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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 级(2)班
学 号
学生姓名 王展浩
指导老师 魏昕

年 5 月 21 日

硅片自旋转磨削工艺规律研究 王展浩 机电工程学院

硅片自旋转磨削工艺规律研究

王展浩

机电工程学院

摘要
单晶硅片是集成电路(IC)制造过程中最常见衬底材料，硅片表面层质量直接影响着器件性能、成品率和寿命。伴随硅片尺寸增大，新硅片高效超精密平整化加工工艺得到了大量研究。其中，含有高效率、高精度、低损伤等优点硅片自旋转磨削技术正逐步成为抛光硅片和图形硅片后面减薄主流加工技术。本文利用基于自旋转磨削原理硅片超精密磨床，经过试验研究了砂轮磨粒粒度、砂轮进给速度和砂轮转速等关键原因对磨削后硅片磨削力和表面质量影响关系。

关键词：硅片,磨削,砂轮,磨床,自旋转磨削

注：本设计题目起源于老师国家级科研项目，项目编号为：U0734008。
Abstract
Silicon integrated circuit ( IC ) manufacturing process most commonly used in the substrate material, silicon wafer surface quality directly affects the performance of the device, the rate of finished products and life. Along with the increase of the silicon wafer sizes, new silicon wafer efficient processing technology of the ultra precision level off to get a lot of research. Among them, with high efficiency, high precision, low damage and other advantages of the wafer rotation grinding technology is gradually becoming the polishing of silicon wafer and wafer backside thinning of the mainstream graphics processing technology. Based on the rotation principle of grinding silicon wafer ultra-precision grinder, grinding particle size was studied by experiment, the grinding wheel speed and the speed of the grinding wheel main factors on grinding wafer grinding force and surface quality of relationship.
Keywords: Silicon wafer, Grinding, The grinding wheel, Grinding machine, Self-rotating grinding
目录
1 绪论 1
1.1 序言 1
1.2硅片超精密磨削现实状况 1
1.2.1国外现实状况 1
1.2.2中国现实状况 2
1.3硅片超精密磨削发展趋势 3
1.4 硅片自旋转磨削原理 4
1.5 本文研究关键内容 5
2 硅片自旋转磨削加工试验设计 6
2.1 试验设备介绍 6
2.2 工件介绍 6
2.3 砂轮选择 8
2.4 工艺参数选择 9
2.4.1砂轮轴向进给速度 9
2.4.2砂轮转速 10
2.5 检测方法和设备 10
2.6 本章小结 12
3 磨削参数对磨削力影响试验研究 13
3.1 磨削工艺参数对磨削力影响 13
3.1.1磨粒粒径对磨削力影响 13
3.1.2砂轮进给速度对磨削力影响 13
3.1.3砂轮转速对磨削力影响 14
3.2 建立磨削力经验公式 14
3.2.1 角正回归理论 14
3.2.2 磨削力角正回归法建模 15
3.3 本章小结 16
4 磨削参数对硅片表面质量影响试验研究 17
4.1 磨削工艺参数对磨削后硅片表面粗糙度影响 17
4.1.1磨粒粒径对硅片表面粗糙度影响 17
4.1.2砂轮进给速度对硅片表面粗糙度影响 18
4.1.3砂轮转速对硅片表面粗糙度影响 20
4.2 磨削参数对磨削后硅片表面形貌影响 20
4.2.1磨粒粒径对硅片表面形貌影响 20
4.2.2砂轮进给速度对硅片表面形貌影响 22
4.2.3砂轮转速对硅片表面形貌影响 24
4.3 本章小结 26
结论 27
参考文件 29
致谢 31

