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铌酸锂晶体的研磨亚表面损伤深度

光学精密工程 2015年第12期23卷 3387-3394页

作者：朱楠楠朱永伟李军郑方志沈琦南京航空航天大学机电学院江苏省精密与微细制造技术重点实验室江苏南京210016

针对光学材料研磨过程引入的亚表面损伤层（SSD）深度对工件的抛光工序效率和表面质量的影响,探索了光学材料在研磨过程中的亚表面损伤规律。采用角度抛光的方法测量了软脆材料铌酸锂（LN）晶体的损伤层深度,分析了研磨方式、磨粒粒径... 详细信息

针对光学材料研磨过程引入的亚表面损伤层（SSD）深度对工件的抛光工序效率和表面质量的影响,探索了光学材料在研磨过程中的亚表面损伤规律。采用角度抛光的方法测量了软脆材料铌酸锂（LN）晶体的损伤层深度,分析了研磨方式、磨粒粒径和研磨压力对工件亚表面损伤层的影响规律。结果表明：研磨方式对损伤缺陷的影响最为显著,相同研磨条件下游离磨料研磨后的损伤层深度约为固结磨料研磨的3~4倍,游离磨料研磨后工件亚表面存在多处圆弧形裂纹,固结磨料研磨后主要显现细小裂纹和＂人＂字型裂纹;当磨粒粒径从W28下降到W14后,游离研磨的亚表面损伤层深度下降至原来的45%,而固结研磨的损伤层深度下降至30%;另外,研磨压力的降低有利于减小工件的亚表面损伤。该研究对LN晶体研磨方式及研磨工艺的选择具有指导意义。

关键词：软脆晶体铌酸锂晶体固结磨料研磨磨粒粒径亚表面损伤深度

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单晶硅片超精密磨削表面损伤层深度解析预测

单晶硅片超精密磨削表面损伤层深度解析预测

作者：林彬大连理工大学

学位级别：硕士

集成电路(Integrated Circuit,IC)芯片是电子信息领域的核心器件,是信息技术发展的基础。单晶硅作为IC芯片制造的主流导体衬底材料被广泛应用。单晶硅属于硬脆材料,通常采用线锯切割、超精密磨削、研磨以及抛光等方式进行加工。由于研... 详细信息

集成电路(Integrated Circuit,IC)芯片是电子信息领域的核心器件,是信息技术发展的基础。单晶硅作为IC芯片制造的主流导体衬底材料被广泛应用。单晶硅属于硬脆材料,通常采用线锯切割、超精密磨削、研磨以及抛光等方式进行加工。由于研磨和抛光等加工方法存在生产效率低,晶圆厚度均一性差等缺点,超精密磨削被认为是实现单晶硅衬底晶圆材料高效去除和高厚度均一性控制最适宜的方法。相较于普通端面磨削,工件旋转法磨削更是具有总厚度变化量(TTV)小、易实现延性域磨削和效率更高等优点,在当前集成电路制造领域被广泛采用。使用金刚石砂轮超精密磨削会不可避免地使工件材料产生表面/亚表面损伤,导致芯片强度下降,进而影响芯片的性能。因此,磨削损伤的预测和控制是超精密磨削的核心问题。磨粒切削深度决定了磨削损伤形式和深度,对其准确的预测有助于缩短磨削加工工艺优化周期、提高工件质量和减少加工成本。根据文献报道,采用现有工件旋转法磨削磨粒切削深度模型预测得到的表面粗糙度随着砂轮粒度的减小明显偏离磨削试验结果,得到的磨粒切深甚至已经不符合材料去除的基本物理原理。究其原因在于现有切削深度模型没有考虑磨粒刃圆半径、有效磨粒数、最小切削深度以及工件弹性回弹对于磨粒切削深度的影响。同时现有亚表面损伤深度理论模型基本上是针对有裂纹产生的脆性域去除阶段,缺少针对塑性域去除阶段的亚表面损伤理论预测模型。基于上述分析,本文的主要研究内容有:(1)基于工件旋转法磨削原理,综合考虑磨粒刃圆半径、有效磨粒数、最小切削深度以及工件弹性回弹,推导得到适用于材料塑性域去除的磨粒切削深度模型,并讨论各个参数对磨粒切削深度数值大小以及径向差异性的影响。(2)由于直接测量纳米级切屑十分困难,因此建立磨粒切削深度与工件表面粗糙度R之间的联系,通过对磨削表面粗糙度R进行测量,并与现存模型进行对比,证明本文提出的磨粒切深模型具有合理性。(3)通过磨粒切削深度模型得到划擦沟槽塑性变形区大小,并以磨削沟槽塑性区大小来表征超精密磨削亚表面缺陷深度。通过透射电子显微镜(TEM)测量得到磨削工件的亚表面损伤深度,以此来证明亚表面损伤理论预测模型的准确性。

