單晶材料的超精密加工技術(shù)

單晶材料的超精密加工技術(shù)

1基片加工和加工隨著通信和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，幾種集群形式的光件得到了驚人的發(fā)展，并趨于高性能。為此,對光電子元件的關(guān)鍵零件-基片的材料和加工精度提出了新的要求。要求基片晶體材料具有優(yōu)良的壓電、光電和熱電性能;對元件基片加工精度的要求甚至達(dá)到納米級;要求基片晶格具有無畸變的超光滑無損傷表面?；砻娲嬖谌魏挝⑿∪毕荻紩?huì)破壞晶體材料表面性能,甚至導(dǎo)致結(jié)晶構(gòu)造的變化,影響元件的工作精度和可靠性。此外,還要求高的加工成品率。光電子元件基片為典型的超薄零件,如手機(jī)聲表面波濾波器基片厚度350μm,剛性差,難以有效滿足加工精度和加工質(zhì)量要求。因此,要滿足現(xiàn)代光電子元件苛刻的精度和表面質(zhì)量要求,超精密加工技術(shù)及其設(shè)備的發(fā)展迫在眉睫。2晶體材料超精密加工使用雙面拋光法能避免由夾具的粘結(jié)誤差及薄片工件兩面的應(yīng)力差引起的變形問題。但工件的厚度只有幾十微米時(shí),工件與拋光盤緊密接觸會(huì)使加工阻力增大,從而引起薄片工件的破損。因此,晶體薄片目前主要采用單面拋光加工。對晶體材料實(shí)行超精密加工并不斷地提高加工精度、加工效率,改進(jìn)傳統(tǒng)的加工技術(shù)是十分必要的。為此人們把不同的物理過程、不同的化學(xué)過程應(yīng)用于加工工藝中,開發(fā)新的加工技術(shù)和工藝,形成了一系列的無加工變質(zhì)層、無表面損傷的鏡面超精密拋光方法,如化學(xué)機(jī)械拋光、機(jī)械化學(xué)拋光、水合拋光、浮法拋光、彈性發(fā)射拋光、磁懸浮拋光和磁流體拋光等,開發(fā)了半導(dǎo)體材料的化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、浮法拋光、電泳拋光、超聲波振動(dòng)拋光以及離子束拋光等加工技術(shù)及其相應(yīng)的加工設(shè)備2.1研磨輪的進(jìn)給率變化傳統(tǒng)的硅片研磨拋光機(jī)床通常包括多個(gè)夾盤工作臺,保證由一個(gè)或多個(gè)磨輪同時(shí)加工所有硅片。然而,在硅片加工過程中,傳統(tǒng)研磨機(jī)床的研磨輪以不變的進(jìn)給率移動(dòng),磨削力常常發(fā)生變化,易使硅片產(chǎn)生破損和過熱,灼傷硅片。在研磨輪離開過程中,硅片背面易出現(xiàn)卷曲現(xiàn)象,影響加工精度。因此,改進(jìn)傳統(tǒng)的研磨拋光方法和設(shè)備,控制研磨拋光過程中作用在硅片上的磨削力已成為提高晶片加工精度和成品率的重要手段。2.1.1改善加工效率檢測作用于晶片上的垂直方向磨削力動(dòng)態(tài)信號,并根據(jù)此信號對研磨輪進(jìn)給率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,以控制作用于晶片上的磨削力,可望有效改善加工效率。根據(jù)此原理,B.B.Michael等人開發(fā)了Model7AG晶片研磨機(jī),又稱為智能研磨機(jī)(IntelligentWaferGrinder),如圖1所示此外,Nishigushi等人2.1.2超過精整的修正被捕機(jī)為了減少拋光盤面的變形和磨損,提高加工精度和加工質(zhì)量,袁巨龍等人研制開發(fā)了修正環(huán)型拋光機(jī),其加工原理如圖2所示2.1.3錫磨盤的車刀特點(diǎn)為減小在超光滑表面制造中對經(jīng)驗(yàn)的依賴,提高加工精度及重復(fù)精度,高宏剛等人研制了采用錫磨盤的FP500型超精密平面研拋機(jī),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)類似于小型立式車床與立式端面磨床的合成。固定在立式主軸上的研磨盤既是超精車的工件,又是超精拋光的磨具,研磨盤表面直徑為《500mm。車刀刀架可實(shí)現(xiàn)水平連續(xù)進(jìn)給與間歇進(jìn)給,實(shí)現(xiàn)對磨盤的修整。工件被固定在工件軸的下端面進(jìn)行拋光。工件軸不僅具有很高的回轉(zhuǎn)精度,而且使工件沿軸向可進(jìn)行微位移調(diào)整,以適應(yīng)定間隙非接觸拋光。該機(jī)床采用金屬錫作為拋光盤,由于錫的剛性較差,因此以不銹鋼作為錫盤基底。錫磨盤經(jīng)粗加工后,表面制作不同形狀的溝槽,最終的磨盤表面由金剛石車刀加工。在浮法拋光過程中,錫磨盤表面及溝槽內(nèi)的液體受離心力作用沿徑向運(yùn)動(dòng),同時(shí)受到其外環(huán)槽壁的阻擋。