單晶硅材料超精密磨削機(jī)理研究.pdf

1、單晶硅材料作為優(yōu)異的襯底材料被大量應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中。單晶硅材料的超精密磨削技術(shù)是半導(dǎo)體芯片襯底平坦化加工和背面減薄加工的核心技術(shù)。由于單晶硅材料超精密磨削時(shí)使用了基于自旋轉(zhuǎn)原理的單晶硅超精密磨削機(jī)床。其運(yùn)動(dòng)形式與普通平面磨床存在顯著區(qū)別，而且單晶硅材料的力學(xué)特性也與不同于其它材料，再加上我國(guó)基于工件自旋轉(zhuǎn)原理的單晶硅材料超精密磨削機(jī)床仍處于試制階段，單晶硅材料的超精密磨削技術(shù)方面仍有大量問(wèn)題未得到解決。單晶硅材料超精密磨削機(jī)理的研究對(duì)

2、完善材料加工理論，提高我國(guó)高超精密磨削技術(shù)水平，促進(jìn)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
　　本文通過(guò)數(shù)學(xué)建模、理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的研究了單晶硅材料的超精密磨削機(jī)理:
　　首先，研究了基于自旋轉(zhuǎn)原理的超精密磨削機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。本文利用數(shù)學(xué)矩陣的方法，建立了基于自旋轉(zhuǎn)磨削原理的磨粒相對(duì)于單晶硅的運(yùn)動(dòng)軌跡模型，并首次建立了磨粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)學(xué)模型。編制了單晶硅材料超精密磨削運(yùn)動(dòng)的二維及三維仿真程序，計(jì)算機(jī)仿真分析了超精密磨

3、削運(yùn)動(dòng)規(guī)律，最后通過(guò)單晶硅材料的自旋轉(zhuǎn)磨削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的正確性。
　　其次，根據(jù)超精密磨削運(yùn)動(dòng)原理，理論推導(dǎo)了單晶硅材料超精密磨削加工時(shí)磨削力的數(shù)學(xué)模型以及金剛石磨粒與單晶硅材料接觸的應(yīng)力模型，在此基礎(chǔ)上分析了單晶硅材料的塑性變形及脆性斷裂對(duì)單晶硅材料性質(zhì)的影響規(guī)律，創(chuàng)新性地確定了單晶硅材料的塑性/脆性去除的力的理論閾值。研究認(rèn)為單晶硅材料發(fā)生塑性變形的理論閾值為σP-N，而發(fā)生脆性斷裂的理論閾值為σcr。同時(shí)

4、單晶硅材料發(fā)生塑性變形后，晶格常數(shù)減小，單晶硅的晶相發(fā)生了改變，單晶硅材料的力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了變化。而單晶硅材料發(fā)生脆性斷裂時(shí)，微裂紋的產(chǎn)生降低了單晶硅材料的斷裂強(qiáng)度。
　　再次，通過(guò)在線刀具制造技術(shù)制造了微細(xì)金剛石砂輪，利用測(cè)力儀及Labview設(shè)計(jì)了磨削力的在線測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)單晶硅材料進(jìn)行了微細(xì)金剛石砂輪和杯型金剛石砂輪磨削實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了磨削力的變化規(guī)律以及磨削力與磨削后硅片表面質(zhì)量的關(guān)系，驗(yàn)證了單晶硅材料塑性閾值及脆性閾值的

5、理論。
　　微細(xì)金剛石砂輪磨削實(shí)驗(yàn)研究表明:微細(xì)金剛石砂輪磨削時(shí)，單晶硅材料以塑性去除為主。在較小的磨削力作用下，單晶硅料發(fā)生了塑性流動(dòng)，同時(shí)部分單晶硅材料以塑性切屑的形式從單晶硅材料表面去除。而在較大的磨削力作用下，單晶硅材料大部分仍以塑性去除為主。但在加工區(qū)域的邊界位置，應(yīng)力場(chǎng)過(guò)大，易出現(xiàn)破碎;微細(xì)磨削時(shí)，單晶硅材料塑性去除時(shí)的法向磨削力閾值FZP-N和脆性去除時(shí)的法向磨削力閾值FZcr分別為200mN和300mN。
　

6、　杯型金剛石砂輪磨削實(shí)驗(yàn)表明:磨削力隨磨削時(shí)間的變化呈現(xiàn)出磨削開(kāi)始階段、穩(wěn)定磨削階段、光磨階段以及磨削結(jié)束階段等四個(gè)不同的階段。使用600＃金剛石磨削單晶硅片，當(dāng)磨削力在50N-70N范圍內(nèi)，單晶硅材料主要以塑性去除形式為主，硅片表面出現(xiàn)大量塑性切除留下的磨痕溝槽，但同時(shí)伴隨有少部分材料發(fā)生脆性斷裂;而當(dāng)磨削力大于70N時(shí)，大部分單晶硅材料以脆性去除為主，單晶硅表面出現(xiàn)大量的脆性裂紋，伴隨大量棱角分明的脆性切屑。使用2000＃金剛石磨削

7、單晶硅片，在較小的磨削力下(35N-60N)，單晶硅材料以塑性去除的形式為主，硅片表面出現(xiàn)大量光滑而細(xì)小的磨痕，同時(shí)伴隨出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象;而當(dāng)磨削力較大時(shí)（超過(guò)80N），單晶硅材料的去除形式以塑性疲勞的形式為主，硅片表面的質(zhì)量較差。實(shí)驗(yàn)條件下，使用600＃及2000＃金剛石砂輪磨削單晶硅材料時(shí)，磨削力閾值分別為120N與60N。
　　最后，利用微納米力學(xué)綜合測(cè)量系統(tǒng)及硅片自旋轉(zhuǎn)超精密磨床，開(kāi)展了單顆磨粒劃痕實(shí)驗(yàn)及自旋轉(zhuǎn)磨削實(shí)驗(yàn)，實(shí)

8、驗(yàn)研究了單晶硅材料的超精密磨削機(jī)理。研究認(rèn)為:5μm半徑的金剛石磨粒劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，塑性加工閾值和脆性加工閾值分別為10mN和120mN。2μm半徑的金剛石磨粒劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，塑性加工閾值和脆性加工閾值分別為5mN和30mN。單晶硅材料塑性、脆性加工對(duì)象存在本質(zhì)的區(qū)別，單晶硅材料塑性磨削時(shí)，磨削去除的單晶硅材料的主要以Si-Ⅲ和Si-Ⅰ為主。單晶硅材料脆性磨削時(shí)，磨削去除的單晶硅材料以未發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變的Si-Ⅰ為主。600＃金剛石砂輪在較大的進(jìn)給