关键词：超精密磨削磨粒切削深度有效刃圆半径最小切削厚度亚表面损伤深度

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超精密磨削硅片表层损伤检测的试验研究

超精密磨削硅片表层损伤检测的试验研究

作者：张胜利大连理工大学

学位级别：硕士

硅片表面的完整性是影响集成电路(IC)器件的性能、成品率以及寿命的重要因素,随着硅片直径的增大和IC线宽的减小,对硅片表层质量的要求日益增高。虽然硅片自旋转磨削被认为是目前加工大尺寸硅片最理想的超精密磨削方法,并已得到广泛的应... 详细信息

硅片表面的完整性是影响集成电路(IC)器件的性能、成品率以及寿命的重要因素,随着硅片直径的增大和IC线宽的减小,对硅片表层质量的要求日益增高。虽然硅片自旋转磨削被认为是目前加工大尺寸硅片最理想的超精密磨削方法,并已得到广泛的应用,但是在目前的技术条件下还不可避免地会给硅片带来表面/亚表面损伤,这个损伤层会直接影响下一道抛光工序的加工时间。但目前对此类损伤的产生机理、分析检测以及损伤层厚度的预测与控制等方面的研究还不够完善,难以实现大尺寸硅片的低损伤、高效率磨削。本文首先在综合对比分析现有的硬脆材料表面/亚表面损伤检测方法的基础上,通过大量的试验以及对一些检测方法的优化组合与改进等措施,得到了适用于检测硅片表面/亚表面损伤的具体方法,并针对不同损伤程度的硅片对检测技术的不同要求,建立了一套适用于不同损伤程度硅片的检测方法。在此基础上,通过在磨削硅片上有选择地取样,研究了磨削硅片亚表面损伤构形与表面磨纹方向之间的关系;通过设计和采用合理的检测试验方法,研究了采用自旋转磨削方式磨削硅片的亚表面损伤深度的分布规律,为后续硅片损伤检测试验研究的采样提供了指导。最后,通过几组单因素试验,研究了自旋转磨削方式下磨削参数与磨削硅片亚表面损伤深度之间的关系,得到了磨削参数对硅片亚表面损伤深度的影响规律以及影响程度,为磨削工艺参数的优化提供了有力的参考依据。

关键词：硅片自旋转磨削超精密磨削亚表面损伤深度

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超声波雾化施液技术抛光硅片的表层损伤研究

超声波雾化施液技术抛光硅片的表层损伤研究

作者：壮筱凯江南大学

学位级别：硕士

随着当今时代半导体工业的不断发展,硅单晶材料已经成为了半导体器件和集成电路中极为重要的基础功能材料,同时对硅片的表面质量要求也在不断提高。化学机械抛光(CMP)是目前实现硅片表面平整化的主流技术之一,但是传统CMP中存在着抛光... 详细信息