1 绪论
1.1 序言
进入二十一世纪，硅材料从工艺上说已经成为电子设备中最关键半导体材料，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。所以制造商从经济效益方面考虑，致力于提升硅生产加工技术得以更平整、更高质量衬底材料和高精度光学元件，和能够满足微机电中所需复杂元件形状需要。
伴随IC工艺、技术不停发展，硅单晶直径尺寸越来越大，对单晶硅抛光质量要求包含物理尺寸、平整度、表面粗糙度、纳米形貌、含氧量和晶体完整性等指标要求越来越高。传统硅片加工工艺已无法适应大尺寸硅片高质量、高精度、高效率和低成本加工要求。较高亚表面损伤和较低平整度是传统硅片加工常见问题，为了处理这问题，延性域磨削是其中一个好方法。在延性域磨削中，磨屑是以塑性流动方法去除，能够取得没有微观裂纹加工表面，磨削损伤深度很浅，只有几百纳米左右。而伴随硅片超精密加工技术发展，硅片自旋转磨削加工能够实现硅片高效磨削，实现硅片延性域磨削，降低硅片表面损伤，提升加工效率，确保工件表面质量。
1.2硅片超精密磨削现实状况
德国是最早开始采取磨削方法加工硅片，日本1975年开始用磨削方法加工硅片后面，早期磨床是采取一般平面磨床改装而成，以后研制出多个硅片磨床。
1.2.1国外现实状况
多年来，国外对硅片超精密磨削技术研究开发取得不少结果和进展，关键是直径Φ300mm硅片集成制造系统采取单晶金刚石砂轮使延性磨削和光整加工能够在同一个装置上进行，使硅片达成表面粗糙度<1×μm和平面度<0.2μm/300mm。从开始，最新硅片已经进入了直径450mm硅片制造阶段，。
日本国家理化学研究所大森整教授在1987年研制成功在线修整砂轮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1/3~1/10。日本Ibaraki大学H.Eda等人研究了基于自旋转磨削原理集成磨削系统，该系统采取超磁致伸缩微驱动装置调整砂轮轴和工件轴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，能够在一个工序中完成硅片延性域磨削和减小损伤层磨抛加工，加工300mm硅片达成表面粗糙度Ra<1nm，平面度<0.2μm，表面损伤层减小到0.1~0.2μm，能源消耗比传统工艺降低70%。日本Tokyo Seimiteu企业所研制硅片抛磨机床基于硅片自旋转磨削原理，采取微粉金刚石砂轮进行粗磨和精磨，同时增加一个采取固结磨料抛光轮抛光以去除磨削损伤层，能够实现硅片纳米和亚纳米级镜面加工，使表面损伤层<0.1μm。利用该机床进行硅片后面磨削，能够快速减小硅片厚度，为3-D贴片等部分特殊应用场所提供厚度仅为150μm薄硅片。
在美国，Kansas State UniversityZ.J.Pei等人对精密磨削硅片自旋转磨削加工过程和加工参数、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、表面粗糙度影响进行了系统试验研究。
英国克兰菲尔德大学D．J．Stephenson教授探索了一个新型四面体(Tetraform)‘C’型磨床，能够用于硅片磨削加工。
1.2.2中国现实状况
中国也开展了硅片超精密加工技术和理论研究。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Φ76mm硅片进行ELID超精密磨削，研究了磨削工艺参数对硅片加工质量及磨削效率影响。天津大学于思远教授和哈尔滨大学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深入研究打下良好基础。
