单晶硅片超精密磨削加工表面层损伤的研究

摘要

单晶硅片是集成电路(IC)制造过程中最常用的衬底材料，硅片的表面层质量直接影响着器件的性能、成品率以及寿命。随着硅片尺寸的增大，新的硅片高效超精密平整化加工工艺得到了大量的研究，具有高效率、高精度、低损伤等优点的硅片自旋转磨削技术正逐步成为抛光硅片和图形硅片背面减薄的主流加工技术。本文在深入分析硅片加工表面层损伤的研究现状及存在问题的基础上，对硅片自旋转磨削加工表面层损伤进行了研究。 本文结合硅片加工表面层损伤形式，分析硅片加工表面层损伤的检测技术，通过大量试验确定硅片磨削加工表面层损伤检测技术与试验方案。通过系统的TEM和显微Raman光谱检测分析，研究了粗磨、半精磨、精磨硅片的表面层损伤形式、形成原因及变化规律；研究了单颗磨粒磨削硅片和金刚石砂轮磨削硅片表面层微裂纹的特征与分布；分析了磨削时单晶硅的相变过程。对单颗磨粒磨削硅片和金刚石砂轮磨削硅片表面层残余应力的分布进行了研究，分析了残余应力的产生原因。4.对自旋转磨削硅片上不同位置处的损伤深度进行检测分析，研究了硅片表面的损伤分布；研究了磨削参数对损伤深度的影响。通过系统的试验研究和理论分析，主要结论如下： 1.粗磨硅片的表面层损伤由大量的形状复杂的微裂纹、高密度位错、层错及弹性畸变层组成，其中以微裂纹、位错及层错为主，损伤深度为8～17μm；半精磨和精磨硅片的损伤层中除了以上的损伤形式外，还观察到有非晶层和多晶层存在，且微裂纹明显减少，损伤深度分别为2.5～5μm和0.7～1.4μm；从半精磨到精磨，硅片的非晶层厚度由约110nm减小至约30nm，且非晶层厚度分布逐渐变得均匀。在以上基础上建立了硅片磨削表面层损伤模型。 2.半精磨和精磨硅片表面层存在的a-Si相、Si-Ⅲ相、Si-Ⅳ相和Si-Ⅻ相表明磨削过程中Si-Ⅰ相发生了金属相变(Si-Ⅱ相)，Si-Ⅱ相容易以塑性方式去除；但材料的塑性去除程度大小和相变强度大小没有比例关系，粗磨向半精磨过渡时，随着相变强度的增大，材料的塑性去除程度越大；半精磨向精磨过渡时，相变强度越小，材料塑性去除的程度越大。 3.在已有的六种微裂纹形状的基础上，提出了三种新的微裂纹形状；指出沿<110>晶向磨削的微裂纹深度大于沿<100>晶向磨削的微裂纹深度，微裂纹的扩展主要由应力场的分布及单晶硅中裂纹扩展的择优取向性决定。 4.硅片磨削表面主要表现为压应力，磨痕两边的堆积处有较高的压应力，其产生的主要原因是相变和弹塑性变形。粗磨时材料主要以脆性断裂方式去除，硅片表面的应力值最小；半精磨时硅片表面有较强的相变和弹塑性变形，硅片表面的应力值最大；精磨硅片的应力值居两者之间。从粗磨到精磨，应变层深度逐渐减小。 5.采用自旋转磨削方式磨削的硅片表面的损伤分布不均匀，沿圆周方向在<110>晶向处的损伤深度大于在<100>晶向处的损伤深度；沿半径方向从圆心到边缘损伤深度逐渐增大，损伤深度的最大差值约为2.0μm。这一发现为确定后续抛光加工量提供了理论依据。确定硅片的损伤深度时，应尽量在靠近硅片边缘的<110>晶向处采集样品，且尽量保证样品表面磨纹方向与样品检测面垂直，这样检测到的损伤值能真实反映硅片的损伤程度。 6.磨削参数对硅片损伤深度的影响程度由大到小依次为砂轮粒度、砂轮进给率、砂轮转速和工作台转速。随着磨粒尺寸的减小，损伤深度减小。当其他参数不变时，在一定范围内减小砂轮进给率、增大砂轮转速、增大工作台转速可以减小损伤深度。

目录

文摘

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1绪论

2硅片加工表面层损伤及其检测技术

3硅片超精密磨削表面层损伤的微观结构分析

4硅片超精密磨削表面层微裂纹的研究

5硅片超精密磨削表面层残余应力的研究

6硅片自旋转磨削表面的损伤分布及磨削参数对损伤深度的影响

7结论与展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