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1、本科毕业设计（论文）硅片自旋转磨削工艺规律研究学院 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 (机械电子方向） 年级班别 2008级(2)班 学号 3018000383 学生姓名 王展浩 指导教师 魏昕 2012年5月21日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。其中，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。本文利用基于自旋转磨削原理的硅片超精密磨床，通过试验研究了砂轮磨粒粒度、砂轮进给速
2、度和砂轮转速等主要因素对磨削后硅片的磨削力和表面质量的的影响关系。关键词：硅片,磨削,砂轮,磨床,自旋转磨削注：本设计题目来源于教师的国家级科研项目，项目编号为：U0734008。AbstractSiliconintegratedcircuit(IC)manufacturingprocessmostcommonlyusedinthesubstratematerial,siliconwafersurfacequalitydirectlyaffectstheperformanceofthedevice,therateoffinishedproductsandlife.Alongwiththeinc
3、reaseofthesiliconwafersizes,newsiliconwaferefficientprocessingtechnologyoftheultraprecisionlevelofftogetalotofresearch.Amongthem,withhighefficiency,highprecision,lowdamageandotheradvantagesofthewaferrotationgrindingtechnologyisgraduallybecomingthepolishingofsiliconwaferandwaferbacksidethinningofthem
4、ainstreamgraphicsprocessingtechnology.Basedontherotationprincipleofgrindingsiliconwaferultra-precisiongrinder,grindingparticlesizewasstudiedbyexperiment,thegrindingwheelspeedandthespeedofthegrindingwheelmainfactorsongrindingwafergrindingforceandsurfacequalityofrelationship.Keywords:Siliconwafer,Grin
5、ding,Thegrindingwheel,Grindingmachine,Self-rotatinggrinding目录1 绪论11.1 前言11.2硅片超精密磨削的现状11.2.1国外现状11.2.2国内现状21.3硅片超精密磨削的发展趋势31.4 硅片自旋转磨削的原理41.5 本文研究的主要内容52 硅片自旋转磨削加工的实验设计62.1 实验设备的介绍62.2 工件的介绍62.3 砂轮的选择82.4 工艺参数的选择92.4.1砂轮轴向进给的速度92.4.2砂轮的转速102.5 检测方法和设备102.6 本章小结123 磨削参数对磨削力的影响的试验研究133.1 磨削工艺参数对磨削力的影响
6、133.1.1磨粒粒径对磨削力的影响133.1.2砂轮进给速度对磨削力的影响133.1.3砂轮转速对磨削力的影响143.2 建立磨削力经验公式143.2.1 角正回归理论143.2.2 磨削力的角正回归法建模153.3 本章小结164 磨削参数对硅片表面质量的影响的试验研究174.1 磨削工艺参数对磨削后硅片表面粗糙度的影响174.1.1磨粒粒径对硅片表面粗糙度的影响174.1.2砂轮进给速度对硅片表面粗糙度的影响184.1.3砂轮转速对硅片表面粗糙度的影响204.2 磨削参数对磨削后硅片表面形貌的影响204.2.1磨粒粒径对硅片表面形貌的影响204.2.2砂轮进给速度对硅片表面形貌的影响22
7、4.2.3砂轮转速对硅片表面形貌的影响244.3 本章小结26结论27参考文献29致谢311绪论1.1前言进入21世纪，硅材料从工艺上说已经成为电子设备中最重要的半导体材料，同时它也被用于微电子工业，而且还越来越多用于能量和机械方面。因此制造商从经济效益方面考虑，致力于提高硅的生产加工技术得以更平整、更高质量的衬底材料和高精度的光学元件，以及能够满足微机电中所需的复杂元件形状的需要。随着IC工艺、技术的不断发展，硅单晶的直径尺寸越来越大，对单晶硅抛光的质量要求包括物理尺寸、平整度、表面粗糙度、纳米形貌、含氧量和晶体完整性等指标的要求越来越高。传统的硅片加工工艺已无法适应大尺寸硅片高质量、高精度
8、、高效率和低成本的加工要求。较高的亚表面损伤和较低的平整度是传统的硅片加工常见的问题，为了解决这问题，延性域磨削是其中的一个好方法。在延性域磨削中，磨屑是以塑性流动的方式去除的，可以获得没有微观裂纹的加工表面，磨削损伤深度很浅，只有几百纳米左右。而随着硅片超精密加工技术的发展，硅片自旋转磨削加工可以实现硅片高效磨削，实现硅片的延性域磨削，减少硅片表面损伤，提高加工效率，保证工件的表面质量。1.2硅片超精密磨削的现状德国是最早开始采用磨削方法加工硅片，日本1975年开始用磨削方式加工硅片的背面，早期的磨床是采用普通平面磨床改装而成，后来研制出多种硅片磨床。1.2.1国外现状近年来，国外对硅片超精
