闫占辉
（长春工程学院机械工程系，长春１３００１２）
摘要：归纳总结了硅晶片的加工原理、加工方法和加工设备，分析了硅晶片超精密加工的研究现状，并对硅晶片超精密加工的发展趋势和今后的研究工作进行了展望。 关键词：硅晶片；超精密加工；集成电路
中图分类号：ＴＮ３０５文献标识码：Ａ文章编号：１００３－３５３ｘ（２００５）１１．００３１－０４
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１前言
硅是具有金刚石晶体结构，原子间以共价键结合的硬脆材料。其硬度达到１０００Ｈｖ，但断裂强度很低，超精密加工这样的硬脆材料有一定的难度。同时，硅又是一种很好的半导体材料，构成集成电路半导体晶片（芯片）的９０％以上都是硅晶片川。集成电路自１９５９年发明以来，集成电路芯片的集成度在不断提高，而加工特征尺寸和加工成本逐步缩小【：】，如表１所示。为了能在硅晶片上印刷集成电路、与其他元件结合紧密，硅晶片的表面必须平直；特别是随着集成电路的集成程度的提 哈尔滨夏季旅游高，对硅晶片的表面的线宽、硅晶片的平直度提出了越来越高的要求；而且企业为了占领市场，实现优质、低耗，大尺寸、高精度的硅晶片超精密加工具有及其重要的意义。
现今世界上硅晶片生产主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡等少数发达国家和地区。国内现处于兴建硅晶片加工厂和生产硅晶片的热潮。目前，大批生产的硅片直径以２００ｍｍ为主，但３００ｍｍ直径的硅片已在２０００年开始出现。目前，只有美国英特尔公司和德州仪器可以制作３００ｍｍ的
表１硅晶片加工部分技术要求
ｌ９９２１９９５ｌ９９８２００ｌ２００４２００７
硅晶片尺寸／ｍｍ２００２００２００／３ＯＯ～４００３００～４００３００～４００３００～４００
存储空间１６Ｍ６４Ｍ２５６Ｍ１Ｇ４Ｇ１８Ｇ
加工成本（￥／ｃｍ２）４．Ｏ３．９３．８３．７３．６３．５
缺陷密度（Ｎ／ｃｍ２）０．１Ｏ．０５０．０３０．０１Ｏ．００４Ｏ．００２
特征尺寸／ｐｍＯ．５Ｏ．３５Ｏ．２５０．１８０．１２Ｏ．１０
Ｓ台ｍｊｃｏｎｄｕｃｔｏｒＴｂｃ＾ｎｏＪｏｇｙＶｂｊ．３０Ⅳｏ．Ｉ，３１ 万方数据
硅晶片。２０１５年左右可能出现４００～４５０ｍｍ直径的硅片，这无疑对硅晶片的超精密加工提出了更高的要求【，叫。日本为改变半导体竞争力下降的局面，开发大晶片技术，于１９９６年联合成立了“超大型硅研究所”（ＳＳＩ），共同研究开发４００ｍｍ硅片的关键技术阻６】。
超精密加工的加工机理主要包括“进化加工”及“超越性加工”。目前除对机理研究外，还对微观表面完整性、在超精密范畴内对各种材料的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。由于直接对切削点观察异常困难，现在有提议将切削装置小型化，放置于ＳＥＭ的镜头下进行切削并观察。日本大阪大学井川直哉教授等开始采用计算机仿真，逐步向揭开微量切削的奥秘迫近。
超精密加工方法主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨（机械研磨、化学机械研磨、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等）以及超精密特种加工（电子束、离子束以及激光束加工等）。而且在今后的相当～段时间，亚微米及纳米级制造及测量成为制造科技和制造工艺的主流。 ２硅晶片主要加工方法的研究现状２．１硅晶片的形成
硅晶片经过以下过程形成：多晶体硅一极限拉（局域拉伸）一单晶体硅柱一外圆磨削（无心磨削）一
磨削切断（精密切割）一圆边一硅晶片（１）晶棒成长工序（拉单晶）：融化一颈部成长一晶冠成长一晶体成长一尾部成长。
（２）晶棒裁切与检测：将长成的晶棒去掉直径偏小的头、尾部分，并对尺寸进行检测，以决定下步加工的工艺参数。
（３）外径磨削：由于在晶棒成长过程中，其外径尺寸和圆度均有一定偏差，其外圆柱面也凹凸不平，所以必须对外径进行修整、研磨，使其尺寸、形状误差均小于允许偏差。
（４）切断：由于硅的硬度非常大，所以在本工序里，采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片将晶棒切割成一片片薄片。
汕头旅游攻略两天一夜（５）圆边：刚切下来的晶片外边缘很锋利，３２半导体技术第３０卷第１１期
