单晶硅片抛光工艺分析与试验.doc

浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）题目： 单晶硅片抛光工艺分析与试验 作者： 系 （部）： 专业班级： 指导教师： 职称： 副教授 2009年 5月28日毕业设计（论文）任务书课题名称单晶硅片抛光工艺分析与试验系 别专业/班级学生姓名学 号3069123117指导教师单位/职称课题来源企业生产任务成果形式论文所属岗位工艺员一、毕业设计（论文）课题的主要内容、任务和目标、基本要求等：1、课题研究的主要内容全球90%以上IC都采用硅片。硅片材料属于硬脆性材料，加工难度较大，其最终加工精度、表面加工质量和损伤层深度直接对集成电路及其元器件的性能产生影响。硅片抛光的主要工艺因素有：抛光方法、抛光盘、抛光液、加工参数（抛光速度；抛光压力和抛光时间）以及加工环境，本课题结合学生将来职业岗位技能的基本要求，训练学生进行科技文献的查阅、网上相关资料的收集、毕业论文开题报告的书写、加工工艺分析、实验方案的设计与工艺试验，实验数据的整理与分析、毕业论文的独立撰写等方面的能力。2、任务和目标通过本课题的工作，实现如下的工作任务：1）硅片抛光的主要工艺因素分析；2）实验方案的设计与工艺试验；3）实验数据的整理与分析；目标：学生通过本毕业设计，能提出自己的应用心得（包括实际应用中解决问题的方法）或可能的创新点；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练学生分析问题和解决问题的能力，进一步提高学生的工艺分析与设计、查阅手册、以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。3、基本要求1）完成毕业顶岗实习周记12篇（每周1篇），毕业顶岗实习报告鉴定表一份、开题报告一份（2000字左右），相关技术应用论文一篇（5000字以上）。 2）设计（论文）的写作规范：（1）封面。（2）摘要：主要说明该课题主要研究内容及关键词。（3）目录。（4）正文：所选课题的需求分析，方案论证，方案设计，以及所实现的功能，在设计过程中遇到问题所采用的策略等。（5）部分重要程序的源代码。（6）参考文献。（7）论文要求用A4开纸打印，并装订成册，形成书目结构。（8）论文书写要求语言精练，简洁，表达力求准确。二、实践要求：该课题要求学生在硅片生产企业精密加工车间的加工工艺管理岗位上顶岗实习12周，了解车间工艺管理员的工作职责，熟悉精密零件的加工工艺过程及其特点，初步具有工艺规程的编制能力，完成顶岗实习周记，在周记中能详细介绍每周的工作任务及工作中遇到的问题和解决方法等。三、进度安排三、进度安排第一阶段（第5学期16-19周）第16、17周：查阅相关文献资料，完成开题报告； 第18、19周：熟悉硅片的加工工艺以及抛光技术和抛光工艺， 第二阶段（第6学期）第1 周： 设计实验方案，进行抛光工艺试验；第2 周： 比较与总结，提出自己的应用心得（包括实际应用中解决问题的方法）或可能的创新点；第3-14周，毕业顶岗实习第15 周：实验数据整理、分析，按规定的格式要求编写、整理毕业论文，准备答辩；第16周：答辩。四、推荐的主要参考资料1王先逵主编，精密加工技术实用手册M. 机械工业出版社，2001 2阙端麟主编，硅材料科学与技术M. 浙江大学出版社，2000 3袁哲俊主编，精密和超精密加工技术M.机械工业出版社，19904王启平主编，精密加工工艺学M.国防工业出版社，20075指导教师签名 年 月 日专业负责人签名 年 月 日 （注：课题来源填企业生产（管理）任务、产品开发、创新设计、科研课题等。）单晶硅片抛光工艺分析与试验摘 要集成电路(IC)是现代信息产业和信息社会的基础。IC技术是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术，也是改造和提升传统产业的核心技术。IC所用的材料主要是硅、锗和砷化镓等，全球90%以上IC都采用硅片(Silicon Wafer)。