【正文】 工工藝均采用傳統(tǒng)的研磨、腐蝕工藝，而基于自旋轉(zhuǎn)磨削原理的超精密磨削技術(shù)尚沒有掌握。并且國內(nèi)半導(dǎo)體材料企業(yè)的半導(dǎo)體制造設(shè)備絕大部分是從國外直接進口的成套生產(chǎn)線。從而導(dǎo)致了我國半導(dǎo)體設(shè)備市場成為進口成套設(shè)備占絕大部分市場份額的局面，從市場乃至技術(shù)完全控制在旁人手中，甚至連最基本的零部件和消耗材料幾乎都依賴進口。但是，發(fā)達國家和跨國公司嚴(yán)格限制向我國出口直徑300mm以上最先進的硅片超精密加工技術(shù)和設(shè)備。大連理工大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所對單晶硅等硬脆材料的超精密加工技術(shù)開展了大量的研究工作，目前正在承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重大項目和國家“863”計劃項目，對大直徑硅片超精密磨削加工的理論和關(guān)鍵技術(shù)展開系統(tǒng)研究。隨著IC設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展與進步，芯片的密度呈指數(shù)增長趨勢，這是硅片直徑增大的主要驅(qū)動力。現(xiàn)在300mm硅片是主流產(chǎn)品，正在向450mm硅片發(fā)展，預(yù)計到2013年將采用直徑450mm的硅片。研究表明，采用450mm的硅片比300mm的硅片生產(chǎn)的芯片成本低很多。對微利的DRAM廠商無疑是具有極大的誘惑力。隨著新一代器件的研發(fā)，下一代大硅片的研發(fā)勢在必行。此外，隨著高新技術(shù)的日新月異，給IC提高其附加值提供了大好機會，這又極大推動全球各大生產(chǎn)廠家達大硅片的開發(fā)和生產(chǎn)。早期用于硅片加工的磨床由普通平面磨床改裝而成，主要使用平行砂輪磨削硅片。在使用平行砂輪磨削硅片時，由于砂輪寬度有限，必須進行橫向進給磨削，這就導(dǎo)致磨削精度和磨削效率較低。早期還有使用傳統(tǒng)的硅片加工工藝，在采用內(nèi)圓金剛石鋸片切割工藝切割的硅片會產(chǎn)生較大的翹曲變形，最大翹曲量達37μm，硅片表面還會殘留切痕和微裂紋，損傷層深度可達10～50μm；在研磨腐蝕拋光過程中，游離磨料研磨的加工效率較低，研磨硅片表面粗糙度達不到要求，硅片表面仍殘留4～8μm的損傷層；而腐蝕去除損傷層的過程中腐蝕率難以穩(wěn)定控制，會影響研磨后硅片的面型精度，這勢必增加最終化學(xué)機械拋光加工的時間。因此，應(yīng)用傳統(tǒng)工藝進行硅片的批量生產(chǎn)時，存在難以保證高的面型精度，加工效率低，控制難度大，不易實現(xiàn)自動化等公認(rèn)的缺點。另外，這種工藝過程中大量使用的腐蝕化學(xué)試劑、研磨拋光液以及清洗液還存在污染環(huán)境問題。目前，硅片磨削廣泛采用基于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削原理的超精密磨床。其采用略大于硅片尺寸的轉(zhuǎn)臺，硅片的中心與轉(zhuǎn)臺的中心重合，杯型砂輪的工作面調(diào)整到硅片的中心位置，磨削時，硅片和砂輪繞各自的軸線回轉(zhuǎn)，砂輪只是相對于硅片進行軸向進給。由于是杯型砂輪單純切入磨削，砂輪的接觸長度、接觸面積、切入角固定不變，因此，加工余量可以不受限制，磨削力可以保持恒定，從原理上可以實現(xiàn)面型精度的主動控制，改善硅片面型精度。還有通過調(diào)整加工參數(shù)，可以在粗磨時實現(xiàn)硅片高效磨削，迅速去除加工余量；在精磨時實現(xiàn)硅片的延性域磨削，減少硅片表面損傷，即可以提高加工效率，也可以保證工件的表面質(zhì)量。