9、密磨削技术的研究开发获得不少成果和进展，主要是直径300mm硅片的集成制造系统采用单晶金刚石砂轮使延性磨削和光整加工可以在同一个装置上进行，使硅片达到表面粗糙度1m和平面度0.2m/300mm。从2003年开始，最新的硅片已经进入了直径450mm硅片制造的阶段，。日本国家理化学研究所的大森整教授在1987年研制成功在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工艺，并将ELID技术用于硅片自旋转磨削工艺，实现了硅片的延性域磨削，亚表面损伤层深度0.14，只有传统研磨硅片损伤层深度的1/31/10。日本Ibaraki大学的H.Eda等人研究了基于自旋转磨削原理的集成磨削系统，该系统采用超磁致伸缩微驱动装置调整
10、砂轮轴与工件轴的夹角控制硅片面型精度，应用精密汽缸和磨削力检测系统进行控制压力磨削，可以在一个工序中完成硅片的延性域磨削和减小损伤层的磨抛加工，加工300mm硅片达到表面粗糙度Ra1nm，平面度0.2m，表面损伤层减小到0.10.2m，能源消耗比传统工艺降低70%。日本TokyoSeimiteu公司所研制的硅片抛磨机床基于硅片自旋转磨削原理，采用微粉金刚石砂轮进行粗磨和精磨，同时增加一个采用固结磨料抛光轮的抛光以去除磨削损伤层，可以实现硅片的纳米和亚纳米级镜面加工，使表面损伤层0.1m。利用该机床进行硅片的背面磨削，可以快速减小硅片的厚度，为3-D贴片等一些特殊应用场合提供厚度仅为150m的薄
11、硅片。在美国，KansasStateUniversity的Z.J.Pei等人对精密磨削硅片自旋转磨削的加工过程以及加工参数、砂轮粒度、冷却液供给等加工条件对磨削力、硅片面型精度、表面磨削纹路、表面粗糙度的影响进行了系统的实验研究。英国克兰菲尔德大学DJStephenson教授探索了一种新型的四面体(Tetraform)C型磨床，可以用于硅片的磨削加工。1.2.2国内现状国内也开展了硅片超精密加工技术和理论的研究。燕山大学于栋利教授进行了应用铸铁短纤维结合剂微米粒度金刚石砂轮，对76mm硅片进行ELID超精密磨削，研究了磨削工艺参数对硅片的加工质量及磨削效率的影响。天津大学于思远教授和哈尔滨大学
12、董申教授等分别应用峰值动力学进行了单晶硅超精密磨削加工机原理研究和单点金刚石超精密加工单晶硅的分子动力学仿真技术研究。这些研究为硅片超精密加工理论和技术进一步研究打下良好基础。目前，国内生产企业虽然掌握了小尺寸硅片(直径8英寸以下)的加工能力，但是尚不掌握大尺寸硅片(直径12英寸以上)的超精密加工技术，并且硅片的加工工艺均采用传统的研磨、腐蚀工艺，而基于自旋转磨削原理的超精密磨削技术尚没有掌握。并且国内半导体材料企业的半导体制造设备绝大部分是从国外直接进口的成套生产线。从而导致了我国半导体设备市场成为进口成套设备占绝大部分市场份额的局面，从市场乃至技术完全控制在旁人手中，甚至连最基本的零部件和
13、消耗材料几乎都依赖进口。但是，发达国家和跨国公司严格限制向我国出口直径300mm以上最先进的硅片超精密加工技术和设备。大连理工大学现代制造技术研究所对单晶硅等硬脆材料的超精密加工技术开展了大量的研究工作，目前正在承担国家自然科学基金重大项目和国家“863”计划项目，对大直径硅片超精密磨削加工的理论和关键技术展开系统研究。1.3硅片超精密磨削的发展趋势随着IC设计技术和制造技术的发展与进步，芯片的密度呈指数增长趋势，这是硅片直径增大的主要驱动力。现在300mm硅片是主流产品，正在向450mm硅片发展，预计到2013年将采用直径450mm的硅片。研究表明，采用450mm的硅片比300mm的硅片生产
14、的芯片成本低很多。对微利的DRAM厂商无疑是具有极大的诱惑力。随着新一代器件的研发，下一代大硅片的研发势在必行。此外，随着高新技术的日新月异，给IC提高其附加值提供了大好机会，这又极大推动全球各大生产厂家达大硅片的开发和生产。早期用于硅片加工的磨床由普通平面磨床改装而成，主要使用平行砂轮磨削硅片。在使用平行砂轮磨削硅片时，由于砂轮宽度有限，必须进行横向进给磨削，这就导致磨削精度和磨削效率较低。早期还有使用传统的硅片加工工艺，在采用内圆金刚石锯片切割工艺切割的硅片会产生较大的翘曲变形，最大翘曲量达37m，硅片表面还会残留切痕和微裂纹，损伤层深度可达1050m；在研磨-腐蚀-抛光过程中，游离磨料研
15、磨的加工效率较低，研磨硅片表面粗糙度达不到要求，硅片表面仍残留48m的损伤层；而腐蚀去除损伤层的过程中腐蚀率难以稳定控制，会影响研磨后硅片的面型精度，这势必增加最终化学机械抛光加工的时间。因此，应用传统工艺进行硅片的批量生产时，存在难以保证高的面型精度，加工效率低，控制难度大，不易实现自动化等公认的缺点。另外，这种工艺过程中大量使用的腐蚀化学试剂、研磨抛光液以及清洗液还存在污染环境问题。目前，硅片磨削广泛采用基于硅片自旋转磨削原理的超精密磨床。1988年日本的S.Matsui等人提出了硅片自旋转磨削方法。其采用略大于硅片尺寸的转台，硅片的中心与转台的中心重合，杯型砂轮的工作面调整到硅片的中心位置，磨削时，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，砂轮只是相对于硅片进行轴向进给。由于是杯型砂轮单纯切入磨削，砂轮的接触长度、接触面积、切入角固定不变，因此，加工余量可以不受限制，磨削力可以保持恒定，从原理上可以实现面型精度的主动控制，改善硅片面型精度。还有通过调整加工参数，可以在粗磨时实现硅片高效磨削，迅速去除加工余量；在精磨时实现硅片的延性域磨削，减少硅片表面损伤，即可以提高加工效率，也可以保证工件的表面质量。其次，砂轮转速远高于硅片转速，因此砂轮磨削对硅片平整度的影响很小