高质量的硅晶片是芯片制造和IC 发展的基础；制造IC的硅片，不仅要求极高的平面度，极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。硅片的抛光工艺和设备在IC制造过程中具有重要作用，是IC制造的关键技术。本论文主要对单晶硅片研磨抛光工艺基础进行了研究，硅晶体属硬脆难加工材料，抛光过程中易产生划痕、应力等加工缺陷。硅片的抛光质量和研光效率是这一加工过程的主要因素，本文实验过程通过改变抛光的主要工艺参数（压力 ；转速 ；抛光时间等）对硅片抛光效率和加工质量影响的定量研究。关键词: 硅片，集成电路，抛光，质量，效率目 录第一章 概述11.1 先进制造技术内涵与发展11.2 精密和超精密加工技术的地位11.2.1 精密和超精密加工技术简介11.2.2 精密和超精密加工的技术地位和作用21.2.3 精密和超精密加工的发展21.3 硅的超精密加工工艺过程及环境21.3.1 单晶硅片的加工工艺过程21.3.2 硅片精密加工的环境要求3第二章 硅片抛光加工工艺参数分析52.2 抛光加工工艺参数分析52.2.1 工艺参数52.3 抛光盘72.4 抛光工件表面的成形过程72.5 化学机械抛光8第三章 实验设备介绍93.1 智能型纳米级抛光机93.1.1智能型纳米级抛光机93.1.2智能型纳米级抛光机特点93.1.3加工前准备103.2 JY4001型电子天平/YP6000N电子天平113.3 KQ-100B型超声波清洗机113.4 JP001型晶片检测仪113.5 SE1700a表面测量粗糙度测量仪等123.6 蠕动泵12第四章 抛光实验与实验结果分析134.1 抛光过程的运动分析134.2 修正环在线休整的工作原理144.3 工件平行度的修正154.4 硅片抛光工艺实验及分析154.4.1 本实验硅片抛光工艺参数的设计164.4.2 实验方案的设计164.4.3 硅抛光片的清洗18谢辞19参考文献2021机电控制工程系毕业设计（论文）第一章 概述1.1 先进制造技术内涵与发展随着社会需求个性化、多样化的发展，生产规模沿小批量大批量多品种变批量的方向发展，以及以计算机为化表的高技术和现代化管理技术的引入、渗透与融化，不断地改变着传统制造技术的面貌和内涵，从而形成了先进制造技术。先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，许多国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新，扩大生产和提高国际经济竞争力。当前，美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因之一，就是他们把先进制造技术看作是现代国家经济上获得成功的关键因素。先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策，同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、经济上持续稳定发展、科技上保持先进领先的长远大计。当前，机械制造技术的发展主要表现在三个方面：（1）向高柔性化和自动化方向发展。（2）精密加工和超精密加工的应用将日益广泛。在现代高科技领域中，产品的精度要求越来越高，掌握精密和超精密加工技术，在未来的激烈竞争中具有重要的意义，也是一个国家制造水平的重要标志。（3）发展高速切削、强力切削。者也是提高切削加工效率的重要途径之一。 从先进制造技术的技术实质性而论，主要有精密和超精密加工技术和制造自动化两大领域。精密和超精密加工技术追求的是加工上的精度和表面质量极限。