其次，砂輪轉(zhuǎn)速遠高于硅片轉(zhuǎn)速，因此砂輪磨削對硅片平整度的影響很小。再次，硅片自旋轉(zhuǎn)磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，容易實現(xiàn)多工位集成，甚至可以和拋光裝置集成為一體，實現(xiàn)磨削拋光一體化。最后，硅片自旋轉(zhuǎn)磨床磨削硅片時，被加工硅片始終有一半處于砂輪外面，因此易于實現(xiàn)硅片的在線厚度與表面質(zhì)量的檢測與控制。正是由于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削可以克服普通端面磨削的缺點，實現(xiàn)高精度高效率的延性域磨削。于是越來越多的人致力于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削加工的研究，硅片自旋轉(zhuǎn)磨削加工正逐步替代傳統(tǒng)的研磨和端面磨削加工，成為硅片超精密磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢。 硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的原理硅片自旋轉(zhuǎn)磨削時，硅片固定在尺寸略大于硅片的真空吸盤上，并隨吸盤一起繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，杯型砂輪繞其主軸旋轉(zhuǎn)并沿軸向進給，（a）所示。自旋轉(zhuǎn)磨削加工過程中。當(dāng)砂輪主軸與吸盤主軸平行時，理論上砂輪與硅片之間的全接觸磨削面積或弧長，（b）所示；當(dāng)是在實際磨削過程中，為了減小磨削力和減小磨削熱，通常有意調(diào)整砂輪主軸與吸盤主軸之間的角度，產(chǎn)生一個微傾角使砂輪和硅片實現(xiàn)半接觸磨削，（c）所示。 硅片自旋轉(zhuǎn)磨削加工原理圖自旋轉(zhuǎn)磨削硅片時，砂輪每轉(zhuǎn)磨削深度t與砂輪軸向進給速度f和硅片轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：t=f/n （1）根據(jù)（1）式，對給定的砂輪軸向進給速度f，提高硅片轉(zhuǎn)速n，可以減小磨削深度。對于一些超精密磨床，其砂輪軸向進給速度可以控制在1μm /min以內(nèi)，如果硅片轉(zhuǎn)速為200rpm，可以實現(xiàn)微量切深的延性域磨削。若再保持與傳統(tǒng)的往復(fù)平面磨削相同的磨削深度磨削時，可以通過大幅度提高砂輪進給速度，增大材料去除率，從而實現(xiàn)高效磨削。 本文研究的主要內(nèi)容隨著半導(dǎo)體和光電子元器件加工質(zhì)量、精度、和加工效率的不斷提高，采用杯型金剛石砂輪的硅片自旋轉(zhuǎn)磨削加工單晶硅片的方法被認(rèn)為是超精密磨削硅片的理想工藝，并廣泛應(yīng)用于硅片背面減薄中。本課題研究基于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削的原理，系統(tǒng)的研究影響硅片自旋轉(zhuǎn)磨削過程中的工藝規(guī)律，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供依據(jù)。2 硅片自旋轉(zhuǎn)磨削加工的實驗設(shè)計 實驗設(shè)備的介紹隨著高精度、高硬度機械零件數(shù)量的增加，以及精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，磨床的性能、品種和產(chǎn)量都在不斷的提高和增長，從而磨床的分類也分為許多種：(1)外圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形外表面的磨床。