液體在槽壁處被擠壓隆起,產(chǎn)生一向上的力,對在錫盤上旋轉(zhuǎn)的工件起支撐作用,使工件不能與錫磨盤直接接觸,其間有一薄層液體膜。在該液體膜內(nèi),磨料微粒在離心力作用下不斷沿徑向碰撞工件表面的微觀隆起,使其微觀不平部分以分子或原子量級去除。在整個(gè)工作過程中,只有工件表面微觀隆起被去除而不會(huì)產(chǎn)生表面破壞層,從而實(shí)現(xiàn)晶片的超光滑表面拋光。2.1.4超表面加工浮法拋光(Floatingpolishing)最早出現(xiàn)于日本。該方法是在高回轉(zhuǎn)精度的拋光機(jī)上使用高平面度并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫拋光盤進(jìn)行超光滑表面加工。拋光加工時(shí),拋光盤及工件高速回轉(zhuǎn),覆蓋在整個(gè)拋光盤表面的拋光液在二者之間呈動(dòng)壓流體狀態(tài),并形成一層液膜,從而對浮起狀態(tài)下的工件進(jìn)行平面度極高的非接觸超精密拋光高宏剛等人根據(jù)此工作原理研制了FPJ-1型拋光機(jī)樣機(jī)2.1.5單頭拋光機(jī)械化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical-MechanicalPolishing),簡稱CMP,是目前能提供超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造過程中全面平坦化的一種新技術(shù)在CMP設(shè)備方面,美國IPEC-Planar公司生產(chǎn)的IPEC372-U、472、672型CMP設(shè)備,都是單頭、單板拋光工藝。672-Ⅱ型有兩個(gè)拋光頭,生產(chǎn)能力40～50片/小時(shí);四個(gè)拋光頭,生產(chǎn)能力80～100片/小時(shí)。英國Logitech公司推出CP3000CMP設(shè)備,可加工8英寸圓片,從去膠開始全部由機(jī)械手操作,使圓片受損最小。日本東芝機(jī)械公司推出CMS-200型單片式CMP設(shè)備,可加工6/8英寸圓片,生產(chǎn)能力20片/小時(shí),加壓具有自動(dòng)分級功能,在拋光同時(shí)會(huì)自動(dòng)清洗,甩干化學(xué)機(jī)械拋光過程的在線檢測能夠更有效地實(shí)現(xiàn)超光滑鏡面拋光。目前,國內(nèi)外對化學(xué)機(jī)械拋光過程的在線檢測技術(shù)研究較少2.22.2.1加工工藝及工藝流程硅(Si)是當(dāng)前最重要、用途最廣的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體元件中有95%是由硅材料制取的。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的日益廣泛應(yīng)用,硅單晶半導(dǎo)體基片的市場要求也越來越大。硅片平面度誤差將直接影響光刻系統(tǒng)的聚焦,粗糙度影響刻線尺寸與精度,缺陷數(shù)量和深度將影響元件的集成度和可靠性。在提高集成度方面的技術(shù)發(fā)展和市場需求的推動(dòng)下,單晶硅片的加工平面度由(1～2)μm/《76mm發(fā)展到(0.1～0.3)μm/《(76～400)mm,表面粗糙度目前,硅片主要加工工藝流程如圖6所示。其中保證表面完整性和宏微觀幾何精度的核心工序是硅片的研磨(或磨削)、腐蝕和拋光。通過研磨直接去除切片帶來的變質(zhì)層,獲得高的平面度和較好的表面完整性;通過腐蝕達(dá)到去除研磨變質(zhì)層為拋光獲得超光滑表面做準(zhǔn)備;在這些工序中,如果有一道工序達(dá)不到預(yù)想的效果,就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率下降,后續(xù)工序無法達(dá)到所需的質(zhì)量。硅片的超精密加工技術(shù)已成為硅片加工研究的焦點(diǎn),目前開發(fā)的加工方法主要有以下幾種。(1)納米加工技術(shù)拋光過程中,材料的特有去除形態(tài)決定了被拋光表面的微觀形貌的創(chuàng)成?；瘜W(xué)機(jī)械拋光是利用固相反應(yīng)拋光原理的加工方法之一。軟質(zhì)磨粒與適當(dāng)酸堿值的拋光液在一起,在工件與磨粒接觸點(diǎn)上,由于摩擦而產(chǎn)生高溫高壓作用,在極短的時(shí)間里產(chǎn)生固相反應(yīng),并由摩擦力除去反應(yīng)物,實(shí)現(xiàn)納米級微小單位的去除拋光袁巨龍等人對硅片化學(xué)機(jī)械拋光過程中的拋光墊的表面狀況、拋光時(shí)間、拋光液的酸堿性、磨料種類和粒度以及拋光載荷對材料去除率和拋光表面質(zhì)量的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。