1.2 精密和超精密加工技术的地位1.2.1 精密和超精密加工技术简介 精密加工是指加工精度为10.1m，表面粗糙度为Ra0.10.01m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况，有时有无表面缺陷也是这一问题的核心；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工应该包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。1.2.2 精密和超精密加工的技术地位和作用 超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一，超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级。 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键；也是是机械制造业最主要发展的方向之一。在制造自动化领域，进行了大量有关计算机辅助制造软件的开发，又进行了计算机集成制造（CIM）技术，生产模式如精良生产、敏捷生产等研究，这些都是十分重要和必要的，代表了当前高新制造技术的一个重要方面。但是，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术。1.2.3 精密和超精密加工的发展我国的超精密加上技术在70年代末期有了长足的进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但总的来说，我国在超精密加上的效率、精度可靠性，特别是规格(大尺寸)和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。超精密加上技术发展趋势是:向更高精度、更高效率方向发展;向大型化、微型化方向发展;向加上检测一体化方向发展，机床向多功能模块化方向发展，小断探讨适合于超精密加上的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加上技术达到和完成纳米加上技术的关键十年。 1.3 硅的超精密加工工艺过程及环境1.3.1 单晶硅片的加工工艺过程 从单晶硅生长出的硅单晶锭出发，要得到能够用于集成电路等器件制造硅圆片还需要一系列的机械和化学加工。 硅片加工的具体工艺流程一般为：（1）从单晶炉取出原始单晶；（2）检查重量、直径、棱线、孪晶、尾部位错延伸区域、沾污和其他的表观特征；（3）单晶切割分段和检测样品切割；（4）测试；（5）晶锭清洗；（6）定向；（7）外圆研磨；(8)定位面研磨；（9）电阻率测量前的晶锭端面打毛；(10)检测分档。检测项目包括直径、划痕、破损、裂纹、方向指示线(标明头尾)、定位面、长度、重量。导电类型、电阻率、电阻率均匀性、少数载流子寿命。位错、漩涡缺陷和其他微缺陷(OS法)等；(11)晶锭粘接；(12)切片；（13）清洗；（14）检验；（15）倒角；（16）清洗；（17）检测倒角半径；（18）磨片；（19）清洗；（20）检验,要求表面无划痕、缺角、亮点及沾污点；（21）装入片架；（22）测厚分类；（23）化学腐蚀；（24）清洗甩干；（25）测厚检验；（26）涂蜡贴片；（27）表面去蜡；（28）第一次抛光；（29）清洗；（30）第二次抛光；（31）清洗；（32）检验；（33）清洗；（34）电性能测量；（35）厚度测量；（36）清洗；（37）检验；（38）包装；（39）贮存。 硅片直径和厚度的增大以及芯片厚度的减小给半导体加工带来许多突出的技术问题：硅片直径增大后，加工中翘曲变形，加工精度不易保证；原始硅片厚度增大以及芯片厚度的减薄，使硅片背面减薄加工的材料去除量增大，提高加工效率成为一个亟待解决的问题；此外，随着直径的加大和减薄厚度的减小，脆性的硅片在装夹、加工和传输过程中很容易发生碎裂，加工难度加大。 抛光是以磨粒的微小塑性切削生成切削为主体而进行的。在材料切除过程中会由于局部高温、高压而使工件与磨粒、加工液及抛光盘之间存在着直接的化学作用，并在工件表面产生反应生成物。由于这些作用重叠，以及抛光液、磨粒及抛光盘的力学作用，使工件表面的生成物不断被除去而使表面平滑化。