现在，中国生产企业即使掌握了小尺寸硅片(直径8英寸以下)加工能力，不过尚不掌握大尺寸硅片(直径12英寸以上)超精密加工技术，而且硅片加工工艺均采取传统研磨、腐蚀工艺，而基于自旋转磨削原理超精密磨削技术尚没有掌握。而且中国半导体材料企业半导体制造设备绝大部分是从国外直接进口成套生产线。从而造成了中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局面，从市场乃至技术完全控制在旁人手中，甚至连最基础零部件和消耗材料几乎全部依靠进口。不过，发达国家和跨国企业严格限制向中国出口直径300mm以上最优异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超精密加工技术开展了大量研究工作，现在正在负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理论和关键技术展开系统研究。
1.3硅片超精密磨削发展趋势
伴随IC设计技术和制造技术发展和进步，芯片密度呈指数增加趋势，这是硅片直径增大关键驱动力。现在300mm硅片是主流产品，正在向450mm硅片发展，估计到将采取直径450mm硅片。研究表明，采取450mm硅片比300mm硅片生产芯片成本低很多。对微利DRAM厂商无疑是含有极大诱惑力。伴随新一代器件研发，下一代大硅片研发势在必行。另外，伴随高新技术日新月异，给IC提升其附加值提供了大好机会，这又极大推进全球各大生产厂家达大硅片开发和生产。
早期用于硅片加工磨床由一般平面磨床改装而成，关键使用平行砂轮磨削硅片。在使用平行砂轮磨削硅片时，因为砂轮宽度有限，必需进行横向进给磨削，这就造成磨削精度和磨削效率较低。早期还有使用传统硅片加工工艺，在采取内圆金刚石锯片切割工艺切割硅片会产生较大翘曲变形，最大翘曲量达37μm，硅片表面还会残留切痕和微裂纹，损伤层深度可达10～50μm；在研磨--腐蚀--抛光过程中，游离磨料研磨加工效率较低，研磨硅片表面粗糙度达不到要求，硅片表面仍残留4～8μm损伤层；而腐蚀去除损伤层过程中腐蚀率难以稳定控制，会影响研磨后硅片面型精度，这势必增加最终化学机械抛光加工时间。所以，应用传统工艺进行硅片批量生产时，存在难以确保高面型精度，加工效率低，控制难度大，不易实现自动化等公认缺点。另外，这种工艺过程中大量使用腐蚀化学试剂、研磨抛光液和清洗液还存在污染环境问题。现在，硅片磨削广泛采取基于硅片自旋转磨削原理超精密磨床。
1988年日本S.Matsui等人提出了硅片自旋转磨削方法。其采取略大于硅片尺寸转台，硅片中心和转台中心重合，杯型砂轮工作面调整到硅片中心位置，磨削时，硅片和砂轮绕各自轴线回转，砂轮只是相对于硅片进行轴向进给。因为是杯型砂轮单纯切入磨削，砂轮接触长度、接触面积、切入角固定不变，所以，加工余量能够不受限制，磨削力能够保持恒定，从原理上能够实现面型精度主动控制，改善硅片面型精度。还有经过调整加工参数，能够在粗磨时实现硅片高效磨削，快速去除加工余量；在精磨时实现硅片延性域磨削，降低硅片表面损伤，即能够提升加工效率，也能够确保工件表面质量。其次，砂轮转速远高于硅片转速，所以砂轮磨削对硅片平整度影响很小。再次，硅片自旋转磨削设备结构紧凑，轻易实现多工位集成，甚至能够和抛光装置集成为一体，实现磨削抛光一体化。最终，硅片自旋转磨床磨削硅片时，被加工硅片一直有二分之一处于砂轮外面，所以易于实现硅片在线厚度和表面质量检测和控制。
正是因为硅片自旋转磨削能够克服一般端面磨削缺点，实现高精度高效率延性域磨削。于是越来越多人致力于硅片自旋转磨削加工研究，硅片自旋转磨削加工正逐步替换传统研磨和端面磨削加工，成为硅片超精密磨削技术发展趋势。
1.4 硅片自旋转磨削原理
硅片自旋转磨削时，硅片固定在尺寸略大于硅片真空吸盘上，并随吸盘一起绕其中心轴旋转，杯型砂轮绕其主轴旋转并沿轴向进给，采取自旋转磨削方法加工硅片装置原理图1.1（a）所表示。自旋转磨削加工过程中。当砂轮主轴和吸盘主轴平行时，理论上砂轮和硅片之间全接触磨削面积或弧长，图1.1（b）所表示；当是在实际磨削过程中，为了减小磨削力和减小磨削热，通常有意调整砂轮主轴和吸盘主轴之间角度，产生一个微倾角使砂轮和硅片实现半接触磨削，图1.1（c）所表示。

