半导体晶片磁流变抛光的磁场发生装置设计

摘要

半导体晶片磁流变抛光是利用磁流变抛光液的磁流变效应对晶片表面进行超光滑平坦化加工的一种新型抛光方法，其中梯度磁场的形成是磁流变效应产生的关键。磁场发生装置是半导体晶片磁流变抛光设备中的核心装置，用于在抛光区产生特定分布的梯度磁场。磁场发生装置的性能对磁流变抛光设备的加工能力起着决定性的制约作用。在半导体晶片磁流变平面抛光中，永磁体集群式磁场发生装置能够有效兼顾抛光效率与抛光质量，因而本文针对此类磁场发生装置展开了研究与设计，建立了各设计参数与磁流变抛光液中磁场分布的解析模型，分析了各参数对磁流变抛光液中磁场的影响规律，并在此基础上对磁场发生装置的参数优化问题进行了研究，确定了最优设计参数和永磁体磁极排布方式，最终完成磁场发生装置的设计与制造。本文涉及的主要研究内容和成果如下:
　　建立单一介质中磁场发生装置空间磁场的理论求解模型。在单永磁体空间磁场分析的基础上，针对磁场发生装置中多永磁体的空间磁场求解问题，确立了磁场发生装置在单介质空间的磁场分布求解方法，并在此基础上建立了磁场发生装置在磁流变抛光液中磁场分布的理论分析模型。
　　以所建立的理论分析模型为基础，进一步研究了磁场发生装置相关设计参数与磁流变抛光液中磁场分布的映射关系。针对磁流变抛光液中磁场的求解问题，提出了双介质双界面空间磁场的镜像法分析思路，建立了磁场发生装置相关设计参数与磁流变抛光液中磁场分布的映射模型，通过算例与仿真分析对比验证了该模型的正确性。
　　在确定磁场发生装置中影响磁流变抛光液中磁场的主要因素基础上，分析了磁场发生装置相关设计参数对磁流变抛光液中磁场的影响规律。由相关模型得到磁场发生装置中各参数与磁流变抛光液中相关磁场参数间的对应曲线;根据分析结果对永磁体磁极排布方式进行初步筛选，确定磁场发生装置相关参数的合理取值区间。
　　为了优化磁场发生装置的设计方案，提出了磁场发生装置参数优化问题的求解方法。建立了磁场发生装置参数优化问题的数学模型，并借助人工蜂群算法对两种可行磁极排布下的磁场发生装置参数优化问题进行了求解。结合实际需求，通过分析与对比得到了磁场发生装置的最优设计参数和磁极排布方式，并最终根据相关参数与磁极排布方式对半导体晶片磁流变抛光的磁场发生装置进行了设计与试制验证。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 轮式磁场发生装置现状分析

1．2．2盘式磁场发生装置现状分析

1．2．3存在的问题

1．3研究目标和内容

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

1．5课题来源

1．6章节安排

2单一介质中磁场发生装置空间磁场理论建模

2．1 永磁体空间磁场分析的相关理论

2．1．1永磁体空间磁场求解的等效电流模型

2．1．2磁感应强度B的求解方法

2．2空气中磁场发生装置空间磁场分析

2．2．1 空气中单个永磁体的空间磁场求解

2．2．2空气中多个永磁体的空间磁场求解

2．3磁流变抛光液中磁场分析

2．3．1 有无磁流变抛光液时空间磁场对比分析

2．3．2磁流变抛光液中磁场分析模型的简化

2．4本章小结

3镜像法分析磁流变抛光液中磁场分布

3．1镜像法处理静态磁场边值问题的基本思路

3．2双介质双界面空间磁场分析

3．2．1 镜像前双介质双界面空间场域分析

3．2．2镜像后B区域空间磁场分析

3．2．3镜像后A区域空间磁场分析

3．2．4镜像后C区域空间磁场分析

3．3磁流变抛光液中磁场分布的解析模型

3．3．1各场域中镜像电流大小的确定

3．3．2磁流变抛光液中磁场分布求解

3．4解析模型的验证

3．4．1特例验证

3．4．2理论与仿真的对比验证

3．5本章小结

4相关设计参数对磁场的影响

4．1 磁场发生装置中磁场影响因素分析

4．2各参数对磁流变抛光区磁场的影响

4．2．1永磁体磁化强度对磁场的影响

4．2．2永磁体半径对磁场的影响

4．2．3 永磁体高度对磁场的影响

4．2．4永磁体磁极气隙间距对磁场的影响

4．3本章小结

5磁场发生装置优化设计

5．1 磁场发生装置参数优化问题的数学模型建立

5．1．1 约束优化问题的数学模型描述

5．1．2优化变量

5．1．3约束条件

5．1．4目标函数

5．1．5磁场发生装置参数优化问题的数学模型

5．2基于人工蜂群算法的参数优化模型求解

5．2．1 基于人工蜂群算法的参数优化模型求解分析

5．2．2磁场发生装置参数优化模型求解

5．3半导体晶片磁流变抛光的磁场发生装置实现

5．4本章小结

6．1 全文总结

6．2工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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