冰凍固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光單晶硅片的基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著超大規(guī)模集成電路(ULSI)的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，因此，對于其基底材料硅片的加工要求也越來越高，不僅要求獲得納米級面型精度和亞納米級表面粗糙度，而且還要保證其表面和亞表面無損傷。而單晶硅屬于硬脆材料，在加工過程中極易發(fā)生脆性破壞，對獲得高質(zhì)量的表面帶來很大困難。本文針對單晶硅片超精密加工中的困難，提出一種采用冰凍固結(jié)磨料拋光墊對單晶硅片進(jìn)行拋光的創(chuàng)新工藝，對單晶硅片脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理、冰凍固結(jié)磨料拋光墊的制備及其拋光機(jī)理與工藝開展

2、深入研究，為該工藝的實用化開展積極探索。本文完成的主要工作和取得的成果如下：
　　 1. 研究了不同溫度下單晶硅片的脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理采用維氏硬度計研究了單晶硅片在不同溫度下的硬度和裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及特征，分析了溫度對單晶硅片脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理的影響，研究發(fā)現(xiàn)：溫度越低，載荷越小，裂紋的形成和擴(kuò)展越慢；單晶硅片的硬度隨載荷的增加而減小，存在“尺寸效應(yīng)”。
　　 2. 研究了單晶硅片塑性模態(tài)加工臨界切深問題利用納米壓痕儀的LFM 附件

3、，在室溫下對單晶硅片進(jìn)行了刻劃，分析了動態(tài)情況下單晶硅片的脆塑轉(zhuǎn)變過程，測得臨界載荷和臨界劃深分別為138.64 mN和54.63 nm，并對Bifnao 提出的脆塑轉(zhuǎn)變臨界壓深公式進(jìn)行了修正。
　　 3. 研究了水相體系納米α-Al2O3、納米CeO2 懸浮液的分散性能在保持分散液的pH 值一定的情況下，通過合理選用超聲時間、分散劑種類和濃度，探討了配制穩(wěn)定的納米α-Al2O3、納米CeO2 拋光液的最佳工藝條件，為開發(fā)性能優(yōu)

4、良的納米α-Al2O3、納米CeO2 拋光液提供了理論指導(dǎo)。
　　 4. 研究了冰凍納米磨料拋光墊的制備方法和工藝設(shè)計制作了冰凍模具，采用梯度降溫、分層澆注和分層冷凍法制作了冰凍固結(jié)磨料拋光墊，利用熱壓法加工出了開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊。
　　 5. 對冰凍固結(jié)磨料拋光墊拋光運動軌跡進(jìn)行了理論分析和仿真，探討了冰凍拋光墊拋光運動軌跡對硅片表面質(zhì)量的影響仿真分析了偏心距、冰凍拋光墊與工件的轉(zhuǎn)速比以及磨粒顆粒數(shù)等因素對拋光軌

5、跡的影響，得出了相應(yīng)的影響趨勢，為解釋單晶硅片表面粗糙度的變化提供了基礎(chǔ)。
　　 6. 對冰凍固結(jié)磨料拋光溫度場進(jìn)行了仿真研究建立了冰凍固結(jié)磨料拋光溫度場有限元分析模型，通過實驗驗證了模型的可靠性；分析了壓力、主軸轉(zhuǎn)速、偏心距、拋光時間和環(huán)境溫度對拋光區(qū)域溫度的影響規(guī)律，得出了溫度分布云圖以及冰凍固結(jié)磨料拋光墊的平均融化速度，為合理選擇拋光環(huán)境溫度和加工工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。
　　 7. 開展了冰凍固結(jié)磨料拋光墊低溫拋

6、光單晶硅片的工藝研究利用Taguchi法和綜合平衡法進(jìn)行了實驗設(shè)計，采用自制的冰凍固結(jié)磨料拋光墊對單晶硅片進(jìn)行了拋光實驗，分析了各工藝參數(shù)（拋光壓力、主軸轉(zhuǎn)速、偏心距和拋光時間）對單晶硅片表面粗糙度和去除率的影響，探尋了冰凍固結(jié)磨料拋光墊拋光過程的最佳工藝參數(shù)，為該工藝的實用化開展了積極探索。
　　 8. 研究了冰凍固結(jié)磨料拋光墊低溫拋光單晶硅片的機(jī)理在宏觀條件下研究了Al2O3、瑪瑙對單晶硅摩擦磨損行為的影響，為單晶硅宏觀摩擦