单磨块恒力磨削单晶硅片工艺研究

摘要

单晶硅作为一种性能优异的衬底材料在集成电路、光电、航空航天及国防科技等领域中被广泛应用。出于后续加工工艺和器件性能需求，单晶硅衬底加工具有极高的表面几何精度和表面完整性要求。单晶硅片加工的重要工序是金刚石砂轮超精密磨削工艺，通过金刚石磨粒与单晶硅表面挤压、划擦、耕犁等作用实现材料去除。此过程中无疑会对单晶硅片表面造成划痕、崩碎等损伤，也会对亚表面造成微裂纹等损伤，而磨削压力与磨削速度等参数的变化，也将大大影响磨削表面/亚表面损伤形式。由于砂轮磨削过程中，高频微力测量困难且实验过程复杂，恒力控制下的金刚石砂轮磨削实验研究较少。本文针对单晶硅片高速磨削加工过程中，磨削速度速度、压力及砂轮粒度的变化影响材料表面与亚表面损伤特性的问题，设计了带有测力装置的单磨块高速划擦硅片实验台，通过多磨粒磨削过程代替单磨粒磨削过程放大了载荷值，便于测量和控制，并采用40μ粒径的金刚石树脂结合剂磨块在不同速度和压力下对单晶硅表面进行了高速划擦实验，研究了恒力控制磨削条件下磨削速度与磨削压力对磨削效率及表面/亚表面损伤的影响。论文主要研究内容及结论如下:
　　(1)本文基于超精密研磨/抛光一体化机床的旋转平台台自行设计了带有柔性加载系统的单磨块恒力控制实验平台，平台能够实现横向与纵向进给，便于位置调整及砂轮修整。设置了加载旋钮，并采用NC3DT60三轴力传感器实现单磨块的恒力控制;
　　(2)利用单磨块恒力磨削实验平台设计了磨削实验方案，在恒定压力下完成不同参数对材料去除效率影响实验，并采用LJ-V7060型高速轮廓测量仪进行磨削深度检测，结果显示:在恒定压力下，磨块的单次去除深度随磨削速度的增加呈现先增大后减小的趋势，而在相同磨削速度条件下，压力增大为2倍单次去除深度增加2.3～3.1倍，有效提高了去除效率;
　　(3)通过截面抛光法进行硅片表面/亚表面损伤实验，采用光学显微镜进行不同参数磨削硅片表面/亚表面损伤观测对比，结果显示:在相同压力下，随着磨削速度增加亚表面损伤呈现减小趋势，而表面磨纹变得细而均匀，表面缺陷减少;在相同磨削速度条件下，随着压力增大表面/亚表面损伤得到明显改善;砂轮粒度的减小也将明显提高磨削表面的质量，降低亚表面损伤。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 单晶硅的材料特性

1．1．2 单晶硅的应用

1．1．3 单晶硅的加工要求

1．2 单晶硅的超精密加工技术研究现状

1．2．1 超精密磨削加工方法

1．2．2 磨削表面／亚表面损伤特性

1．2．3 纳米压痕与划痕的研究现状

1．2．4 宏观压痕与划痕的研究现状

1．3 课题研究意义与主要研究工作

1．3．1 课题的来源

1．3．2 课题研究目的与研究意义

1．3．3 本文的主要研究内容

1．4 本章小结

2 单磨块恒力磨削平台设计和高速磨削实验研究

2．1 实验装置设计

2．1．1 加载模块设计

2．1．2 恒力控制与测量模块设计

2．1．3 磨削深度测量模块设计

2．1．4 位移模块设计

2．1．5 单磨块恒力磨削平台

2．2 单磨块恒力磨削单晶硅实验研究

2．2．1 单晶硅片及砂轮磨块的选择

2．2．2 砂轮修整方法对磨削效果的影响

2．2．3 单磨块恒力磨削实验参数选择

2．2．4 实验结果

2．3 本章小结

3 磨削速度与压力对材料去除率的影响研究

3．1 单晶硅磨削材料去除机理及效率研究

3．1．1 单晶硅磨削材料去除机理

3．1．2 单晶硅磨削效率影响因素

3．2 磨削速度对材料去除特性的影响

3．2．1 磨削速度对稳定磨削时间的影响

3．2．2 磨削速度对砂轮表面状态的影响

3．2．3 磨削速度对材料去除率的影响

3．3 压力对材料去除特性的影晌

3．3．1 压力对稳定磨削时间的影响

3．3．2 压力对砂轮表面磨削状态的影响

3．3．3 压力对材料去除率的影响

3．4 本章小结

4 磨削参数对磨削损伤的影响研究

4．1 截面显微观测法简介

4．1．1 样件的制备

4．1．2 截面去损伤及裂纹打开方法

4．1．3 表面质量及亚表面损伤观测方法

4．2 磨削参数对磨削力及表面粗糙度的影响

4．2．1 磨削速度、压力及砂轮粒度对磨削力的影响

4．2．2 磨削速度、压力及砂轮粒度对表面粗糙度的影响

4．3 磨削参数对表面损伤的影响研究

4．3．1 磨削速度与压力对表面损伤的影响

4．3．2 砂轮粒度对表面损伤的影响

4．4 磨削参数对亚表面损伤的影响

4．4．1 磨削速度对亚表面损伤的影响

4．4．2 砂轮粒度对亚表面损伤的影响

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