大尺寸集成电路和硅片表面加工技术

随着半导体技术的发展,特别是大尺寸硅片在集成电路中的应用,对硅片表面平整度及加工精度提出了越来越高的要求.根据当前硅片向直径400mm以上及特征线宽0.07μm发展的趋势,主要介绍以在线电解修整(Electrolytic Inprocess Dressing,ELID)磨削和化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)等复合加工为主的几种硅片表面加工技术,并简要说明其加工机理和应用.     

基于金刚石微粉的单晶蓝宝石CMP工艺研究

单晶蓝宝石具有高的机械和光学性能,已被广泛应用于光电子、通讯、国防等领域。以提高加工后单晶蓝宝石表面质量和缩短加工时间为最终目标,采用化学机械抛光的方法抛光蓝宝石,得到了一种可行有效的抛光单晶蓝宝石的加工工艺路线。试验结果表明,采用6μm金刚石磨料粗抛蓝宝石晶片1.5 h,表面粗糙度值由220.05 nm快速降到7.88 nm;然后采用3μm金刚石磨料精抛蓝宝石晶片3 h,可以获得Ra约为2.82 nm(测量区域700μm×530μm)的表面粗糙度值。此抛光工艺能满足蓝宝石衬底高效、低损伤的抛光要求。     

德国超高速精密小型加工中心

德国科恩(KERN)公司生产的HSPC2825超高速精密小型加工中心,最高主轴转速160000r/min,据称为世界之最。五轴五联动,定位精度±1.0μm,分辨率0.1μm,加工零件精度可达±2.0μm,最高加工工件硬度为57HRC,最小可加工的孔0.03mm,能加工淬硬钢、硬质合金、陶瓷材料,最佳表面粗糙度Ra0.2μm,刀具采用在线测量。德国超高速精密小型加工中心     

基于电容位移传感器与金属球的三维定位方法与实验研究

文中提出一种基于电容位移传感器测量金属球的非接触三维定位方法。通过理论与实验方法研究了定位精度的影响因素,发现定位精度与传感器的参数、金属球球径、传感器与金属球表面之间的距离等参数有关。通过优化参数设计实验,采用CSH02FL-CRm1,4电容式微位移传感器获得了小于2μm的x、y方向定位精度,小于0.1μm的z方向定位精度。     

蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺研究

重点探讨了蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺方案,并开展了表面平整加工工艺的实验研究。采用形状测量激光显微系统、接触式测厚仪等,对平整加工工艺各阶段的表面形貌、表面粗糙度Ra、翘曲度、平整度及加工去除量等进行测量和对比分析。结果表明:随着本实验平整加工工艺方案的进行,蓝宝石衬底基片的表面质量不断提高,最终获得了超光滑无损伤镜面表面,化学机械抛光后的衬底表面粗糙度Ra达0.3nm,翘曲度为3.8μm,平整度为1.5μm,符合蓝宝石衬底基片超精密加工的表面质量要求。     

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。     

一种接触式大量程表面形貌测量仪

为了解工件加工表面的性能和监控表面形貌的形成工艺过程,需要对表面形貌进行精密的测量.用带有白光光源的Linnik干涉显微镜、一个杠杆机构、共基面x-y工作台和垂直扫描工作台共同组成一种接触式大量程表面形貌测量系统,该系统具有测量精度高、测量接触力小的特点,可对常用工件表面进行接触式大量程的测量.测量系统的垂直测量范围为5mm,分辨率小于1nm;x向和Y向的水平测量范围为±25mm,分辨率为1.25μm.     

微槽激光电解组合微加工研究

微槽结构作为微型结构的基本单元,具有增加散热面积、存储润滑剂和减少阻力等功能,多用于大热流密度器件的散热或表面润滑,但其存在加工尺寸小、精度要求高以及加工难度大等问题。为了实现微槽的高效高精度加工,提出了一种激光电解组合微加工方法,并搭建了纳秒激光加工装置和数控微细电解加工装置;利用激光烧蚀快速加工出微槽结构的基本形貌,再通过微细电解的方式去除其表面再铸层及飞溅颗粒,提高其表面精度和表面性能。通过理论研究以及优化加工参数试验,加工出长度为400μm,宽度为220μm,深度为120μm的微槽结构。激光电解组合微加工微槽的表面粗糙度由激光加工后的Ra 5.36μm降低至Ra 1.23μm;激光电解组合微加工的加工效率是微细电解加工的4.26倍。     

