单晶材料的超精密加工技术

单晶材料的超精密加工技术

1基片加工和加工随着通信和信息产业的快速发展，几种集群形式的光件得到了惊人的发展，并趋于高性能。为此,对光电子元件的关键零件-基片的材料和加工精度提出了新的要求。要求基片晶体材料具有优良的压电、光电和热电性能;对元件基片加工精度的要求甚至达到纳米级;要求基片晶格具有无畸变的超光滑无损伤表面。基片表面存在任何微小缺陷都会破坏晶体材料表面性能,甚至导致结晶构造的变化,影响元件的工作精度和可靠性。此外,还要求高的加工成品率。光电子元件基片为典型的超薄零件,如手机声表面波滤波器基片厚度350μm,刚性差,难以有效满足加工精度和加工质量要求。因此,要满足现代光电子元件苛刻的精度和表面质量要求,超精密加工技术及其设备的发展迫在眉睫。2晶体材料超精密加工使用双面抛光法能避免由夹具的粘结误差及薄片工件两面的应力差引起的变形问题。但工件的厚度只有几十微米时,工件与抛光盘紧密接触会使加工阻力增大,从而引起薄片工件的破损。因此,晶体薄片目前主要采用单面抛光加工。对晶体材料实行超精密加工并不断地提高加工精度、加工效率,改进传统的加工技术是十分必要的。为此人们把不同的物理过程、不同的化学过程应用于加工工艺中,开发新的加工技术和工艺,形成了一系列的无加工变质层、无表面损伤的镜面超精密抛光方法,如化学机械抛光、机械化学抛光、水合抛光、浮法抛光、弹性发射抛光、磁悬浮抛光和磁流体抛光等,开发了半导体材料的化学抛光、电化学抛光、化学机械抛光、浮法抛光、电泳抛光、超声波振动抛光以及离子束抛光等加工技术及其相应的加工设备2.1研磨轮的进给率变化传统的硅片研磨抛光机床通常包括多个夹盘工作台,保证由一个或多个磨轮同时加工所有硅片。然而,在硅片加工过程中,传统研磨机床的研磨轮以不变的进给率移动,磨削力常常发生变化,易使硅片产生破损和过热,灼伤硅片。在研磨轮离开过程中,硅片背面易出现卷曲现象,影响加工精度。因此,改进传统的研磨抛光方法和设备,控制研磨抛光过程中作用在硅片上的磨削力已成为提高晶片加工精度和成品率的重要手段。2.1.1改善加工效率检测作用于晶片上的垂直方向磨削力动态信号,并根据此信号对研磨轮进给率进行实时调整,以控制作用于晶片上的磨削力,可望有效改善加工效率。根据此原理,B.B.Michael等人开发了Model7AG晶片研磨机,又称为智能研磨机(IntelligentWaferGrinder),如图1所示此外,Nishigushi等人2.1.2超过精整的修正被捕机为了减少抛光盘面的变形和磨损,提高加工精度和加工质量,袁巨龙等人研制开发了修正环型抛光机,其加工原理如图2所示2.1.3锡磨盘的车刀特点为减小在超光滑表面制造中对经验的依赖,提高加工精度及重复精度,高宏刚等人研制了采用锡磨盘的FP500型超精密平面研抛机,其结构示意图如图3所示机床的主体结构类似于小型立式车床与立式端面磨床的合成。固定在立式主轴上的研磨盘既是超精车的工件,又是超精抛光的磨具,研磨盘表面直径为《500mm。车刀刀架可实现水平连续进给与间歇进给,实现对磨盘的修整。工件被固定在工件轴的下端面进行抛光。工件轴不仅具有很高的回转精度,而且使工件沿轴向可进行微位移调整,以适应定间隙非接触抛光。该机床采用金属锡作为抛光盘,由于锡的刚性较差,因此以不锈钢作为锡盘基底。锡磨盘经粗加工后,表面制作不同形状的沟槽,最终的磨盘表面由金刚石车刀加工。