由于抛光盘使用中变形和磨损将引起平面度的恶化，而频繁的修正抛光盘工作面，以达到高精度平面加工要求，不能满足在大批量生产对加工质量的一致性要求，且工作效率低下。1.3.2 硅片精密加工的环境要求 精密加工和超精密加工的工作环境对加工质量影响很大，因此，工作环境是保证加工质量的必要条件。工作环境主要有温度、湿度、净化和防振等方面。（1）恒温：环境温度可根据加工要求控制在20（1-0.02），甚至达到（200.0005）。达到恒温的办法可采用专门恒温室的整体恒温和恒温罩的局部恒温。整体恒温可采用大恒温室、中恒温室、小恒温室、地下恒温室等多层套间结构，逐渐得到控制精度越来越高的室温；同时采用地板恒温方式使温度分布均匀。（2）恒湿：在恒温室内，一般湿度保持在55%-60%，以防止机器的锈蚀，石材吸水膨胀，以及会影响一些仪器如激光干涉仪的零点漂移等。（3）净化：在超精密加工时，空气中的尘埃可能会划伤被加工表面，有时尘埃的大小可能比磨料的颗粒还大，从而破坏加工表面，使磨料加工不能达到预期效果，因此要进行空气的洁净处理。 由于直径大于0.5m的尘埃对超精密加工的表面质量影响最大，故通常用每立方英尺体积中直径大于0.5m的尘埃数来表示空气净化等级，一般净化要求在100级-10000级。（4） 防振：在精密加工和超精密加工时，振动对加工质量的影响比较大，其振源来自两方面，一是机床等加工设备产生振动，如由回转零件的不平衡，零件或部件刚度不足等；二是来自加工设备外部，由地基传入的振动，如邻近机床工作时产生的振动，这就需要加工设备安放在带防振沟和隔振器的防振地基上，同时可使用空气弹簧来隔离低频振动，灵活方便，效果良好。精密加工和超精密加工有时还需要一些特殊工作环境，如防磁、防静电等，可根据需要进行整体环境或局部环境的处理。第二章 硅片抛光加工工艺参数分析2.1 抛光机理与加工要素抛光的加工要素与研磨基本相同，研磨时有磨具，抛光时有抛光器（称为抛光工具）。抛光与研磨是不同的。抛光时所用的抛光器一般是软质的，其塑性流动作用和微切削作用较强，其加工效果主要是降低表面粗糙度。研磨时所用的研具一般是硬质的，其微切削作用、挤压塑性变形作用较强，在精度和表面粗糙度两方面都强调要有加工效果。表2-1 机理分类机理分类 说 明微切削作用抛光属于用细微磨粒进行的切削加工，因此抛光过程会产生微小的划痕，生成细微的切削塑性流动作用磨粒与抛光器对工件有摩擦作用，使得接触点温度上升，工件表面产生塑性流动，形成凹凸不平的光滑表面化学作用抛光剂中的脂肪酸在高温下会产生化学反应，从工件金属表面溶析出金属皂，它是一种易于切除的化合物，起着化学洗涤作用，使工件表面平坦光滑机械作用加工环境中由于尘埃、异物的混入而产生机械作用2.2 抛光加工工艺参数分析2.2.1 工艺参数 加工工艺参数对实现超精密加工抛光至关重要，抛光的主要工艺参数：（1）抛光温度：抛光温度是影响硅片抛光速率与质量的一个重要参数。随着抛光温度的增加，抛光液的化学反应能力将会成指数关系的相应增加，同时也会引起抛光液的快速挥发，这样将导致硅片表面腐蚀严重、去除不均匀，从而使得抛光质量下降。但抛光温度过低又会使化学反应速度降低，进而使得机械作用大于化学作用，硅片机械损伤严重。通常抛光温度会控制在3850（粗抛）2035（中抛与精抛）。另外，抛光压力的增加、抛光转速的增加、抛光液流量的减小等也会使得抛光温度升高。 抛光压力与抛光转速：抛光压力与抛光转速对抛光速度和抛光表面质量影响很大，通常随着抛光压力与抛光转速的增加，机械作用将增强，抛光速度也将增加。但使用过高的抛光压力与转速将会导致硅片抛光速度不均匀、抛光温度升高且不易控制，从而使得出现划伤的几率大大增加，抛光质量下降。另外，在精抛过程中，抛光压力过高也会使得抛光布储存抛光液的能力下降，进而导致硅片划伤。硅片表面抛光的去除速率主要与压力车盘的旋转速度有关，根据Prestons经验方程式，在温度、抛光液及抛光垫恒定的条件下去除率可表示为：R=KPlocVrel其中K为Preston常数，Ploc为区域性压力，Vrel转盘与硅片间的相对旋转速度。