冰凍固結磨料化學機械拋光單晶硅片的基礎研究.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磨料拋光墊對單晶硅片進行拋光的創(chuàng)新工藝，對單晶硅片脆塑轉變機理、冰凍固結磨料拋光墊的制備及其拋光機理與工藝開展

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變機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、擴展及特征，分析了溫度對單晶硅片脆塑轉變機理的影響，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”。
　　 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行了刻劃，分析了動態(tài)情況下單晶硅片的脆塑轉變過程，測得臨界載荷和臨界劃深分別為138.64 mN和54.63 nm，并對Bifnao 提出的脆塑轉變臨界壓深公式進行了修正。
　　 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。
　　 4. 研究了冰凍納米磨料拋光墊的制備方法和工藝設計制作了冰凍模具，采用梯度降溫、分層澆注和分層冷凍法制作了冰凍固結磨料拋光墊，利用熱壓法加工出了開槽型冰凍固結磨料拋光墊。
　　 5. 對冰凍固結磨料拋光墊拋光運動軌跡進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量的影響仿真分析了偏心距、冰凍拋光墊與工件的轉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。
　　 6. 對冰凍固結磨料拋光溫度場進行了仿真研究建立了冰凍固結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法和綜合平衡法進行了實驗設計，采用自制的冰凍固結磨料拋光墊對單晶硅片進行了拋光實驗，分析了各工藝參數(shù)（拋光壓力、主軸轉速、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. 研究了冰凍固結磨料拋光墊低溫拋光單晶硅片的機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