硅片自旋转磨削工艺规律研究模板.doc

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。AbstractSilicon 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11.1 序言11.2硅片超精密磨削现实状况11.2.1国外现实状况11.2.2中国现实状况21.3硅片超精密磨削发展趋势31.4 硅片自旋转磨削原理41.5 本文研究关键内容52 硅片自旋转磨削加工试验设计62.1 试验设备介绍62.2 工件介绍62.3 砂轮选择82.4 工艺参数选择92.4.1砂轮轴向进给速度92.4.2砂轮转速102.5 检测方法和设备102.6 本章小结123 磨削参数对磨削力影响试验研究133.1 磨削工艺参数对磨削力影响133.1.1磨粒粒径对磨削力影响133.1.2砂轮进给速度对磨削力影响133.1.3砂轮转速对磨削力影响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影响试验研究174.1 磨削工艺参数对磨削后硅片表面粗糙度影响174.1.1磨粒粒径对硅片表面粗糙度影响174.1.2砂轮进给速度对硅片表面粗糙度影响184.1.3砂轮转速对硅片表面粗糙度影响204.2 磨削参数对磨削后硅片表面形貌影响204.2.1磨粒粒径对硅片表面形貌影响204.2.2砂轮进给速度对硅片表面形貌影响224.2.3砂轮转速对硅片表面形貌影响244.3 本章小结26结论27参考文件29致谢311 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300mm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1m和平面度0.2m/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1/31/10。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0.13；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0.26,0.410.26。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10m/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10m/min图4.2 型号#，转速1000r/min，进给速度10m/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#6000.31590.31030.29870.29710.3284#0.10950.10380.10180.09970.1040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30m/min图4.4 型号#600，转速1000r/min，进给速度40m/min图4.5 型号#600，转速1000r/min，进给速度50m/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10m/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20m/min）图4.9 硅片表面形貌（型号#，转速1000r/min，进给速度20m/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10m/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30m/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50m/min）从图4.12能够看出，硅片表面凹坑数量很多，有显