（2）抛光液粒度与浓度：抛光液粒度的增加，将使抛光速度增加，但粒度的增加又会使硅片表面产生划道和缺陷的可能性大大增加。目前使用的抛光液粒度一般为10 100nm；磨料的浓度对抛光质量也有重要影响，在一定范围内，随着浓度的增加，抛光速度将会增加，且平整度也趋于更好。但当磨料浓度超过某一值时，材料去除率将停止增加，这种现象称为材料去除饱和。（3）抛光液PH值：在化学机械抛光中，随着抛光液pH值的增加，化学反应能力将相应增强，进而使得抛光速度增加，但当pH值达到某一值之后，硅片的表面将会由疏水性变为亲水性，同时抛光速度显著下降。通常抛光液的pH值控制在10.5左右（此时抛光速度最快）。同时可以在抛光液中加入多胺有机弱碱进行pH值的调节，因为该类碱可以起到缓冲的作用，使得整个抛光过程中抛光液pH值保持稳定。（4）流量的影响：流量是影响抛光速率和抛光质量的另一个重要因素。流量太小，增加了摩擦力，使温度分布不均匀，降低了硅片表面的平整度。大流量不仅使反应生成物迅速脱离硅片表面，更重要的是降低了由于摩擦产生的热量引硅片表面局部过高的温度，使硅片表面温度均一性好，保证了硅片表面的一致性。（5）硅片晶向的影响：抛光速率还受到硅片本身性质的影响，不同晶向、不同掺杂浓度的硅衬底所得到的抛光速率亦是不相同的。Si（111）面为理解面，所以（100）晶向的硅片慢，但Si（111）面的腐蚀速率比Si面快两倍左右，因此为平衡腐蚀速率和磨削速率，可使抛（100）晶向硅片是抛光液pH值比抛光（111）晶向硅片时抛光液的pH低。相同条件下（100）面抛光速率明显快于（111）面。根据报道当高掺杂硼元素的p型硅片的掺杂浓度超过1X1019 mol /cm3 时，硅的去除速率降低，而对于高掺杂n型硅抛光速率无明显的变化。2.3 抛光盘实现高精度平面抛光，关键取决于被抛光盘平面精度及其精度保持性。所以采用高平面精度抛光盘是获得工件高平面度的加工基础。因此。抛光小面积的高精度平面工件时要使用弹性变形小，并始终保持平面度的抛光盘。采用特种玻璃或者在平面金属上涂一层弹性材料或软金属材料作为抛光盘，都可以得到解决好的表面加工质量。为获得无损伤的平滑，在工件材料较软时，例如加工光学玻璃时，有时使用半软质抛光盘如锡盘光盘、铅盘 和软质抛光盘（如沥青盘、石蜡盘）。使用软质抛光盘的优点是抛光表面加工变质层和表面粗糙度都很小，缺点是不易保持平面度，因而影响工件的平面度。用软质抛光盘时，为确保抛光加工的高精度，可以采取以下措施：（1）尽可能用耐磨损变形的抛光盘（2）废弃已磨损变形的抛光盘（3）修正磨损变形，可以采用人工修整抛光盘的形状，也可以利用标准平板与抛光盘对研修整。2.4 抛光工件表面的成形过程工件表面在抛光过程中可以分为三个阶段：（1）初始阶段：主要是去除前工序留下的微小凸出部分，此阶段的实际抛光面积是极微小的，单位面积上承受的抛光压力较大，因此，这个阶段抛光表面的成形速率就大。（2）第二阶段：随着抛光过程的进行，试件被抛光的表面积越来越大，单位面积承受的压力逐渐减小，抛光表面积的形成速率也逐渐减小。这个阶段主要任务是整个表面的抛光。（3）第三阶段：是抛光过程中花费时间最长的阶段。大部分抛光表面以及在第二个阶段形成这个阶段主要任务是抛除试件表面上的个别大缺陷至少要比第一、第二阶段多花一倍的时间来去除这个大缺陷。 通过表面的形成过程的分析我们可以在第一个阶段相对较大的抛光剂颗粒，第二、三阶段依次减小，这样合理的安排有利于提高抛光质量和抛光速度。提高效率。2.5 化学机械抛光硅片的化学机械抛光是一个复杂的多项反应过程，硅片原子与抛光机在盘上浸有抛光液的多孔抛光盘吸附的抛光液中氧化剂、催化剂等反应物在设定温度下反应（温度有反应放出热、冷却水、摩擦热等因素决定）。抛光盘运转，抛光液连续流动，硅片表面的反应产物被不断地剥离掉，新抛光液补充进来，反应产物随抛光液被带走。新裸露的硅原子有被氧化，产物在被剥离来循环往复。