硅单晶又是脆性材料，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须用专用的电脑控制设备自动修整晶片边缘形状和外径尺寸。
２．２硅晶片的超精密加工
经过上述过程所形成的硅晶片，其平面度小于８ｕｍ，但还需进一步加工，以提高其平面度和降低表
面粗糙度。其主要过程为粗磨一精磨一化学刻蚀一抛光一电路层制作一背面磨削一切割成小块。２．２．１超精密切削的研究现状
单点金刚石切削（ＳＰＤＴ）。单点金刚石切削的特点是采用数控方法直接控制加工轮廓和表面粗糙度，是加工红外光学材料和磨削加工的可替代方法。Ｖｅｎｋａｔｅｓｈ等人采用０。前角、刀尖半径为Ｏ．７５ｍｍ的金刚石刀具加工硅晶片，当切削深度为１ｕｍ、进给速度为０．４ｍｍ／ｍｉｎ、主轴速度为４００ｍ／ｍｉｎ时，采用ＡＦＭ测量方法，所得到的表面粗糙度达到１ｎｍ【”。
金刚石切削刀具刃口圆弧半径一直在向更小的方向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙度，同时还必然要求金刚石刀具更加锋利。根据日本大阪大学岛田尚一博士介绍，为了进行切薄试验，目标是达到切屑的厚度１ｎｍ，其刃口圆弧半径趋近２～４ｎｍ。为解决金刚石刀具的磨损问题，ＪｉｗａｎｇＹａｎ等人提出采用倒角金刚石刀具大进给塑性加工单晶硅，在进给量为５“ｍ／ｒｅｖ等加工条件下得到的ＳＥＭ连续切屑如图ｌ所示，加工表面粗糙度月．＝５．１ｎｍ【引。这一方法对于推广单点切削的生产应用具有重要意义。
图ｌ单晶硅加工连续切屑
２．２．２超精密磨削的研究现状
１９８１年，Ｊ．Ｗａｔａｎａｂｅ和Ｊ．ｓｕｚｕｋｉ采用动压原
２００５年１１月
万方数据
理设计刀具，对７６ｍｍ硅晶片进行加工，其平面度为１ｕｍ／７６ｍｍ，表面粗糙度为ｌｎｍ【９】，是当时精密磨削的最高水平。２００４年，美国堪萨斯州立大学ｚ．Ｊ．Ｐｅｉ等人对硅晶片的精密磨削进行了一系列研究，包括实验设计、机床主轴角度调整、卡盘形状、硅晶片加工形状的数学模型、硅晶片亚表面损伤观察、硅晶片的磨削研究等近１０篇文章。其主要结论是：卡盘与工件的速度比对加工轨迹影响很大；正确选择加工参数有利于加工精度的提高，并通过正交试验研究了各个参数对加工精度的影响程度。
青岛旅行社排名前十名
在超精密磨削中，金刚石砂轮的修整情况对零件的加工质量具有决定性影响。其修整过程主要包括修平（ｔｒｕｉｎｇ）／结合剂去除（ｄｒｅｓｓｉｎｇ）和去尖（Ｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ）。修平一般采用用金刚石砂轮磨削相对软质物质（如碳化硅砂轮）。结合剂去除主要电解法（如ＥＬＩＤ）和接触放电法（ＥＣＤ．Ｅ１ｅｃｔｒｏ．ｃｏｎｔａｃｔＤｉｓｃｈａｒｇｅ）【１０】等。
１９８７年日本东京物理化学研究所大森整首先提出利用纤维铸铁结合剂砂轮进行电解磨削，即ＥＬＩＤ（ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎ．ｐｒｏｃｅｓｓＤｒｅｓｓｉｎｇ）磨削法，实现了对硬脆材料位延性方式的镜面磨削。ＥＬＩＤ镜面磨削原理是：磨削过程中，砂轮通过接电电刷与电源的正极相接，安装在机床上的修整电极与电源的负极相接，砂轮和电极之间浇注电解液，这样砂轮、电极以及砂轮和电极之间的电解液形成一个完整的电化学系统，如图２所示。从而实现在线去除砂轮表层结合剂，提高砂轮的磨削加工能力。利用该技术塑性磨削硅晶片，表面粗糙度Ｒ。达到２．８ｎｍ…】，目前已开发出一些产品，进入技术推广和应用阶段。为增加同时参与加工磨粒数，日本北见工业大学田牧纯一教授正在研究金刚石磨粒去尖技术，
图２ＥＬＩＤ镜面磨削原理图
以增加同时参与磨削的磨粒数量。
２．２．３超精密研磨的研究现状
在包括机械化学研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等超精密研削中，机械化学研磨的应用比较广泛。其工作原理是由溶液的腐蚀作用形成化学反应薄层，然后由磨粒的机械摩擦作用去除。利用软磨料的活性以及因磨粒与工件间在微观接触度的摩擦产生的高压、高温，使能在很短的接触时间内出现固相反应，随后这种反应生成物被运动的磨粒机械摩擦作用去除。目前，去除量最小至０．１ｎｍ，整体厚度变化为０．２～０．４ｕｍ／３００ｍｍ，表面光洁度为１ｎｍ，图３为用ＡＦＭ测得的表面粗糙度图形［挖】。英国和德国对这项技术的研究处于领先地位。