提出了單晶硅片的拋光過程宏觀和微觀表面形貌的創(chuàng)成在很大程度上取決于工件與拋光墊間的接觸應(yīng)力分布的觀點(diǎn);此外,通過單晶硅片的拋光實(shí)驗(yàn)分析,認(rèn)為化學(xué)機(jī)械拋光的表面質(zhì)量與磨料的材料和粒度、拋光液PH值、拋光溫度、壓力等因素有關(guān)M.Uday通過實(shí)驗(yàn)研究化學(xué)機(jī)械拋光過程發(fā)現(xiàn),拋光墊的表面粗糙度、研磨劑和研磨膏的PH值以及離子強(qiáng)度對摩擦力和速率有明顯影響。通過對拋光液離子強(qiáng)度效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)減少表面間的靜電排斥以及采用小磨?？色@得低表面粗糙度和高去除率,從而提高加工生產(chǎn)率(2)電泳拋光單晶硅片基于超微磨粒電泳效應(yīng)的磨削加工技術(shù)(圖7),其磨削作用由超微磨粒組成的吸附層完成,能有效提高晶體材料的表面加工質(zhì)量胡建德等人利用微細(xì)磨粒的電泳特性研制出一種新型的高密度結(jié)合度超微細(xì)磨粒電泳砂輪,在MM7120H精密磨床上磨削單晶硅片。作為陽極的磨具夾持在機(jī)床主軸上,工件置于工作臺內(nèi)側(cè),半環(huán)型銅質(zhì)陰極置于工作臺外側(cè),陽極與陰極之間施加電場。工件、陰極和陽極均浸在SiO(3)單晶硅單晶硅片的低溫研磨韓榮久等人給出了一種采用SiO(4)加工后的表面作用機(jī)理分析黃文浩等人采用離子束拋光單晶硅片,并使用原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)檢測超光滑表面微觀形貌對于離子束拋光對工件表面的作用機(jī)理目前尚缺乏深入系統(tǒng)的了解,其加工過程及效果還處于定性分析階段。2.2.2石英晶體加工石英晶體(α-SiO(1)袁巨龍等人對石英晶體的超光滑平面加工進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究(2)B.AntonHuber等人(3)水合拋光加工石英晶體(4)浮法拋光加工石英晶體。此外,袁巨龍與Kasai等人利用浮法拋光方法和SiO2.2.3光催化機(jī)械加工k9玻璃K9玻璃是中國光學(xué)玻璃牌號,相當(dāng)于國外牌號BK。K9玻璃具有許多特殊性能,如機(jī)械強(qiáng)度高、硬度及耐磨性高、重量輕、熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)高、在高頻高溫下介電損失系數(shù)小等。隨著光學(xué)、光電子技術(shù)的發(fā)展,K9玻璃已在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,如天文望遠(yuǎn)鏡、激光陀螺系統(tǒng)中的反射鏡基片等低溫?zé)o磨料拋光K9玻璃。在低溫條件下拋光加工K9玻璃,可減少已加工表面的殘余應(yīng)力、微觀裂紋、表面損傷等。所以在拋光過程中嘗試采用一種新型無磨料低溫拋光工藝比較拋光前和拋光后工件表面形態(tài)發(fā)現(xiàn),無磨料低溫拋光工藝可以獲得表面粗糙度為原子級的加工表面。該工藝過程中沒有磨料的存在,不會(huì)出現(xiàn)對已加工表面的二次損傷,也不會(huì)形成新的粗糙度峰,故得到的已加工表面的殘余應(yīng)力小,并且不產(chǎn)生微觀裂紋。該方法是一種在傳統(tǒng)有磨料拋光基礎(chǔ)上獲得原子級超光滑表面的新方法。2.2.4溫度對面族的影響鉭酸鋰是近年來隨著通訊、信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展而開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化的新型晶體材料。鉭酸鋰(LiTaO鉭酸鋰單晶基片具有如下加工特點(diǎn):硬度低(莫氏5.5),易出劃痕;韌性高,加工速度慢;易開裂,主解理面為{012}面族;對溫度具有敏感性,易產(chǎn)生微疇反轉(zhuǎn);另對鉭酸鋰Y36°切晶片來說,Y36°面與{012}面夾角僅為2°46′,故在平面加工過程中很易產(chǎn)生角度很小的尖劈碎晶,從而產(chǎn)生砂道夏宗仁等人采用天然石榴石做研磨磨料,配制適當(dāng)?shù)哪チ蠞舛群蛻腋?、分散劑的研磨?并采用化學(xué)機(jī)械拋光方法,研磨拋光鉭酸鋰單晶片,獲得了較高加工質(zhì)量的聲表面波器件用Y36°切LiTaO目前,有關(guān)鉭酸鋰晶片的加工特性及其超光滑表面加工技術(shù)的研究較少,鉭酸鋰產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用因此受到制約。3晶片材料的加工方法研