图1.1 硅片自旋转磨削加工原理图
自旋转磨削硅片时，砂轮每转磨削深度t和砂轮轴向进给速度f和硅片转速n关系为：
t=f/n （1）
依据（1）式，对给定砂轮轴向进给速度f，提升硅片转速n，能够减小磨削深度。对于部分超精密磨床，其砂轮轴向进给速度能够控制在1μm /min以内，假如硅片转速为200rpm，则硅片每转磨削深度只有0.005μm，能够实现微量切深延性域磨削。若再保持和传统往复平面磨削相同磨削深度磨削时，能够经过大幅度提升砂轮进给速度，增大材料去除率，从而实现高效磨削。
1.5 本文研究关键内容
伴随半导体和光电子元器件加工质量、精度、和加工效率不停提升，采取杯型金刚石砂轮硅片自旋转磨削加工单晶硅片方法被认为是超精密磨削硅片理想工艺，并广泛应用于硅片后面减薄中。本课题研究基于硅片自旋转磨削原理，系统研究影响硅片自旋转磨削过程中工艺规律，为优化工艺参数提供依据。
2 硅片自旋转磨削加工试验设计
2.1 试验设备介绍
伴随高精度、高硬度机械零件数量增加，和精密铸造和精密铸造工艺发展，磨床性能、品种和产量全部在不停提升和增加，从而磨床分类也分为很多个：(1)外圆磨床：是一般型基型系列，关键用于磨削圆柱形和圆锥形外表面磨床。(2)内圆磨床：是一般型基型系列，关键用于磨削圆柱形和圆锥形内表面磨床。另外，还有兼具内外圆磨磨床。(3)座标磨床：含有精密座标定位装置内圆磨床。(4)无心磨床：工件采取无心夹持，通常支承在导轮和托架之间，由导轮驱动工件旋转，关键用于磨削圆柱形表面磨床。比如轴承轴支等。(5)平面磨床：关键用于磨削工件平面磨床。(6)砂带磨床：用快速运动砂带进行磨削磨床。(7)珩磨机：用于珩磨工件多种表面磨床。(8)研磨机：用于研磨工件平面或圆柱形内，外表面磨床。(9)导轨磨床：关键用于磨削机床导轨面磨床。(10)工具磨床：用于磨削工具磨床。(11)多用磨床：用于磨削圆柱、圆锥形内、外表面或平面，并能用随动装置及附件磨削多个工件磨床。(12)专用磨床：从事对某类零件进行磨削专用机床。
本试验设备关键是改装后磨床，其性能符合本试验要求。
2.2 工件介绍
硅是最关键半导体材料，硅属元素周期表第三周期Ⅳ族，原子序数14，原子量28.085，熔点是1412℃，硅工作温度比较高，可达250℃。硅表面能自然生长氧化硅(Si02)钝化层，该层可作为集成电路器件保护层。另外，硅临界切应力较大，一旦达成无位错状态后在生长过程中不轻易出现位错，是少数能得到无位错单晶材料之一。
硅单晶属脆性材料，在室温下无延展性，但当温度高于700"C时，硅单晶含有弹塑性，其内部存在位错开始移动或攀移，在应力作用下会展现塑性变形。在950℃～1400℃温度范围内硅抗拉强度由约3．5×108 Pa下降到1×108 Pa。硅抗拉应力远大于抗剪应力，所以硅片轻易碎裂。
单晶硅Peierls应力和试验硬度等数据如表2.1所表示，单晶硅Peierls势垒很大，使位错难以在常温下滑移，造成了其硬度很高，但韧性差特点。表中，为位错芯处键能，为Peierls剪切应力，为Peierls势垒对硬度作用，为压痕硬度，+为晶体表现硬度，为单晶硅试验硬度。
表2.1 单晶硅Peierls应力和试验硬度

