单晶硅片超精密磨削表面损伤层深度解析预测

摘要

集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片是电子信息领域的核心器件，是信息技术发展的基础。单晶硅作为IC芯片制造的主流导体衬底材料被广泛应用。单晶硅属于硬脆材料，通常采用线锯切割、超精密磨削、研磨以及抛光等方式进行加工。由于研磨和抛光等加工方法存在生产效率低，晶圆厚度均一性差等缺点，超精密磨削被认为是实现单晶硅衬底晶圆材料高效去除和高厚度均一性控制最适宜的方法。相较于普通端面磨削，工件旋转法磨削更是具有总厚度变化量(TTV)小、易实现延性域磨削和效率更高等优点，在当前集成电路制造领域被广泛采用。 使用金刚石砂轮超精密磨削会不可避免地使工件材料产生表面/亚表面损伤，导致芯片强度下降，进而影响芯片的性能。因此，磨削损伤的预测和控制是超精密磨削的核心问题。磨粒切削深度决定了磨削损伤形式和深度，对其准确的预测有助于缩短磨削加工工艺优化周期、提高工件质量和减少加工成本。根据文献报道，采用现有工件旋转法磨削磨粒切削深度模型预测得到的表面粗糙度随着砂轮粒度的减小明显偏离磨削试验结果，得到的磨粒切深甚至已经不符合材料去除的基本物理原理。究其原因在于现有切削深度模型没有考虑磨粒刃圆半径、有效磨粒数、最小切削深度以及工件弹性回弹对于磨粒切削深度的影响。同时现有亚表面损伤深度理论模型基本上是针对有裂纹产生的脆性域去除阶段，缺少针对塑性域去除阶段的亚表面损伤理论预测模型。基于上述分析，本文的主要研究内容有： （1）基于工件旋转法磨削原理，综合考虑磨粒刃圆半径、有效磨粒数、最小切削深度以及工件弹性回弹，推导得到适用于材料塑性域去除的磨粒切削深度模型，并讨论各个参数对磨粒切削深度数值大小以及径向差异性的影响。 （2）由于直接测量纳米级切屑十分困难，因此建立磨粒切削深度与工件表面粗糙度Ra之间的联系，通过对磨削表面粗糙度Ra进行测量，并与现存模型进行对比，证明本文提出的磨粒切深模型具有合理性。 （3）通过磨粒切削深度模型得到划擦沟槽塑性变形区大小，并以磨削沟槽塑性区大小来表征超精密磨削亚表面缺陷深度。通过透射电子显微镜（TEM）测量得到磨削工件的亚表面损伤深度，以此来证明亚表面损伤理论预测模型的准确性。

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