(2)內(nèi)圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形內(nèi)表面的磨床。此外，還有兼具內(nèi)外圓磨的磨床。(3)座標(biāo)磨床：具有精密座標(biāo)定位裝置的內(nèi)圓磨床。(4)無心磨床：工件采用無心夾持，一般支承在導(dǎo)輪和托架之間，由導(dǎo)輪驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)，主要用于磨削圓柱形表面的磨床。例如軸承軸支等。(5)平面磨床：主要用于磨削工件平面的磨床。(6)砂帶磨床：用快速運動的砂帶進行磨削的磨床。(7)珩磨機：用于珩磨工件各種表面的磨床。(8)研磨機：用于研磨工件平面或圓柱形內(nèi)，外表面的磨床。(9)導(dǎo)軌磨床：主要用于磨削機床導(dǎo)軌面的磨床。(10)工具磨床：用于磨削工具的磨床。(11)多用磨床：用于磨削圓柱、圓錐形內(nèi)、外表面或平面，并能用隨動裝置及附件磨削多種工件的磨床。(12)專用磨床：從事對某類零件進行磨削的專用機床。本試驗的設(shè)備主要是改裝后的磨床，其性能符合本實驗要求。 工件的介紹 硅是最重要的半導(dǎo)體材料，硅屬元素周期表第三周期Ⅳ族，原子序數(shù)14，熔點是1412℃，硅的工作溫度比較高，可達250℃。硅的表面能自然生長氧化硅(Si02)鈍化層，該層可作為集成電路器件的保護層。另外，硅的臨界切應(yīng)力較大，一旦達到無位錯狀態(tài)后在生長過程中不容易出現(xiàn)位錯，是少數(shù)能得到無位錯單晶的材料之一。硅單晶屬脆性材料，在室溫下無延展性，但當(dāng)溫度高于700C時，硅單晶具有彈塑性，其內(nèi)部存在的位錯開始移動或攀移，在應(yīng)力作用下會呈現(xiàn)塑性變形。在950℃～1400℃溫度范圍內(nèi)硅的抗拉強度由約3．5108 Pa下降到1108 Pa。硅的抗拉應(yīng)力遠大于抗剪應(yīng)力，所以硅片容易碎裂。，單晶硅的Peierls勢壘很大，使位錯難以在常溫下滑移，造成了其硬度很高，但韌性差的特點。表中，為位錯芯處的鍵能，為Peierls剪切應(yīng)力，為Peierls勢壘對硬度的作用，為壓痕硬度，+為晶體的表現(xiàn)硬度，為單晶硅實驗硬度。 單晶硅的Peierls應(yīng)力和實驗硬度(eV)(kg/m)(kg/m)(kg/m)+(kg/m)(kg/m)Si3430286109813841370，雖然硅的抗拉和剪切性能比同類其它半導(dǎo)體材料要好，但與其它種類的材料相比，其力學(xué)性能趨向于脆性材料。 單晶硅的力學(xué)特性特性參數(shù)單晶硅密度/（25℃）硬度（Knoop）~彈性常數(shù)楊氏模量泊松比斷裂韌性 本試驗采用的硅片直徑為42mm的單晶硅片。 砂輪的選擇砂輪是用磨料和結(jié)合劑混合經(jīng)壓坯、干燥、焙燒而制成的，疏松的盤狀、輪狀等各種形狀的磨具。要選擇砂輪，就必須先選擇磨料和結(jié)合劑。磨料的分類分為普通磨料和超硬磨料兩大類。這兩大類中又分為天然與人造，天然普通磨料有天然剛玉、石榴石和金剛砂；人造普通磨料分為剛玉和碳化硅，剛玉有棕剛玉、白剛玉、黑剛玉、鋯剛玉、鉻剛玉、單晶剛玉、微晶剛玉，碳化硅有綠碳化硅、黑碳化硅、立方碳化硅、碳化硼；天然超硬磨料有金剛石；人造超硬磨料有人造金剛石和立方碳化硼。金剛石磨料具有硬度高、抗壓強度高、耐磨性好的特性，使金剛石磨具在磨削加工中成為磨削硬脆材料及硬質(zhì)合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用壽命長，同時還可改善勞動條件。因此廣泛用于普通磨具難于加工的低鐵