图３用ＡＦＭ测得的表面粗糙度图形
３硅晶片加工设备的研究现状美国ＬＬＬ实验室于１９８３年研制的ＤＴＭ．３大型金刚石超精密车床，加工平面度为１２．５ｎｍ，加工表面粗糙度Ｒ一为４．２ｎｍ。
英国克兰菲尔德（ｃｒａｎｆｉｅｌｄ）技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称ＣｕＰＥ）是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。其生产的Ｎａｎｏｃｅｎｔｒｅ（纳米加工中心）既可以进行超精密车削，也可以进行超精密磨削，加工工件得形状精度为０．１ｕｍ，表面粗糙度小于１０ｎｍ。
模块化、构件化是超精密机床进入市场的重要技术手段，如美国ＡＮＯＲＡＤ公司生产各种主轴、
ＳｅｍｊＧｏｎｄｕＧｃｏｒＴｂｃ五ｎｏｊｏｇｙｖ－ｏＪ．３０Ⅳｏ．，，
３３ 万方数据
导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、二维和多维超精密运动控制平台和机床。
超精密机床往往与传统机床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是“Ｔ”型布局，这种布局使机床整体刚度较高，控制也相对容易，如Ｐｎｅｕｍｏ公司生产的大部分超精密车床都采用这一布局。模块化使机床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密磨床，用于磨削超大硅晶片，采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度；德国蔡司公司研制了４轴ＡＳｌ００精密磨床，用于加工自由形式表面，该机床除了鼠ｚ和Ｃ轴外，附加了彳轴，用于加工自由表面时控制砂轮的切削点。
４硅晶片加工方法的发展趋势以下是硅晶片加工方法的发展趋势：
（１）双面研磨和采用杯形砂轮的回转磨削可进一步提高硅晶片的表面质量，是未来硅晶片超精密加工很有竞争力的技术：
（２）在磨削过程中，通过控制刀具相对于工件的位置和刀具主轴的自动调整来获得理想的加工表面，实现以磨代抛；
（３）为进一步提高硅晶片的表面质量，大摩擦系数的化学机械抛光有可能得到应用；
（４）对于大尺寸的硅晶片，如果利用固定金刚石刀具进行塑性区域加工，可提高加工精度，减小亚表面的损伤，减小抛光量，提高加工效率；
（５）用超精密切削代替超精密磨削也是超精密技术发展的方向之一。
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ｄｕｃｔｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ【Ｊ】．ＴｈｅＩｎｔＪｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕ—
ｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１．１７（３）：ｌ５７—１６２．
（收稿日期：２０Ｏ５Ｏ２２２）
作者简介：
闫占辉（１９６８一），男，长春工程学院机械工程系副教授，吉林省机械工程学会会员，吉林大学工学博士（２００３）。主要研究机械系统动力学与精密加工。公开发表论文约２０篇，ＥＩｃｏ”ｐｅｄｅｘ检索４篇，编写教材２本，完成国家及省级科研项目３项。
２００５年１１月
万方数据
硅晶片超精密加工的研究现状
作者：闫占辉， YAN Zhan-hui
作者单位：长春工程学院机械工程系，长春,130012
刊名：
半导体技术
英文刊名：SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY
年，卷(期)：2005，30(11)
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本文链接：d.g.wanfangdata/Periodical_bdtjs200511008.aspx
授权使用：华南理工大学(hnlgdx)，授权号：219c21f2-1d7f-4849-bcb0-9e270106441c
下载时间：2010年11月7日
