论文摘要
随着超大规模集成电路（ULSI）的发展,芯片的集成度越来越高,因此,对于其基底材料硅片的加工要求也越来越高,不仅要求获得纳米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度,而且还要保证其表面和亚表面无损伤。而单晶硅属于硬脆材料,在加工过程中极易发生脆性破坏,对获得高质量的表面带来很大困难。本文针对单晶硅片超精密加工中的困难,提出一种采用冰冻固结磨料抛光垫对单晶硅片进行抛光的创新工艺,对单晶硅片脆塑转变机理、冰冻固结磨料抛光垫的制备及其抛光机理与工艺开展深入研究,为该工艺的实用化开展积极探索。本文完成的主要工作和取得的成果如下:1.研究了不同温度下单晶硅片的脆塑转变机理采用维氏硬度计研究了单晶硅片在不同温度下的硬度和裂纹的产生、扩展及特征,分析了温度对单晶硅片脆塑转变机理的影响,研究发现:温度越低,载荷越小,裂纹的形成和扩展越慢;单晶硅片的硬度随载荷的增加而减小,存在“尺寸效应”。2.研究了单晶硅片塑性模态加工临界切深问题利用纳米压痕仪的LFM附件,在室温下对单晶硅片进行了刻划,分析了动态情况下单晶硅片的脆塑转变过程,测得临界载荷和临界划深分别为138.64 mN和54.63 nm,并对Bifnao提出的脆塑转变临界压深公式进行了修正。3.研究了水相体系纳米α-Al2O3、纳米CeO2悬浮液的分散性能在保持分散液的pH值一定的情况下,通过合理选用超声时间、分散剂种类和浓度,探讨了配制稳定的纳米α-Al2O3、纳米CeO2抛光液的最佳工艺条件,为开发性能优良的纳米α-Al2O3、纳米CeO2抛光液提供了理论指导。4.研究了冰冻纳米磨料抛光垫的制备方法和工艺设计制作了冰冻模具,采用梯度降温、分层浇注和分层冷冻法制作了冰冻固结磨料抛光垫,利用热压法加工出了开槽型冰冻固结磨料抛光垫。5.对冰冻固结磨料抛光垫抛光运动轨迹进行了理论分析和仿真,探讨了冰冻抛光垫抛光运动轨迹对硅片表面质量的影响仿真分析了偏心距、冰冻抛光垫与工件的转速比以及磨粒颗粒数等因素对抛光轨迹的影响,得出了相应的影响趋势,为解释单晶硅片表面粗糙度的变化提供了基础。6.对冰冻固结磨料抛光温度场进行了仿真研究建立了冰冻固结磨料抛光温度场有限元分析模型,通过实验验证了模型的可靠性;分析了压力、主轴转速、偏心距、抛光时间和环境温度对抛光区域温度的影响规律,得出了温度分布云图以及冰冻固结磨料抛光垫的平均融化速度,为合理选择抛光环境温度和加工工艺参数提供了理论依据。7.开展了冰冻固结磨料抛光垫低温抛光单晶硅片的工艺研究利用Taguchi法和综合平衡法进行了实验设计,采用自制的冰冻固结磨料抛光垫对单晶硅片进行了抛光实验,分析了各工艺参数（抛光压力、主轴转速、偏心距和抛光时间）对单晶硅片表面粗糙度和去除率的影响,探寻了冰冻固结磨料抛光垫抛光过程的最佳工艺参数,为该工艺的实用化开展了积极探索。8.研究了冰冻固结磨料抛光垫低温抛光单晶硅片的机理在宏观条件下研究了Al2O3、玛瑙对单晶硅摩擦磨损行为的影响,为单晶硅宏观摩擦学性能评价及其摩擦学和微细精密加工研究提供了实验基础;从微观摩擦学的角度,采用冰冻摩擦偶件,选用面-面接触,在低温下研究了摩擦偶件对单晶硅片摩擦磨损行为的影响,揭示了单晶硅片的低温抛光机理。分析认为,冰冻抛光属固结磨料化学机械抛光,简称IFA-CMP。
