采用冰冻磨具的硅片塑性模态加工机理及工艺研究

论文摘要

集成电路（IC）所用材料主要有硅、锗和砷化镓等,但目前单晶硅的使用占据全球IC生产的90%以上。硅材料是典型的脆性难加工材料,随着IC技术向着大尺寸化方向发展,对高表面质量的硅片加工技术提出了越来越严峻的挑战。基于这一背景,本论文提出采用冰冻固结磨具进行硅片的塑性模态加工新技术,开展了硅片塑性模态加工机理、冰冻固结磨具的制备以及抛光工艺等方面的研究,对所提新技术的应用进行了积极的探索。本文的主要工作和取得的成果如下:1.设计制作了用于低温硬度实验用的低温实验台,对单晶硅片进行了高温、低温以及常温下的维氏显微硬度实验,获得了单晶硅的硬度值、压痕裂纹长度值随温度变化和压痕载荷变化的趋势。2.设计制作了用于冰冻固结磨具制备的模具,对冰冻固结磨具的制备工艺开展了实验研究,总结了其制备步骤;针对冰冻固结磨具冻结过程中出现的气泡、裂纹、磨料沉降等问题提出了相应的解决办法,成功地制备出磨料均匀分布的纳米SiO2和Al2O3冰冻固结磨具。3.建立了冰冻固结磨具抛光硅片时单颗磨粒和多颗磨粒的运动轨迹模型,推导出了单颗磨粒和多颗磨粒的抛光轨迹方程;仿真分析了偏心距、磨具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,为预测表面粗糙度提供了基础。4.设计制作了用于低温抛光的工件盘,搭建了低温抛光实验环境,采用原子力显微镜分析比较了纳米SiO2和Al2O3冰冻固结磨具对硅片的抛光效果,包括表面微观形貌和表面粗糙度。结果表明,纳米SiO2比纳米Al2O3具有更好的抛光效果,抛光60min后,可以将表面粗糙度从Ra0.98nm降到Ra0.40nm以下,但工件中心部位和边缘部位的粗糙度存在不均匀现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.2 脆性材料塑性模态加工技术的研究现状
• 1.3 低温切削加工技术的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 硅片塑性模态抛光机理的研究
• 2.1 硅片抛光模型
• 2.2 低温抛光硅片塑性模态表面形成机理
• 2.3 温度对单晶硅断裂性能的影响
• 2.3.1 显微压痕低温实验台及其制冷原理
• 2.3.2 单晶硅显微硬度
• 2.3.3 单晶硅裂纹长度
• 2.3.4 单晶硅断裂韧性
• 2.4 硅片加工脆塑转变机理
• 2.5 本章小结
• 第三章 抛光加工中冰冻固结磨具与工件间的相对运动分析
• 3.1 冰冻磨具抛光运动轨迹理论分析
• 3.2 冰冻磨具抛光运动轨迹仿真
• 3.2.1 冰冻磨具单颗磨粒抛光运动轨迹
• 3.2.2 冰冻磨具多颗磨粒抛光运动轨迹
• 3.3 冰冻磨具抛光运动轨迹对硅片表面质量的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 低温抛光设备及抛光工具的制备
• 4.1 抛光设备
• 4.2 冰冻固结磨具的制备
• 4.2.1 冻冰模具的结构设计
• 4.2.2 冻冰模具材料的选择
• 4.2.3 水和冰的特性
• 4.2.4 冰冻磨具的制备工艺
• 4.3 工件盘的制备
• 4.3.1 工件盘模具的结构设计
• 4.3.2 工件盘材料的选择
• 4.4 硅片抛光低温环境的设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 单晶硅片的低温抛光实验研究
• 5.1 冰冻磨具表面的预抛光
• 5.2 硅片工件的固定
• 5.3 抛光后硅片的表面处理
• 5.4 冰冻磨具低温抛光实验
• 5.4.1 抛光后硅片表面粗糙度的均匀性分析
• 5.4.2 磨料种类对表面粗糙度的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间的研究成果及发表的学术论文