(eV)
(kg/m)
(kg/m)
(kg/m)
+(kg/m)
(kg/m)
Si
5.95
3430
286
1098
1384
1370
表2.2给出了单晶硅力学常数，即使硅抗拉和剪切性能比同类其它半导体材料要好，但和其它种类材料相比，其力学性能趋向于脆性材料。
表2.2 单晶硅力学特征
特征
参数
单晶硅密度/（25℃）
2.392
硬度（Knoop）
9.5~11.5GPa
弹性常数

杨氏模量

泊松比

断裂韧性

本试验采取硅片直径为42mm单晶硅片。
2.3 砂轮选择
砂轮是用磨料和结合剂混合经压坯、干燥、焙烧而制成，疏松盘状、轮状等多种形状磨具。要选择砂轮，就必需先选择磨料和结合剂。
磨料分类分为一般磨料和超硬磨料两大类。这两大类中又分为天然和人造，天然一般磨料有天然刚玉、石榴石和金刚砂；人造一般磨料分为刚玉和碳化硅，刚玉有棕刚玉、白刚玉、黑刚玉、锆刚玉、铬刚玉、单晶刚玉、微晶刚玉，碳化硅有绿碳化硅、黑碳化硅、立方碳化硅、碳化硼；天然超硬磨料有金刚石；人造超硬磨料有些人造金刚石和立方碳化硼。金刚石磨料含有硬度高、抗压强度高、耐磨性好特征，使金刚石磨具在磨削加工中成为磨削硬脆材料及硬质合金理想工具，不仅效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用寿命长，同时还可改善劳动条件。所以广泛用于一般磨具难于加工低铁含量金属及非金属硬脆材料，如硬质合金、高铝瓷、光学玻璃、玛瑙宝石、半导体材料、石材等。所以本试验磨料采取金刚石。
磨具依据不一样特征,分类方法也不一样。依据磨具基础形状使用方法分类分为固结磨具、涂附磨具和研磨膏。固结磨含有砂轮、磨头、油石和砂瓦；涂附磨含有砂布、砂纸和砂带；研磨膏有软膏和硬膏。依据磨料性能分类分为氧化物系磨具、碳化物磨具和超硬磨料磨具。氧化物系磨含有棕刚玉磨具、白刚玉磨具、天然刚磨具和锆刚玉磨具；碳化物磨含有黑碳化硅磨具、绿碳化硅磨具和碳化硼磨具；超硬磨料磨含有金刚石磨具和立方氧化硼磨具。依据磨具突出特点分类分为细粒度磨具、高硬度磨具、大气孔砂轮、高速砂轮和超薄片砂轮。最常见分类是依据结合剂性能分类，其中分为无机模具和有机磨具，无机模含有陶瓷结合剂磨具、金属结合剂磨具和菱苦土结合剂磨具；有机磨含有树脂结合剂磨具和橡胶结合剂磨具。
陶瓷结合剂磨具特点是有良好耐热性和化学稳定性，不拍水、油及一般酸碱侵蚀，不过它脆性较大，弹性较差，必需高温烧成，生产周期较长。橡胶结合剂磨具特点是高强度，富有弹性，抛光性能好，不过组织较密，气孔小，耐热性较差，它用途关键制成硬质磨具，制成硬质橡胶薄片砂轮和用于精密磨削。树脂结合剂磨具特点是结合剂略有弹性和韧性，结合强度高，磨削时发烧量低，粗糙度值低，可制成厚度为0.2~4mm薄片磨具和多种形状复杂磨具，不过抗热性及抗碱性较差，磨削区高温可烧毁结合剂，碱性磨削液轻易降低磨具强度和硬度，增加砂轮磨损。
树脂结合剂金刚石砂轮含有良好抛光作用，磨削时砂轮锋利，不易堵塞，具体特点以下：1、磨削效率高，同时砂轮消耗相对较慢；2、自锐性好，磨削时发烧量小，不易堵塞，降低了磨削时出现工作烧伤现象；3、砂轮含有一定弹性，有利于改善工件表面粗糙度，关键用于精磨、半精磨、刀磨、抛光等工序 4、树脂结合剂金刚石砂轮是低温固化，生产周期短，设备和供给步骤比较简单；因树脂含有流动性，轻易成型复杂性面砂轮。因为单晶硅特点和上述树脂结合剂金刚石砂轮优点，本试验采取砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮。
本试验砂轮型号选择#600和#。
2.4 工艺参数选择
本试验关键参数有磨粒粒径、砂轮轴向进给速度和砂轮转速，以改装后
磨床为试验平台，试验所用关键工艺参数如表2.3所表示。
表2.3磨床关键技术参数
参数
指标
金刚石砂轮
杯型树脂结合剂
砂轮轴向进给速度
f（10~50µm/min）
砂轮转速
（400~1200rpm）
工件转速
（100~180rpm）

