论文摘要
单晶硅是集成电路（IC）制造过程中最常用的衬底材料,单晶硅的表面质量直接影响着器件的性能、成品率以及芯片寿命。随着单晶硅尺寸的增大及特征尺寸的不断缩小,新的硅片高效超精密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纳米磨削技术正逐步成为空白硅片平整化和图形硅片背面减薄的主流加工技术。然而,纳米磨削加工会不可避免地给硅片引起表面层微裂纹损伤,该损伤会影响后续抛光工序的抛光去除量、增大超薄硅片在夹持、搬运、划片时碎裂的风险。目前,对单晶硅磨削表面层微裂纹损伤的研究还不完善,深入研究单晶硅纳米磨削表面微裂纹损伤机理对最终实现硅片的高效率、高精度、无损伤、超光滑表面的加工有着重要的指导意义。本文在深入分析单晶硅加工表面微裂纹损伤的研究现状及存在问题的基础上,对单晶硅纳米磨削加工表面微裂纹损伤、主要对摩擦裂纹进行了深入研究。首先通过磨削实验,研究了单晶硅纳米磨削过程表面微裂纹的类型及其特征,发现摩擦裂纹是单晶硅纳米磨削过程中普遍存在的一种典型微裂纹,与中位裂纹、侧向裂纹一样,是单晶硅纳米磨削过程表面微裂纹的主要形式。其次通过单颗磨粒磨削试验,研究了磨粒尺寸、单晶硅晶面及晶向、磨粒切削深度对单晶硅表面摩擦裂纹的影响,研究结果表明:单晶硅{100}、{111}晶面上纳米磨削过程中的摩擦裂纹形态取决于切削方向、磨料尺寸和切削深度,与单晶硅的晶面与晶向无关。另外通过Al2O3、金刚石等不同磨粒进行了单颗磨粒磨削试验,对单晶硅摩擦裂纹产生直至最后消失的整个变化过程进行了研究,研究了磨粒切削深度对摩擦裂纹的影响,得出单晶硅表面摩擦裂纹产生的磨粒临界切削深度。试验研究发现当磨粒切削深度减小到6nm左右,摩擦裂纹才可能会最终消失。这表明,针对摩擦裂纹而言,通过控制磨削过程中磨粒的切削深度在6nm以下时,实现纯粹的延性域磨削是可行的。最后通过不同磨粒的磨削试验,研究了磨粒与单晶硅接触面应力分布与摩擦裂纹的扩展机理,分析了不同磨粒磨削过程单晶硅表面摩擦裂纹扩展与划痕深度的变化关系,分析了磨粒切削深度与划痕宽度的变化关系,确定了各种参数条件下摩擦裂纹的去除条件,研究结果能为实现单晶硅的塑性去除磨削提供理论依据。