其主要反映为碱性抛光液中OH-离子对Si表面的腐蚀反应：Si + 2OH-+ H2O SiO2-3 + 2H2 抛光液中SiO2的起机械磨削作用，和抛光垫一起通过对硅片表面的磨檫，磨去反应生产物进入抛光液中，同时SiO2是以胶体形式存在，表面带有电荷对生成物具有吸附作用，加快生成物脱离硅片表面，从而达到抛光的目的。硅在化学机械抛光过程中是以化学机械抛光过程，要获得质量好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。若化学腐蚀作用大于机械磨削作用则抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹。若机械磨削作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层。第三章 实验设备介绍3.1 智能型纳米级抛光机3.1.1智能型纳米级抛光机 在此次研究我们采用的主要是杭州智邦纳米技术有限公司制造出的最新机型-智能纳米级抛光机（如图3-1所示）。采用能够不断改善抛光盘平面度的修正系统，多台、多工序集中控制功能等先进技术，使得加工效率大大的提高，并且在配套工艺条件下可获得极高的加工精度、表面质量的高度一致性。充分体现了智能化、数字化、网络化的当代先进制造模式。目前该设备已在科研和生产中得到应用。 图 3-1 智能纳米级抛光机3.1.2智能型纳米级抛光机特点（1）高平面度质量：从抛光机运动设计原理上保证工件加工表面各点相对于抛光盘的线速度相等，且抛光运动轨迹不重复。本系列的抛光机采用修正环在线修正抛光盘平面度的系统及相应的抛光盘进行抛光，可获得优良的平面度和表面粗糙度。（2）高效率：本系列的抛光机可适用于研磨抛光各道工序加工基准的统一，使得工序中的加工雨量均一致，从面保证总加工时间大为缩短。（3）可修整平行度：采用偏心载荷休整工件的平行度，也可利用起加工出一定倾斜度的工件。（4）研磨盘更换方便：研磨盘拆装非常方便，同一规格尺寸的抛光盘可互换。（5）智能专家数据库：采用最佳加工工艺水参数专家数据库控制系统，进而保证加工质量和一致性，可有效的排除人为操作对加工过程的不利影响。（6）速度可调/速度控制模式:先进可实现无级调速并采用低速启动无级提速恒速加工低速休整降速停止的研磨盘速度控制模式可保证吵精密研磨扫光加工的工艺要求。（7）总转数精确控制：采用超精密光栅测控技术，使用抛光盘总转数精度控制在正负0.5度以内，以保证加工量总误差在1纳米以内。（8）多台多工序集中控制：具有多台/多工序集中控制和远程控制功能，以保证大批量加工质量的一致性。3.1.3加工前准备（1）准备抛光液：连接抛光液供给管路（或者直接采用人工直接加入）和抛光液回收管路。（2）清理抛光机：保证抛光盆内无异物杂质。（3）安装抛光盘：把所需的抛光盘安装到主轴基盘山。（4）清理抛光盘：保证抛光盘表面无异物杂质。（5）粘贴工件：采用合适的胶粘剂（本次实验采用石蜡）将工件（单晶硅片）粘到工件基盘（四周刻度的圆饼形盘）上，胶粘剂应涂均匀，并尽量使工件均匀分布到工件盘上。（6）连接数据线与电源：检查抛光机主机与控制器的数据线是否正确，电源是否接通，紧急开关是否处于常闭状态。主机通电后电源批示等工件。（7）修盘：在抛光光盘上安放休整环，调节修正爪环合适位置（当抛光盘呈凸形时，通过修整环保持架的角度，使修环向中心移动，反之向外移动）。加入抛光液，启动主机，开始修盘。如无需修盘，可省略此步。（8）清洗抛光盘：将修整环从抛光液盘上移去，清洗抛光盘，保证无磨屑、粗磨粒等残留杂质。（9）安放工件：将粘贴有工件的工件基盘安放到抛光盘的合适文职（使工件与抛光盘平衡接触）。如载少量砝码后（应使砝码的高度稍高于修整环），再安放休整环，通过调节修整爪使工件处于合适位置。最后将砝码增加到所需载荷。（10）准备开始加工：当完成以上准备工作后，即可开始加工。3.2 JY4001型电子天平/YP6000N电子天平采用YP6000N型电子天平测量硅片加工砝码的重量，称量量程：06000克，重复性误差（标准偏差1克），采用JY4001型电子天平配备各种浓度的研磨液 （如图3-2所示）。 