2.4.1砂轮轴向进给速度
表2.4 试验中砂轮轴向进给速度参数
序号
砂轮轴向进给速度（µm/min）
砂轮型号
1
10
#600、#
2
15
#600、#
3
20
#600、#
4
25
#600、#
5
30
#600、#
6
40
#600
7
50
#600
在表2.4中，砂轮轴向进给速度为40um/min和50um/min里，并没有选择型号#砂轮来做试验，只选择#600砂轮，这是因为#砂轮关键用于精磨，假如进给速度过大，就很可能会恶化硅片表面质量，达不到预想结果，还会损坏砂轮。所以#砂轮不用于进给速度为40um/min和50um/min。
2.4.2砂轮转速
表2.5 试验中砂轮转速参数
序号
砂轮转速(r/min)
砂轮型号
1
400
#600、#
2
600
#600、#
3
800
#600、#
4
1000
#600、#
5
1200
#600、#
在研究砂轮速度对硅片表面质量和磨削力影响时，砂轮型号选择为#600和#。
2.5 检测方法和设备
检测设备有Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪、超景深三维显微系统、激光共聚焦显微镜和Kistler测力仪。
Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪，型号是MahrSurf XR20＆MahrSurf XT20。产地在德国。它是一个高端表面形貌特征测量产品，能实现半自动操作过程。它以个人计算机为基础，应用软件XR20和XT20，分别进行表面粗糙度测量和表面轮廓仪特征测量，包含槽表面和孔直径在dia.4.5mm以上孔表面。而且，每种功效全部能够经过接触式(MFW 250)和非接触式(Laser Sensor Focodyn)两种方法实现。用彩色和黑白照片模拟表示连续三维粗糙度、表面形貌和轮廓，方法灵活、操作方便简单。Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪在应用XR20软件测量表面粗糙度，能够取得Ra、Rz、Rmax、S(RS)、Sm(RSm)、tp(RMr)、Rp、Rq、、R3z、PSm、PMr、Wt、Sk、Rk和全部DIN4776要求参数。并能够按法国汽车工业标准分析Ncrx、CPM、Nr、Pt、R等。另外还能够实现轮廓曲线、材料支撑曲线、幅值密度曲线和RM轮廓显示。在应用XT20软件可取得表面轮廓信息，如：取得表面轮廓彩色图像等高线、轮廓、格线、视图和轮廓、表面形貌等，还能够自由选择放大区，确定轮廓最高点、最低点、中心和平面，表面淡出、确定新三维特征、计算体积和三围材料比等。在本试验，Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪关键测量硅片加工后表面粗糙度。
超景深三维显微系统，型号是VHX-600。它能够进行快速大景深三维合成和逐层拍照高景深合成画面，对3D微结构进行准实时、非接触观察、测量和统计。和一般光学显微镜系统对比，超景深三维显微系统能够实现光学显微镜系统20倍以上超景深观察和测量，能够对不能对焦凹凸大型被观察物体进行鲜明立体观察。超景深三维显微系统还可满足亚毫米至微米级微结构表面3D加工形貌观察、测量和统计。超景深三维显微系统有很多功效，它能够在显微镜镜头景深不足时填补图形不清楚缺点，含有3D彩色/标尺显示高度功效；2点之间高度差异测量功效；自动变焦功效，截面轮廓测量；3D体积测量，含有D.F.D三维合成功效；3D面间距离和角度测量；3D照明模拟功效等。在本试验，它关键测量硅片加工后表面形貌特征。
激光共聚焦显微镜，型号是OLS4000。它是日本奥林巴斯株式会社和8月公布新款激光显微镜，其总放大倍率达17280倍，平面分辨率为120mm，配置了405nm激光和新开发双共焦系统，能够对微小领域进行高分辨率3维观察、计测和粗糙度测量，另外，该款显微镜还充实了粗糙度测量功效，灵活利用非接触式测量优点，其输出结果有着和接触式表面粗糙度测量仪相同操作性和交换性。
Kistler测力仪，型号是9257B，产地在瑞士。它特点是设计紧凑, 分辨率高, 很坚固, 高固有频率, 对温度改变不敏感, 防腐蚀, 防水喷溅和冷却液浸入, 防护等级IP67。应用于动态和准静态测量, 车削、铣削、磨削中切削力测量, 风洞模型测量。
本试验关键把它用来测量磨削时不一样工艺参数下磨削力。
2.6 本章小结
本章关键写了硅片自旋转磨削加工试验设计，先是介绍磨床分类和本试验用磨床，然后选择工件，依据试验要求选择42mm单晶硅片。要选择砂轮，应先选择磨料和结合剂，本章分别介绍了磨料和磨具分类和其特征，依据硅物理性质、砂轮磨料性质、砂轮结合剂特征，试验选择树脂结合剂金刚石砂轮。选择完关键试验设备、工件和工具，最终选择工艺参数，本试验关键参数有磨粒粒径、砂轮轴向进给速度和砂轮转速，依据试验要求和内容，对这些参数设置数值。
3 磨削参数对磨削力影响试验研究
3.1 磨削工艺参数对磨削力影响
依据上一章试验设计，本章节将研究磨粒粒径、砂轮进给速度和砂轮转速分别对磨削力影响。本试验用Kistler测力仪来测量磨削力。