提高大卧车加工大孔表面质量的抛磨方法

正1.精加工方法大卧车是指C650以上的设备,在加工孔径Ф350mm、深500mm以上、表面粗糙度值达Ra=1.6μm的大孔时,其加工手段大致为:(1)精车在车床上用精车刀加工,一般表面粗糙度值达Ra=3.2μm。(2)滚压在车床上用滚压器加工,一般表面粗糙度值达Ra=0.8μm,但对工件材料有针对性要求;工件材料的硬度及材质会影响表面质量,应用范围相对狭窄。     

RB-SiC亚表面损伤检测及其旋转超声磨削亚表面损伤特征

分别采用截面抛光法(包括以硅片作陪衬与以聚酯作陪衬两种形式)和界面黏接法检测了反应烧结碳化硅(Reaction Bonded SiC,RB-SiC)旋转超声磨削加工的亚表面损伤。为确定其中的最佳检测形式,采用表面破碎层深度、最大破碎层深度、平均裂纹深度、最大裂纹深度4个亚表面损伤评价指标对两种方法分别检测到的RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤进行对比分析。结果显示:截面抛光法(硅片作陪衬)检测到的4个指标值依次为3.30μm、6.59μm、8.64μm、17.44μm;截面抛光法(聚酯作陪衬)检测到的4个指标值依次为5.71μm、14.33μm、15.36μm、54.82μm;而界面黏接法检测到的4个指标值依次为9.19μm、19.45μm、13.04μm、32.20μm。试验结果表明,截面抛光法(硅片作陪衬)检测的精度更高,检测的亚表面损伤更符合实际情况。最后,基于此方法,对旋转超声磨削RB-SiC材料的亚表面损伤特征进行了总结。     

剪切增稠抛光磨料液的制备及其抛光特性

为了实现对工件的剪切增稠抛光(STP),采用机械混合与超声波分散法制备了一种Al2O3基STP磨料液,并研究了它们的抛光特性。利用应力控制流变仪考察其流变性能,通过扫描电镜和光学轮廓仪研究了单晶硅加工后表面显微组织的变化,并测量其表面粗糙度。结果表明:STP磨料液具有剪切变稀和可逆的剪切增稠特性,达到临界剪切速率后,会形成Al2O3"粒子簇";当剪切速率增大至1000s-1,储能模量,耗能模量和耗散因子都增至最大值,此时主要表现为类似固体的弹性行为,有利于形成类似"柔性固着磨具"。在STP加工单晶硅过程中,采用塑性去除的材料去除方式。随着抛光时间的延长,硅片去除速率先增大后减小;表面粗糙度不断减小并趋于稳定。实验显示,磨粒浓度不宜过高,否则会因剪切增稠效应造成黏度过大,导致流动性差而影响抛光质量。当Al2O3质量分数为23%时,抛光25min后,硅片表面粗糙度Ra由422.62nm降至2.46nm,去除速率达0.88μm/min,表明其能实现单晶硅片的高效精密抛光。     

平面研磨机行星机构设计中若干问题的探讨

现代金属切削方法中加工精度及光洁度最高的方法应首推研磨加工。如长度尺寸的精度水平达±0.025μm、球体圆度达0.25μm、柱体圆度达0.1μm、光洁度达(?)14。之所以达到如此高的精度与研磨原理、研磨工艺及研磨剂有关之外,还与研磨机的设计密切相关。设计精良的研磨机应能保证工件的加工表面上各点均有相同或近似相同的切削条件,同时还要保证研具表面上各点有近似相同的磨损条件。     

硅片预对准机器人边缘信息采集处理方法

针对90 nm工艺、300 mm直径大尺寸硅片对制造设备的新要求,提出一种硅片边缘信息采集、处理方法,并在此基础上建立硅片预对准机器人视觉系统。该方法在小波阈值折衷去噪的基础上,利用最小二乘回归拟合和坐标加权平均的数值方法,通过对硅片边缘特征点的标定、过滤、综合和提取,有效地实现CCD采集信号向特征位置数据的转换,解决大尺寸硅片位置信息的获取和分析问题。重复定位精度测量试验结果表明,硅片预对准机器人视觉系统完成了硅片中心、缺口的检测定位,硅片预对准机器人对准精度达到了技术指标的要求,提高了整套硅片预对准系统的工作性能。     