图3-2 YP6000N型电子天平 /JY4001型电子天平3.3 KQ-100B型超声波清洗机 清洗设备采用KQ-100B超声波清洗机（如图3-3所示），其原理是利用超声波发生器所发出的高频震荡而传播到介质-清洗溶液中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长而在正压区迅速闭合，在这种被称之为“空化”效应 图3-3 KQ-100B超声波清洗机的过程中气泡闭合可形成超过1000个气压的瞬间高压，连续不断产生的高压就象一连串小爆炸，不断地冲击物件表面，使物件表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。超声波工作频率为40KHZ。3.4 JP001型晶片检测仪 硅片材料去除率测量仪器：JP001型晶片检测仪（如图3-4所示），该设备数显分辨率：0.01微米，最大数值误差：正负（0.0+0.01L）微米（L为光电传感器的实际使用范围，LMAX=10微米），测量范围：010毫米。 图 3-4 JP001型晶片检测3.5 SE1700a表面测量粗糙度测量仪等 硅片表面粗糙度测量仪器：日本小坂研究所（KOSAKA LABORATORY LTD）SE1700a-18D表面粗糙测量仪（如图3-6所示），测量精度：0.001微米，取样波长度：0.800毫米，测量长度4毫米。图3-6 SE1700a-18D表面粗糙测量仪3.6 蠕动泵 采用BT-100M（泵头选用YZ1515，参考流量范围（0.007290ml/min）.BT00-300 M(泵头可选用YZ1515，参考流量范围：0.0071140ml/min)为抛光液添加设备。（如图3-7所示）图 3-7 蠕动泵第四章 抛光实验与实验结果分析4.1 抛光过程的运动分析 对于抛光来说，主要是维持研磨所取得良好平面度的前提下，去除工件表面微小的凸起和表面损伤层，以获得镜面光度。所以要求均匀、无方向性地抛光整个工件表面。反映在速度上，就是工件表面上每一点的相对速度大小应在任何时候都保持恒定。 保证抛光盘与修正环有相同的角速度，就可以保证工件上任意一点与抛光盘之间的相对速度的大小恒定，并且整个工件可以均匀而且没有方向性地被抛光。 这里假设满足以下条件：（1）工件是不变形的刚体，抛光盘是能按工件加工面形状变形的弹性体。这时可以忽略介于两者之间的磨粒与加工液的厚度和形状变化，认为工件与抛光盘间全面贴紧；（2） 分布载荷P均匀分布，工件材料的去除对载荷大小不发生影响（实际变化很小）；（3） 抛光盘的塑性变形也包含在磨损中。 材料的总去除量是与抛光路径的长度成正比的。实验所用抛光机采用光栅测量和微机控制技术，将抛光盘总转数的精度控制在0.5以下，从而保证了加工路径总误差在1.4以内。针对不同的晶体材料加载合适的砝码，完全可使工件的去除精度达到1nm以下。抛光机采用了直接控制抛光路径的长度的策略，可以消除在控制抛光速度、时间时由于速度的波动而引起的累积误差。同时可采用“低速起动无级提速恒速加工低速休整低速停止”的抛光盘速度控制模式，减少由于速度变化过大对晶片造成的冲击损伤。4.2 修正环在线休整的工作原理1-修正环保持架（可调）；2-滚动轮；3-抛光盘；4-修正环；5-载物孔；6-工件7-平面夹具；8-标准砝码；9-斜砝码。图4-1修正环型平面抛光加工方法原理图由于超精密抛光是目前超精密机械加工方法精度最高、表面质量最好的加工方法。因此，目前超精密抛光通常作为IC器件基片的最终加工方法，而平面抛光成为各种元件基片最常用也是最重要的加工方式。抛光效率忽然质量受到磨料、抛光液、抛光速度、载荷以及抛光盘等众多因素的影响。在传统的抛光机上用软质抛光盘进行高精度平面抛光时，由于抛光盘面的变形和磨损会引起工件平面度恶化，通常需凭工人的经验频繁地将抛光盘在标准平板上进行手工对研，以修正抛光盘面的变形，实现高精度的平面加工。