图3.1 砂轮轴向进给速度对轴向磨削力影响

图3.2 砂轮线速度对轴向磨削力影响
3.1.1磨粒粒径对磨削力影响
从图3.1和图3.2中能够看出，在砂轮进给速度和砂轮线速度分别一定时，#砂轮轴向磨削力一直比#600砂轮轴向磨削力要小，即磨粒粒径越小，轴向磨削力也越小。
3.1.2砂轮进给速度对磨削力影响
图3.1是在砂轮线速度为1000mm/min条件下，轴向磨削力伴随砂轮进给速度增大而改变。从图3.1能够看出，伴随砂轮进给速度增大，砂轮轴向磨削力也增大。这是因为砂轮进给速度增大，使得单颗磨粒最大未变形切削厚度增大，同时参与磨削有效磨粒数增多，造成轴向磨削力增大且影响显著；同时砂轮进给速度增大，磨削过程中砂轮粘结剂、磨屑及被磨工件之间滑擦作用也增大，所以轴向磨削力也增大。
3.1.3砂轮转速对磨削力影响
图3.2是在砂轮进给速度为10µm/min条件下，砂轮线速度对轴向磨削力影响改变。从图3.2看出，在一定条件下，砂轮轴向磨削力伴随砂轮线速度增大而减小。砂轮线速度增加，单位时间内经过磨削区磨粒数伴随增加，造成单颗磨粒切深减小。切屑变薄，切屑截面积减小，所以，有效磨粒磨削力随之降低。
3.2 建立磨削力经验公式
3.2.1 角正回归理论
在实际工程计算中，因为磨削加工情况复杂性，理论公式在具体加工条件下会受到很大限制,所以目前仍以采取经验公式为主。多年来，各国学者全部做出了很多研究，发表了大量数据，而且具体讨论了多种磨削条件对磨削力影响，提出了多种多样磨削力试验公式。本文结合了各国学者作出大量研究和发表大量数据，磨削力经验公式以磨削条件幂指数函数形式来表示，同时综合本试验所得磨削力数据，采取角正回归方法推导出磨削力公式。
3.2.2 磨削力角正回归法建模
考虑到本试验关键影响磨削力原因为进给速度和砂轮线速度，并取经验公式为 (1)
其中表示和磨削力相关系数，α和β是指数。
取对数可得回归方程为
(2)
(3)
即y=，，，为待定系数；，，为CF，，水平编码。
取磨削力试验数据以下表3.1所表示：
表3.1 磨削力试验数据
序号
磨削用量
轴向磨削力（N）
进给速度（μm/min）
砂轮线速度（m/s）
#600砂轮
#砂轮
1
10
18.3
36
31
2
20
18.3
50
44
3
10
14.6
38
33
4
20
14.6
52
45
以表中数据代入公式（3）中，对于#600砂轮，可得以下方程组：

得到 （4）
当取值在大值和小值之间时，，表示式为：

设A=2.86，a=-7.57，则 (5)

设B=-8.69，b=26.2，则 （6）
将x1，x2代入回归方程（3）中可得

取反自然对数后可得
（7）
最终将b0、b1、b2和A、B及a、b值代入式（7）中，得到#600砂轮磨削硅片轴向磨削力公式为，和表3.2中试验数据对比，得到磨削力平均相对正确度为Δ=2.58%。同理，可得#砂轮磨削硅片磨削力经验公式为，正确度为Δ=3.23%。
3.3 本章小结
本章关键写了磨削工艺参数磨粒粒径、砂轮进给速度和砂轮线速度对轴向磨削力影响。从试验结果能够看出，在砂轮进给速度和砂轮线速度一定时，磨粒粒径越小，砂轮轴向磨削力越小；在砂轮型号和砂轮线速度一定时，砂轮进给速度越大，砂轮轴向磨削力越大；在砂轮型号和砂轮进给速度一定时，砂轮线速度越大，砂轮轴向磨削力越小。在其它磨削条件相同情况下，轴向磨削力随砂轮进给速度增大而增大，但并不成百分比地增大；随砂轮线速度增大而减小，但趋势逐步变缓。
从本章节试验数据能够看出，磨削工艺参数对磨削力影响情况是不一样，其中砂轮进给速度对磨削力影响最大，从磨削力角正回归建模中也能够分析出，在#600砂轮磨削力经验公式中，砂轮进给速度指数绝对值是0.47，线速度指数绝对值是0.13，0.47>0.13；在#砂轮磨削力经验公式中，砂轮进给速度指数绝对值是0.41，线速度指数绝对值是0.26,0.41>0.26。所以，砂轮进给速度对磨削力影响比砂轮线速度对磨削力影响大，也就是说减小砂轮进给速度能大大地降低磨削力。本文还写了磨削力经验公式，不过磨削过程是一个十分复杂过程，影响原因很多，本文所得经验公式也只是在既定磨削条件下得出，在生产实践过程中若条件改变，可依据具体情况进行一定修正。
4 磨削参数对硅片表面质量影响试验研究
4.1 磨削工艺参数对磨削后硅片表面粗糙度影响
4.1.1磨粒粒径对硅片表面粗糙度影响
本文采取两种不一样砂轮型号，分别为#600和#，分析这两种砂轮对硅片表面粗糙度影响。使用Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪来测量硅片表面粗糙度，砂轮转速为1000r/min，砂轮进给速度为10µm/min。
在做试验时，因为有太多数据和图片，不可能全部放出来，先选择两张图片作直观比较。

