硅片延性域磨削机理研究

硅片延性域磨削机理研究

论文摘要

单晶硅片是制造集成电路时必须采用的衬底材料,在硅片上经过氧化、扩散、沉积、光刻、蚀刻、CMP、多层布线等一系列制程生长出数以亿计的电路器件,然后经过测试、晶片切割/贴片、打线、包装,才能得到一般常见的芯片组件,进而装配到微电子产品上。随着IC制造技术的飞速发展,特征线宽越来越细;为增加芯片产量并降低制造成本,所用的硅片越来越趋向大直径化。为了适应IC制造的要求,对单晶硅抛光片的要求越来越高,包括物理尺寸、平整度、表面粗糙度、纳米形貌、含氧量、晶体完整性和体电阻等指标。为了提高加工质量、降低制造成本,对直径300mm、450mm的硅片的制备需要采用新的、不同于现有传统加工方式的加工技术。延性域磨削是近十几年发展起来的新技术,硅片的延性域磨削被认为是硅片平整化和硅片薄化最有前途的加工技术,然而实现延性域磨削极其困难,因为延性域磨削实现的前提条件是磨粒的切削深度小于临界切削深度。目前,人们对硅片磨削过程中单晶硅的脆性——延性转变的特征、条件,临界切削深度,延性域磨削的材料去除机理以及表面形成机理的认知非常有限,还没有确定延性域磨削实现的边界条件,这严重阻碍了硅片延性域磨削技术的进一步发展和推广应用,深入研究硅片延性域磨削机理对于硅片的加工乃至整个半导体制造业具有十分重要的意义。 首先通过单颗磨粒磨削实验,对单晶硅的脆性——延性转变进行了研究,分析了磨粒刃尖形状、晶体方向对单晶硅脆性转变的影响;对单晶硅的临界切削深度进行了研究,得出了单晶硅临界切削深度;通过磨削实验得出了3000#砂轮磨削硅片时磨粒的临界切削深度。 采用基于扫描白光干涉原理的三维表面轮廓仪对砂轮表面形貌、磨粒切削深度进行了测量,得出了磨粒的出刃高度、静态有效磨粒密度、未变形切屑宽高比、磨粒刃圆半径等参数;对硅片磨削过程的磨粒切削深度进行了分析,建立了硅片自旋转磨削方法的磨粒切削深度模型,并进行了实验验证;建立了硅片自旋转磨削方法的砂轮临界切削深度模型。 提出了基于扫描白光干涉原理或移相干涉原理的三维表面轮廓仪对硅片延性域磨削是否实现进行评定的光学轮廓仪法。提出了改进的角度抛光方法,根据此方法,可以准确地测量硅片由研磨、磨削引起的亚表面裂纹,其能够测量的最小损伤深度为几百纳米,通过改进的角度抛光法能够定量地对磨削后的硅片的亚表面裂纹进行评定,从而判断是否实现了延性域磨削。 对基于“运动复印原理”的、能够实现延性域磨削的硅片磨床需要具备的刚度、运

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 选题的科学依据
  • 1.1.1 课题的提出
  • 1.1.2 课题的来源
  • 1.2 课题的研究目的与意义
  • 1.3 纳米磨削技术在集成电路制造中的应用
  • 1.3.1 纳米磨削技术在硅片制备中的应用
  • ① 半导体制造技术的发展趋势及对硅单晶抛光片的要求
  • ② 磨削技术在硅片制备过程中的应用
  • ③ 硅片制备技术的发展趋势
  • 1.3.2 纳米磨削技术的硅片背面减薄中的应用
  • 1.4 硅片纳米磨削技术的研究现状
  • 1.4.1 硅片平整度的研究
  • 1.4.2 磨削硅片亚表面损伤研究
  • 1.4.3 纳米硅片磨床的研制
  • 1.4.4 硅片的延性域磨削机理研究
  • ① 脆性——延性转变的力学原理
  • ② 硅片延性域磨削的材料去除机理
  • ③ 硅片延性域磨削的临界切削深度研究
  • 1.5 本文的主要研究工作
  • 2 单晶硅的脆性——延性转变及临界切削深度研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 单颗磨粒磨削实验方案的设计
  • 2.2.1 现有单颗磨粒磨削方法的缺点
  • 2.2.2 实验方案设计
  • 2.2.3 实验条件
  • 2.2.4 检测条件
  • 2.2.5 实验结果
  • 2.3 单晶硅超精密磨削过程中脆性——延性转变实验研究
  • 2.4 磨粒的尖端形状对单晶硅脆性——延性转变的影响
  • 2.5 单颗磨粒磨削的临界切削深度研究
  • 2.6 晶体方向对临界切削深度的影响
  • 2.7 硅片自旋转磨削的磨粒临界切削深度研究
  • 2.7.1 实验方法
  • 2.7.2 磨削条件与测量方法
  • 2.7.3 实验结果及分析
  • 2.8 本章小结
  • 3 硅片磨削过程中的磨粒切削深度研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 硅片自旋转磨削的砂轮形貌测量与评价
  • 3.2.1 砂轮磨粒粒径分布特点和砂轮表面形貌测量仪器的选择
  • 3.2.2 砂轮形貌的频谱分析与数字滤波
  • 3.2.3 细粒度金刚石砂轮形貌的测量
  • 3.2.4 磨粒的识别
  • 3.2.5 砂轮表面形貌的评价
  • 3.3 硅片自旋转磨削的磨粒切削深度、未变形切屑宽高比和磨粒刃圆半径分析
  • 3.3.1 磨削条件与测量方法
  • 3.3.2 实验结果与分析
  • 3.4 硅片自旋转磨削的磨粒切削深度模型
  • 3.4.1 硅片自旋转磨削几何学分析
  • 3.4.2 实验验证
  • 3.4.3 硅片自旋转磨削磨粒切削深度的特点
  • 3.5 硅片自旋转磨削临界磨削深度的研究
  • 3.6 硅片延性域磨削对磨床的要求
  • 3.7 本章小结
  • 4 延性域磨削实现的评定方法研究
  • 4.1 常用延性域磨削评定方法
  • 4.2 无损伤检测方法——基于扫描白光干涉原理的轮廓仪法
  • 4.3 改进的角度抛光法
  • 4.3.1 现有角度抛光法的缺点
  • 4.3.2 改进的角度抛光方法原理
  • 4.3.3 采用改进的角度抛光方法测量硅片亚表面损伤的主要步骤
  • 4.4.4 实验验证
  • 4.5 本章小结
  • 5 硅片纳米磨削表面完整性分析
  • 5.1 引言
  • 5.2 磨削条件与测量方法
  • 5.3 硅片纳米磨削表面形貌特征
  • 5.3.1 硅片纳米磨削表面的纹理方向
  • 5.3.2 硅片纳米磨削后的表面粗糙度
  • 5.3.3 硅片表面的纳米形貌
  • 5.4 硅片纳米磨削表面、亚表面损伤分布特点
  • 5.5 本章小结
  • 6 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表学术论文情况
  • 创新点摘要
  • 致谢
  • 大连理工大学学位论文版权使用授权书
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