desired surface quality. The success of this approach relies on the better understanding of the relationship between the grinding modes and the characteristics of surface and subsurface integrities. Based on the kinematic analysis of horizontal surface grinding as well as the features of grinding-induced cracks, four grinding modes were proposed. They are brittle mode, semi-brittle mode, semi-ductile mode and ductile mode. The horizontal surface grinding of optical glass BK7 has been studied using diamond grinding wheel. The four different grinding modes have been investigated with the characteristics of surface morphologies before and after etching, surface roughness, subsurface damages as well as indentation depth. It was found that the level of surface roughness and depth of subsurface damage were strongly dependent on grinding mode. This study provides valuable insights into the material removal mechanism and the dependence of surface and subsurface integrities on grinding mode.     

二氧化铈抛光液化学机械抛光微晶玻璃的机理及优化

以纳米CeO₂为磨料自制抛光液,研究磨料质量分数、pH值、抛光液流量、抛光盘转速、表面活性剂种类和氟化铵质量分数等因素对微晶玻璃化学机械抛光的影响,分析总结CeO₂在微晶玻璃化学机械抛光中的作用机理,利用原子力显微镜（AFM）检测微晶玻璃抛光后的表面粗糙度。结果表明:当CeO₂质量分数为3%、抛光液流量为25mL/min、抛光盘转速为100r/min、pH=8.0、十二烷基硫酸钠质量分数为0.01%,氟化铵质量分数为0.7%时,抛光后微晶玻璃表面粗糙度（R_a）最低为0.72nm,材料去除速率达到180.91nm/min。