随着当今时代半导体工业的不断发展,硅单晶材料已经成为了半导体器件和集成电路中极为重要的基础功能材料,同时对硅片的表面质量要求也在不断提高。化学机械抛光(CMP)是目前实现硅片表面平整化的主流技术之一,但是传统CMP中存在着抛光液大量浪费、材料去除不一致、磨粒分布不均等弊端。针对上述传统CMP中存在的弊端,提出了超声波雾化施液抛光方法,极大节省了抛光液的消耗量并进一步提高了硅片的表面质量。然而由于抛光工艺本身的原因仍会不可避免地对硅片表层造成损伤,影响晶片的使用性能。因此有必要对雾化施液技术抛光硬脆晶体的表层损伤展开研究,进一步完善基于表面精度和质量要求的评价手段和检测方法。对雾化施液抛光过程中硅片的表层损伤形式进行了检测和分析。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等仪器对硅片的表面质量进行了定量和定性分析,发现研磨硅片经雾化施液抛光后表面粗糙度小于10nm,表面无划痕和破碎现象。运用化学腐蚀法、显微拉曼光谱法分别对硅片亚表面的微裂纹、位错和残余应力等损伤进行了分析和表征,发现微裂纹损伤随表面到亚表面深度的增加而愈加严重;硅片边沿处的位错密度要小于其他区域,未出现位错排和小角度晶界等严重缺陷,增大雾化器的功率能有效降低位错蚀坑的密度;硅片经雾化施液抛光后表面会引入残余拉应力,残余应力沿硅片对角线方向呈对称分布,从中心至边沿处逐渐增大。采用差动蚀刻速率法测量了研磨硅片经雾化施液抛光后的亚表面损伤深度,并在相同工艺参数下和传统CMP进行了对比,结果表明:在雾化施液CMP系统下,特种抛光液加工的硅片亚表面损伤深度(0.83μm)小于市购的SSP-L型抛光液(0.99μm);和传统CMP相比较时材料去除率稍低,但加工出的硅片损伤深度更小。对雾化施液技术抛光硅片表层损伤的产生机理进行了分析,认为损伤层主要由水解层、缺陷层、残余应力层构成。以亚表面损伤深度、表面粗糙度、材料去除率为综合评价指标,建立正交试验矩阵分析模型进行了抛光工艺参数的优化。分析出工艺参数对综合评价指标的影响主次顺序为雾化器电压、抛光压力、抛光垫转速,得到了工艺参数的最优组合方案为雾化器电压50V、抛光垫转速60r/min、抛光压力8psi,此时硅片的材料去除率为166.487 nm/min、亚表面损伤深度为0.83μm、表面粗糙度为4.9nm。设计单因素试验研究了工艺参数对亚表面损伤深度的影响规律,结果表明:增大雾化器的电压可以有效降低硅片的损伤深度,而抛光垫转速和抛光压力分别存在一个最佳的参数使得损伤深度达到最小。

关键词：化学机械抛光雾化施液硅片损伤检测亚表面损伤深度

超声磨削纳米氧化锆陶瓷表面亚表面微观特性研究

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超声磨削纳米氧化锆陶瓷表面亚表面微观特性研究

作者：吕乙凡河南理工大学

学位级别：硕士

纳米氧化锆陶瓷作为典型的硬脆材料,因具有良好的物理特性与力学性能被广泛应用于国防与生活中。由于脆性材料的高硬度、低韧性特点,对其加工过程中极易在工件表面及亚表面带来损伤,影响表面质量及使用寿命。超声磨削加工是将普通磨削... 详细信息

纳米氧化锆陶瓷作为典型的硬脆材料,因具有良好的物理特性与力学性能被广泛应用于国防与生活中。由于脆性材料的高硬度、低韧性特点,对其加工过程中极易在工件表面及亚表面带来损伤,影响表面质量及使用寿命。超声磨削加工是将普通磨削方法与超声振动复合的一种特种加工方式,因具有磨削力小、磨削温度低、加工表面质量好等优点,在硬脆材料的精密超精密加工中得到了广泛应用。本文主要研究了普通磨削、轴向超声磨削和切向超声磨削三种磨削方式下,纳米氧化锆陶瓷表面及亚表面微观特性。为此进行了以下工作:(1)根据超声磨削动力学特性,以单颗磨粒为研究对象,对轴向超声磨削和切向超声磨削的运动轨迹、切削特性及受力状态进行了理论分析。(2)分别对纳米氧化锆陶瓷进行普通刻划、轴向超声刻划、切向超声刻划试验,分析了加工工艺参数对三种刻划形式下刻划力和划痕沟槽形貌的影响趋势。结果表明,切削深度对刻划力和划痕形貌影响最大,随着切削深度的增大,三种刻划形式下工件刻划力均显著增大;超声振动的引入使得工件所受法向力明显减小,切向力和轴向力因超声振动方向的不同,有着不同的变化趋势;轴向超声刻划沟槽最宽,普通刻划次之,切向超声刻划沟槽最窄;切向超声刻划沟槽由于瞬时切深跳动较大,沟槽底部最不光滑;普通刻划时,划痕表面脆性断裂比例最大,出现了大块儿脱落现象。(3)根据压痕断裂力学理论,分析了硬脆材料表面粗糙度与亚表面损伤深度的关系,建立了三种磨削方式下的亚表面损伤深度模型,并进一步分析了加工工艺参数对亚表面损伤深度的影响。(4)分别对纳米氧化锆陶瓷进行了普通磨削、轴向超声磨削、切向超声磨削试验,研究了不同磨削形式下工艺参数对表面粗糙度和亚表面损伤深度的影响规律。结果表明,随着切削深度的增大,表面粗糙度和亚表面损伤深度均显著增大;与普通磨削相比,轴向超声磨削表面粗糙度降低了约20%5%,最大亚表面裂纹深度降低了约605%;切向超声磨削表面粗糙度降低了约10%0%,最大亚表面裂纹深度降低了约10%0%。