图4.1 型号#600，转速1000r/min，进给速度10µm/min

图4.2 型号#，转速1000r/min，进给速度10µm/min
在试验中，因为系统误差和偶然误差，还有硅片表面粗糙度不一样位置会有所不一样，得到数据有可能相差很大。所以不可能使用全部数据，要剔除误差较大部分，现在分别选择试验中#600和#4张图片，并从中能够得到试验数据，试验数据以下表所表示：
表4.1 #600和#砂轮对硅片表面粗糙度影响
砂轮型号
表面粗糙度Ra
平均值
#600
0.3159
0.3103
0.2987
0.2971
0.3284
#
0.1095
0.1038
0.1018
0.0997
0.1040
试验结果如表4.1所表示，砂轮磨粒粒度小，磨削硅片时，其表面粗糙度也小。粒径越小，沟槽宽度越小，深度也越低，磨纹密度增加，单颗磨粒磨削力和挤压力变小，从而使硅片表面粗糙度也越低。
4.1.2砂轮进给速度对硅片表面粗糙度影响
使用Mahr表面粗糙度＆表面轮廓仪，从试验图片里选择3张图片，直观比较。型号为#600，转速为1000r/min。研究不一样进给速度对硅片表面粗糙度影响。

图4.3 型号#600，转速1000r/min，进给速度30µm/min

图4.4 型号#600，转速1000r/min，进给速度40µm/min

图4.5 型号#600，转速1000r/min，进给速度50µm/min
依据试验结果，能够得到多种进给速度下硅片表面粗糙度，求出它们平均值，画出下面砂轮进给速度和硅片表面粗糙度关系图。

图4.6 砂轮进给速度对磨削硅片表面粗糙度影响
从图4.6能够看出，在一定条件下，砂轮进给速度越大，硅片表面粗糙度也越大。这是因为砂轮进给速度增大，从而使得磨粒对硅片表面切削力和挤压力增大，单位时间内去除材料增多，损伤深度增加，从而使硅片表面粗糙度增大。
4.1.3砂轮转速对硅片表面粗糙度影响
在固定条件下，即型号为#600，进给速度为10µm/min，研究不一样砂轮转速对硅片表面粗糙度影响。试验结果图4.7所表示

图4.7 砂轮转速对硅片表面粗糙度影响
由图4.7能够知道，硅片表面粗糙度伴随砂轮转速增大而降低，这是因为砂轮转速增大时，单位时间内参与磨削有效磨粒数增加，单颗磨粒最大切削厚度降低，从而使表面粗糙度降低。
4.2 磨削参数对磨削后硅片表面形貌影响
4.2.1磨粒粒径对硅片表面形貌影响

图4.8 硅片表面形貌（型号#600，转速1000r/min，进给速度20µm/min）

图4.9 硅片表面形貌（型号#，转速1000r/min，进给速度20µm/min）
从图4.8和图4.9能够看出，不一样粒度砂轮磨削硅片表面形貌特征也不一样。从图4.8硅片磨削表面显著看出硅材料有脆性断裂痕迹，而图4.9砂轮磨削硅片表面脆性断裂就变得不显著，极有可能塑性断裂在材料去除中占了主导地位。图4.8硅片表面形貌凹坑数量和大小全部比图4.9凹坑要多要大，还有图4.8硅片表面裂痕百分比比图4.9裂痕百分比要大，这是因为在相同砂轮转速和砂轮进给速度条件下，磨粒粒径大，磨削时作用在硅片表面磨削力较大，使得凹坑和裂痕全部比较多；图4.8磨纹宽度比图4.8磨纹宽度要大。
从试验结果分析可知，伴随砂轮粒度减小，表面磨纹宽度及深度减小，磨纹分布也越来越密，凹坑降低，得到硅片表面形貌越好。
4.2.2砂轮进给速度对硅片表面形貌影响

图4.10 硅片表面形貌（型号#600，转速1000r/min，进给速度10µm/min）
从图4.10能够看出，硅片表面质量很好，凹坑数量和沟槽数量比较少，破裂裂痕百分比也较少，脆性断裂痕迹不是很显著。

图4.11 硅片表面形貌（型号#600，转速1000r/min，进给速度30µm/min）
从图4.11能够看出，硅片表面凹坑数量较多，磨纹也较多，裂痕百分比比图10要大，脆性断裂痕迹比较显著。

图4.12 硅片表面形貌（型号#600，转速1000r/min，进给速度50µm/min）
从图4.12能够看出，硅片表面凹坑数量很多，有显