为了尽可能降低对工人熟练程度的要求和减小工作量，从设计原理上提出一种修正环型平面抛光加工方法。其原理如图4-1所示：将工件6粘帖在平行平面夹具7上，作为名义大口径厚工件加工，并通过修正环4的旋转来实时在线修整抛光盘3的平面度。当抛光盘呈凸形时，通过修正环保持架1的角度，使修正环中心移动，反之向外移动。加工过程采用标准砝码8在平行平面夹具上加载，并可通过加载一个同直径的斜砝码9来修正工件的平行度。该设备可操作性好，并具有很高的再现性。抛光机采用专家数据库智能控制系统，实现了加工过程的高度自动化，提高了加工效率、加工质量和一致性。结合合理的加工工艺，工件抛光后，表面损伤极小，表面粗糙度值可小于2nm。4.3 工件平行度的修正 当研磨后或抛光过程中，工件材料平行度误差超出允许范围时就需要对其平行度进行修正。修正抛光是使被加工面对基准平面的角度达到最小值。此型抛光机使工件附件加偏心压力，由于各点压力p不同，各点的去除率也将不一致，因此可以利用这一方法修正工件的平行度。通过对此型抛光机的运动分析，可以得出以下结论：（1）抛光盘在修正环的在线修整作用下可长期保证几何形状精度。抛光过程中，工件端平面上的每点相对于抛光盘的线速度以及抛光路程相等可保证工件均匀地抛光。（2） 工件被加工面相对于抛光的运动方向不断变化，从而使工件能够无方向性地抛光。（3）将抛光盘总转数的精度控制在0.5以内，保证加工余量去除误差在1nm以内从而实现了工件微细余量的去除。 （4）采用了“低速起动无级提速恒速加工低速修整低速停止”的抛光盘速度控制模式，能够减少对工件的冲击，实现平稳加工。4.4 硅片抛光工艺实验及分析 工艺过程中设计对加工质量、生产率、成本往往具有关键性的全局影响，在精密加工和超精密加工中更是如此，应该遵循一般加工的原则和规律，循序渐近、严格要求。所以本论文先进行硅片研磨工艺实验研究，研磨工艺实验研究由另一小组进行，在此基础上我们再进行硅片抛光工艺实验的研究。实验装置的搭建（如图4-2所示）图4-2 实验装置4.4.1 本实验硅片抛光工艺参数的设计（1）抛光硅片尺寸：3英寸（76.2mm）；（2）抛光垫：聚氨酯固化抛光垫；（3）抛光压力P：1.60KPa；3.20KPa；4.80KPa；（4）抛光盘转速：修正环型抛光机本身的额定转速为5-120rpm，抛光盘转速过高，抛光盘本身跳动较大，抛光盘主轴振动严重，另外，抛光液很容易甩出抛光盘，故选择抛光盘转速为10rpm、20rpm、30rpm和40rpm；（5）本实验抛光液配比：FA/O抛光液：纯净水=1：15；最好用去离子水配置；（6）抛光液的添加设备：蠕动泵，电机转速为11rpm。4.4.2 实验方案的设计 根据以上设定的抛光工艺参数进行了抛光实验，本实验主要是根据另一小组研磨实验得到的一些结论通过改变抛光压力P和抛光盘转速观察表面粗糙度的变化情况，根据另一组研磨实验得出的结论设计抛光方案：逐渐减小抛光的压力4.80Kpa 3.20Kpa 1.60Kpa，且逐渐增大抛光转速10rpm 20rpm 30rpm 40rpm 这样来保证抛光的表面质量。实验时在抛光盘上标定5点，抛光时间间隔2小时，在标定点测量一次表面粗糙度值，取其平均值。因抛光去除量很小，用我们实验室晶片检测仪检测时数据变化不明显，所以本次实验未对此进行记录，实验数据如表4-1，图4-3为抛光压力和抛光盘转速与硅片表面粗糙度之间的关系。表4-1 不同压力和抛光盘转速组合与硅片表面粗糙度值的实验数据压力转速12345Ra平均值4.80 Kpa、10 rpm0.05880.06930.07350.07330.07250.06954.80 Kpa、20 rpm0.05040.05580.05960.05860.06030.05693.20 Kpa、20 rpm0.04280.04960.05040.04540.04830.04733.20 Kpa、20 rpm0.03760.04660.04660.04350.04570.04403.20 Kpa、30 rpm0.0266