在浮法抛光过程中,锡磨盘表面及沟槽内的液体受离心力作用沿径向运动,同时受到其外环槽壁的阻挡。液体在槽壁处被挤压隆起,产生一向上的力,对在锡盘上旋转的工件起支撑作用,使工件不能与锡磨盘直接接触,其间有一薄层液体膜。在该液体膜内,磨料微粒在离心力作用下不断沿径向碰撞工件表面的微观隆起,使其微观不平部分以分子或原子量级去除。在整个工作过程中,只有工件表面微观隆起被去除而不会产生表面破坏层,从而实现晶片的超光滑表面抛光。2.1.4超表面加工浮法抛光(Floatingpolishing)最早出现于日本。该方法是在高回转精度的抛光机上使用高平面度并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘进行超光滑表面加工。抛光加工时,抛光盘及工件高速回转,覆盖在整个抛光盘表面的抛光液在二者之间呈动压流体状态,并形成一层液膜,从而对浮起状态下的工件进行平面度极高的非接触超精密抛光高宏刚等人根据此工作原理研制了FPJ-1型抛光机样机2.1.5单头抛光机械化学机械抛光(Chemical-MechanicalPolishing),简称CMP,是目前能提供超大规模集成电路(VLSI)制造过程中全面平坦化的一种新技术在CMP设备方面,美国IPEC-Planar公司生产的IPEC372-U、472、672型CMP设备,都是单头、单板抛光工艺。672-Ⅱ型有两个抛光头,生产能力40～50片/小时;四个抛光头,生产能力80～100片/小时。英国Logitech公司推出CP3000CMP设备,可加工8英寸圆片,从去胶开始全部由机械手操作,使圆片受损最小。日本东芝机械公司推出CMS-200型单片式CMP设备,可加工6/8英寸圆片,生产能力20片/小时,加压具有自动分级功能,在抛光同时会自动清洗,甩干化学机械抛光过程的在线检测能够更有效地实现超光滑镜面抛光。目前,国内外对化学机械抛光过程的在线检测技术研究较少2.22.2.1加工工艺及工艺流程硅(Si)是当前最重要、用途最广的半导体材料。半导体元件中有95%是由硅材料制取的。随着大规模和超大规模集成电路的日益广泛应用,硅单晶半导体基片的市场要求也越来越大。硅片平面度误差将直接影响光刻系统的聚焦,粗糙度影响刻线尺寸与精度,缺陷数量和深度将影响元件的集成度和可靠性。在提高集成度方面的技术发展和市场需求的推动下,单晶硅片的加工平面度由(1～2)μm/《76mm发展到(0.1～0.3)μm/《(76～400)mm,表面粗糙度目前,硅片主要加工工艺流程如图6所示。其中保证表面完整性和宏微观几何精度的核心工序是硅片的研磨(或磨削)、腐蚀和抛光。通过研磨直接去除切片带来的变质层,获得高的平面度和较好的表面完整性;通过腐蚀达到去除研磨变质层为抛光获得超光滑表面做准备;在这些工序中,如果有一道工序达不到预想的效果,就会导致生产率下降,后续工序无法达到所需的质量。硅片的超精密加工技术已成为硅片加工研究的焦点,目前开发的加工方法主要有以下几种。(1)纳米加工技术抛光过程中,材料的特有去除形态决定了被抛光表面的微观形貌的创成。化学机械抛光是利用固相反应抛光原理的加工方法之一。软质磨粒与适当酸碱值的抛光液在一起,在工件与磨粒接触点上,由于摩擦而产生高温高压作用,在极短的时间里产生固相反应,并由摩擦力除去反应物,实现纳米级微小单位的去除抛光袁巨龙等人对硅片化学机械抛光过程中的抛光垫的表面状况、抛光时间、抛光液的酸碱性、磨料种类和粒度以及抛光载荷对材料去除率和抛光表面质量的影响进行了实验研究。