国外超精密机床的发展

机械工业领域科技密集化产品的迅速发展,要求机床行业提供起精密加工设备。这些设备的加工精度应达到0.01～1μm(电子及航空工业的要求达0.005～0.1μm),加工表面粗糙度R.0.001μm。 为满足上述要求,必须对金属加工新工艺进行广泛的探讨。在改进机床结构、更新测试手段与开发新材料等方面应开发大量的基础性与应用性研究。此外,还应设计确保刀具与工件精密定位的控制系统以及检测表面加工质量的有效手段。 近年来,随着世界机械工业的发展,各国在机床结构设计、提高加工精度等方面进行了一系列有益的开发与探索性工作。 日本江黑铁工所(Egur…     

一种便携式光学表面轮廓仪

研究了一种基于短相干光相移干涉法的便携式光学表面轮廓仪,分析了短相干光干涉显微镜相移干涉技术,实现了基于该项技术的光干涉显微系统。采用光路集成化的设计方法,实现了一体化轮廓仪光路集成,优化了机械三维调整测量台,实现了可用于大、小口径元件表面测量的正置、倒置两种测量模式。测试结果表明,仪器的粗糙度测量精度为0.1nm,重复性误差优于0.01nm,横向分辨率优于1μm。     

磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种新型的磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在辅助磁场的作用下,实现了一种磨粒尺寸与硬质抛光盘微观形貌依赖性小、材料去除率较高的抛光工艺。建立直径8 mm、高度不等的稀土钕铁硼永磁体以点阵形式组合形成的4类辅助磁场。仿真计算表明,柱状下凹磁极的磁场磁力HdH/dz分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。对磁性微球在抛光系统中的受力分析表明,磁性微球受到的磁力有助于复合磨粒从近抛光区域进入抛光区域,磁性复合磨粒能以二体磨损的方式划擦去除加工表面。以表面粗糙度Ra 0.5μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加辅助磁场前后,硅片的材料去除率从66 nm/min提高到179 nm/min,硅片表面粗糙度由抛光前Ra 405.860 nm减小到Ra 0.490 nm。     

X、Y方向非等R值微小非球面模具超精密磨削试验

基于模压成型技术的复杂曲面光学玻璃透镜制造难度较大,主要制约因素是高精度复杂曲面光学模具的加工难度大。文中针对典型的高精度X、Y方向非等R值微小非球面模具,进行斜轴单点CXZB四轴联动超精密磨削试验,通过加工路径规划、磨削补偿、磨削表面测量与评价,验证了加工方法的可行性。研究发现,X、Y方向非等R值微小非球面模具PV值控制在0.38μm以下,表面粗糙度分别为Ra5 nm和Rz39 nm,加工表面呈光学镜面,模具加工质量完全满足后续的玻璃模压成型要求。     

数控非接触式超光滑光学元件加工机床的设计

基于数控技术,提出了一种非接触式光学元件表面超光滑液体抛光方法.通过磨头中心孔为抛光表面提供抛光液,抛光液在磨头自转的带动下与光学元件表面相互作用,实现光学元件表面材料的微量去除,利用计算机控制抛光磨头的运动轨迹完成对光学元件表面的抛光.根据上述原理,设计和研制了数控非接触表面超光滑光学元件加工机床样机,样机直线运动轴最低进给速度为0.000 1 m/s,定位精度为0.008 mm;摆动轴最低转速为0.002 8 r/min,定位精度为15″.抛光实验结果表明,经过20 min的超光滑加工,熔石英材质光学元件上两点的表面粗糙度Ra值分别由加工前的1.03 nm和0.92 nm提高到加工后的0.48 nm和0.44 nm,显著提高了加工精度.     

六自由度压电微动平台测量系统开发

针对精密机械以及精密加工等领域需要纳米级的定位精度,开发出由三组二自由度高精度测量模组组成的六自由度压电微动平台。该平台通过NI软硬设备的有效整合,改变压电制动器移动量,调整微动平台六自由度实现定位。通过三组二自由度测量模组输出的二维光点坐标,测量六轴微动平台位移参数。同时对各模组的安装误差采用正角度补偿和雷射角度补偿,以满足平台高精度需求。经过综合测试表明,系统线性解析度达到10nm,角度解析度为0.1arcsec,系统位移跳动量0.022μm,角度跳动量为0.06 arcsec,能达到即时精确定位。     

超光滑表面粗糙度的偏振干涉测量系统

本文分析了一种新颖的用于超光滑表面粗糙度测量的系统。该系统的关键之处是利用一个双折射石英透镜作分光镜,以散焦光束在被测表面上所对应的光斑区域内的平均轮廓高度作基准。这种测量系统对被测表面高度变化的灵敏度好于0.1nm,水平方向具有1μm的分辨率。本文还将该仪器与机械触针式轮廓仪的测量结果进行了比较。