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摘要Abstract第一章 绪论1.1 引言1.2 硬脆材料塑性模态加工技术的研究现状1.3 超光滑表面抛光技术的研究现状1.3.1 化学机械抛光技术1.3.1.1 化学机械抛光过程的实验研究1.3.1.2 化学机械抛光去除机理的理论研究1.3.2 低温抛光技术1.4 研究目的、意义和研究内容1.4.1 目的与意义1.4.2 主要研究内容1.5 小结第二章 单晶硅片脆塑模态转变机理的研究2.1 引言2.2 不同温度下单晶硅片的脆塑转变机理2.2.1 实验装置与方法2.2.1.1 试样制备2.2.1.2 实验装置与方法2.2.2 结果分析与讨论2.2.2.1 压痕及压痕裂纹特征2.2.2.2 温度对单晶硅片硬度的影响2.3 连续刚度法研究单晶硅片的力学性能2.3.1 实验装置与方法2.3.1.1 试样制备2.3.1.2 实验装置与方法2.3.2 结果分析与讨论2.4 纳米划痕法研究单晶硅片的脆塑转变性能2.4.1 实验方法2.4.1.1 试样制备2.4.1.2 评价方法2.4.2 实验结果与分析2.4.2.1 断裂韧性2.4.2.2 纳米划擦性能2.4.2.3 临界切削深度模型2.5 小结203、CeO2颗粒的分散工艺研究'>第三章 纳米α-Al203、CeO2颗粒的分散工艺研究3.1 引言3.2 纳米粒子的分散技术3.2.1 纳米粒子的基本性质3.2.2 纳米颗粒在液相中的分散原理3.2.3 纳米颗粒的分散方法3.2.4 纳米颗粒液相分散性的评价方法2O3 在水相介质中的分散性能研究'>3.3 纳米α-Al2O3在水相介质中的分散性能研究3.3.1 实验方法2O3 的Zeta 电位测量'>3.3.1.1 水相介质中纳米α-Al2O3 的Zeta 电位测量3.3.1.2 分散剂最佳浓度和最佳超声时间的确定2O3 沉淀物的测量'>3.3.1.3 纳米α-Al2O3沉淀物的测量3.3.2 结果分析与讨论2O3 的Zeta 电位'>3.3.2.1 水相介质中纳米α-Al2O3 的Zeta 电位2O3 分散性的影响'>3.3.2.2 不同分散剂中超声分散时间对纳米α-Al2O3分散性的影响2O3 分散性的影响'>3.3.2.3 分散剂浓度对纳米α-Al2O3分散性的影响2 在水相介质中的分散性能研究'>3.4 纳米CeO2在水相介质中的分散性能研究3.4.1 实验3.4.1.1 实验材料及仪器3.4.1.2 实验方法3.4.2 结果分析与讨论2 的Zeta 电位'>3.4.2.1 水相介质中纳米CeO2 的Zeta 电位2分散性的影响'>3.4.2.2 不同分散剂中超声分散时间对纳米CeO2分散性的影响2 分散性的影响'>3.4.2.3 分散剂浓度对纳米CeO2分散性的影响3.5 小结第四章 低温抛光设备及抛光工具的制备4.1 引言4.2 抛光设备4.3 冰冻固结磨料抛光垫的制备4.3.1 冻冰模具的设计4.3.2 水和冰的特性4.3.3 冰冻固结磨料抛光垫的制备工艺4.3.3.1 无沟槽型冰冻固结磨料抛光垫的制备工艺4.3.3.2 沟槽型冰冻固结磨料抛光垫的制备工艺4.3.4 冰冻固结磨料抛光垫的性能表征4.3.4.1 里氏硬度计的测试原理4.3.4.2 实验方法与装置4.3.4.3 结果与分析4.4 