提出了单晶硅片的抛光过程宏观和微观表面形貌的创成在很大程度上取决于工件与抛光垫间的接触应力分布的观点;此外,通过单晶硅片的抛光实验分析,认为化学机械抛光的表面质量与磨料的材料和粒度、抛光液PH值、抛光温度、压力等因素有关M.Uday通过实验研究化学机械抛光过程发现,抛光垫的表面粗糙度、研磨剂和研磨膏的PH值以及离子强度对摩擦力和速率有明显影响。通过对抛光液离子强度效应研究发现减少表面间的静电排斥以及采用小磨粒可获得低表面粗糙度和高去除率,从而提高加工生产率(2)电泳抛光单晶硅片基于超微磨粒电泳效应的磨削加工技术(图7),其磨削作用由超微磨粒组成的吸附层完成,能有效提高晶体材料的表面加工质量胡建德等人利用微细磨粒的电泳特性研制出一种新型的高密度结合度超微细磨粒电泳砂轮,在MM7120H精密磨床上磨削单晶硅片。作为阳极的磨具夹持在机床主轴上,工件置于工作台内侧,半环型铜质阴极置于工作台外侧,阳极与阴极之间施加电场。工件、阴极和阳极均浸在SiO(3)单晶硅单晶硅片的低温研磨韩荣久等人给出了一种采用SiO(4)加工后的表面作用机理分析黄文浩等人采用离子束抛光单晶硅片,并使用原子力显微镜(AFM)技术检测超光滑表面微观形貌对于离子束抛光对工件表面的作用机理目前尚缺乏深入系统的了解,其加工过程及效果还处于定性分析阶段。2.2.2石英晶体加工石英晶体(α-SiO(1)袁巨龙等人对石英晶体的超光滑平面加工进行了实验研究(2)B.AntonHuber等人(3)水合抛光加工石英晶体(4)浮法抛光加工石英晶体。此外,袁巨龙与Kasai等人利用浮法抛光方法和SiO2.2.3光催化机械加工k9玻璃K9玻璃是中国光学玻璃牌号,相当于国外牌号BK。K9玻璃具有许多特殊性能,如机械强度高、硬度及耐磨性高、重量轻、热稳定性好、介电常数高、在高频高温下介电损失系数小等。随着光学、光电子技术的发展,K9玻璃已在很多领域得到了广泛的应用,如天文望远镜、激光陀螺系统中的反射镜基片等低温无磨料抛光K9玻璃。在低温条件下抛光加工K9玻璃,可减少已加工表面的残余应力、微观裂纹、表面损伤等。所以在抛光过程中尝试采用一种新型无磨料低温抛光工艺比较抛光前和抛光后工件表面形态发现,无磨料低温抛光工艺可以获得表面粗糙度为原子级的加工表面。该工艺过程中没有磨料的存在,不会出现对已加工表面的二次损伤,也不会形成新的粗糙度峰,故得到的已加工表面的残余应力小,并且不产生微观裂纹。该方法是一种在传统有磨料抛光基础上获得原子级超光滑表面的新方法。2.2.4温度对面族的影响钽酸锂是近年来随着通讯、信息产业迅速发展而开发并产业化的新型晶体材料。钽酸锂(LiTaO钽酸锂单晶基片具有如下加工特点:硬度低(莫氏5.5),易出划痕;韧性高,加工速度慢;易开裂,主解理面为{012}面族;对温度具有敏感性,易产生微畴反转;另对钽酸锂Y36°切晶片来说,Y36°面与{012}面夹角仅为2°46′,故在平面加工过程中很易产生角度很小的尖劈碎晶,从而产生砂道夏宗仁等人采用天然石榴石做研磨磨料,配制适当的磨料浓度和悬浮剂、分散剂的研磨液,并采用化学机械抛光方法,研磨抛光钽酸锂单晶片,获得了较高加工质量的声表面波器件用Y36°切LiTaO目前,有关钽酸锂晶片的加工特性及其超光滑表面加工技术的研究较少,钽酸锂产品的开发和应用因此受到制约。3晶片材料的加工方法研