关键词：纳米氧化锆陶瓷超声刻划超声磨削亚表面损伤深度

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单晶蓝宝石基片集群磁流变抛光实验研究

单晶蓝宝石基片集群磁流变抛光实验研究

作者：陈刚西安工业大学

学位级别：硕士

单晶蓝宝石是一种综合性能优良的多功能晶体材料,广泛应用于各个领域,随着各领域产品性能的提高对单晶蓝宝石的加工要求也越来越高,要求加工后表面质量好并且无亚表面损伤,目前加工单晶蓝宝石的方法不同程度上均存在一定缺陷,集群磁流... 详细信息

单晶蓝宝石是一种综合性能优良的多功能晶体材料,广泛应用于各个领域,随着各领域产品性能的提高对单晶蓝宝石的加工要求也越来越高,要求加工后表面质量好并且无亚表面损伤,目前加工单晶蓝宝石的方法不同程度上均存在一定缺陷,集群磁流变抛光技术是一种光学表面平坦化抛光方法,具有其它超精密抛光方法不具有的优势,本文对单晶蓝宝石集群磁流变抛光工艺进行了系统研究,主要研究工作如下:1)结合传统抛光工艺的材料去除机理,分析了单晶蓝宝石集群磁流变抛光过程中的材料去除机理。基于磨削加工中的经验公式Preston方程建立了材料去除数学模型,由模型得出材料去除量与抛光参数之间的关系,通过实验验证了所建立模型的正确性,并总结出了抛光参数对材料去除量的影响规律。2)运用SolidWorks建模软件和Ansoft Maxwell三维磁场仿真软件对不同结构抛光盘、不同形状的磁极、不同排列方式磁极所产生的磁场进行了仿真分析。在此基础上,分析了磁场分布均匀性,磁感应强度的大小对抛光效果的影响。3)按照粗磨、精磨、粗抛、集群磁流变抛光的工艺流程进行实验,针对实验中存在的问题,优化了实验装置,改善了研磨液和抛光液配方,采用自制的粒径为70 nm的二氧化硅溶胶抛光液进行集群磁流变抛光工艺实验,研究了抛光液浓度、抛光液pH、抛光液温度对表面粗糙度的影响。实验结果表明,表面粗糙度下降速率随着磨料浓度的下降而下降,随着抛光液温度和pH值的增大先增大后减小,当抛光液磨料浓度为45%、pH=11、温度为36 ℃时表面粗糙度下降速率为1.65 nm/min,表面粗糙度值为0.8 nm。4)分析了亚表面损伤的形成机理,理论分析了集群磁流变抛光去除亚表面损伤的可行性,基于印压断裂理论,建立了亚表面损伤深度与抛光参数的关系模型,通过正交实验验证了模型的合理性以及研究了抛光参数对亚表面损伤深度的影响规律,实验结果表明,亚表面损伤深度随着抛光压力和磨粒粒径的增大而增大,抛光压力是决定是否产生亚表面损伤的关键因素,当磨粒粒径为280 nm,抛光压力为82 N时,抛光过程中不产生亚表面损伤,并且能够去除研磨中造成的亚表面损伤,经过100 min抛光亚表面损伤深度减小至0.9 nm。

关键词：单晶蓝宝石集群磁流变抛光材料去除量表面粗糙度亚表面损伤深度