工件盘的制备4.4.1 工件盘的结构设计4.4.2 工件盘材料的选择4.5 小结第五章 冰冻固结磨料抛光运动轨迹及温度场仿真5.1 引言5.2 冰冻固结磨料抛光运动轨迹仿真5.2.1 冰冻固结磨料抛光运动轨迹理论分析5.2.2 冰冻抛光垫单颗磨粒抛光运动轨迹5.2.2.1 偏心距e 不同时冰冻抛光垫上单颗磨粒抛光运动轨迹5.2.2.2 抛光垫转速不同时冰冻抛光垫上单颗磨粒抛光运动轨迹5.2.3 冰冻抛光垫多颗磨粒抛光运动轨迹5.2.4 冰冻抛光垫抛光运动轨迹对硅片表面质量的影响5.3 冰冻固结磨料抛光温度场仿真5.3.1 冰冻固结磨料抛光温度场有限元模拟5.3.1.1 冰冻固结磨料抛光温度场有限元模型的建立5.3.1.2 冰冻固结磨料抛光温度场计算流程5.3.2 温度测量系统5.3.3 冰冻固结磨料抛光温度场计算结果与分析5.3.3.1 冰冻固结磨料抛光温度场的计算值与实测值的比较5.3.3.2 不同环境温度下抛光时间对冰冻固结磨料抛光温度场的影响5.3.3.3 抛光压力对冰冻固结磨料抛光温度场的影响5.3.3.4 主轴转速对冰冻固结磨料抛光温度场的影响5.3.3.5 偏心距对冰冻固结磨料抛光温度场的影响5.4 小结第六章 冰冻固结磨料化学机械抛光单晶硅片的工艺研究6.1 引言6.2 冰冻固结磨料化学机械抛光单晶硅片的工艺过程6.2.1 单晶硅片的粘结工艺6.2.2 单晶硅片的预加工6.2.3 冰冻抛光垫表面的预抛光6.2.4 抛光后硅片的表面处理6.3 单晶硅片的表面形貌表征方法6.3.1 检测仪器的选择6.3.1.1 ADE 非接触表面形貌仪6.3.1.2 原子力显微镜（AFM）6.3.2 采样区域6.4 材料去除率的测定6.5 冰冻固结磨料化学机械抛光单晶硅片的工艺研究6.5.1 抛光垫沟槽对抛光效果的影响6.5.1.1 抛光后硅片表面粗糙度的均匀性分析6.5.1.2 抛光垫沟槽对硅片抛光的去除率的影响6.5.2 不同冰冻抛光垫对已加工表面粗糙度和去除率的影响6.5.2.1 不同冰冻抛光垫对已加工表面粗糙度的影响6.5.2.2 不同冰冻抛光垫对去除率的影响6.5.3 单晶硅片低温抛光的工艺研究6.5.3.1 Taguchi 法6.5.3.2 综合平衡法6.6 小结第七章 冰冻固结磨料化学机械抛光单晶硅片的机理分析7.1 引言2O3 球和玛瑙球对单晶硅片宏观摩擦磨损行为的影响'>7.2 Al2O3球和玛瑙球对单晶硅片宏观摩擦磨损行为的影响7.2.1 实验装置与方法7.2.1.1 试样制备7.2.1.2 实验装置与方法7.2.2 结果分析与讨论7.2.2.1 单晶硅摩擦磨损性能7.2.2.2 单晶硅摩擦表面形貌分析7.3 冰冻摩擦偶件对单晶硅片摩擦行为的影响7.3.1 实验装置与方法7.3.1.1 试样制备7.3.1.2 实验装置与方法7.3.2 结果分析与讨论7.3.2.1 单晶硅片摩擦性能7.3.2.2 单晶硅片摩擦表面和断面表征7.3.2.3 单晶硅片与冰冻偶件的摩擦机理7.3.2.4 化学反应7.3.2.5 磨粒的机械作用7.4 小结第八章 结论与展望8.1 全文总结8.1.1 本文完成的主要工作8.1.2 本文的创新点8.2 展望参考文献致谢在学期间的研究成果及发表的学术论文
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