微磨料水射流拋光硅片的實(shí)驗(yàn)研究

李志榮，封志明

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都610039)

硅作為半導(dǎo)體是微電子和電子工業(yè)中最主要的材料。IC技術(shù)的精度正在向超高精度的時(shí)代邁進(jìn)。這便造成IC 制作時(shí)的成品率和產(chǎn)品的質(zhì)量越來越受到硅片質(zhì)量的影響，其中，對(duì)硅片拋光表面幾何參數(shù)的要求也就越來越嚴(yán)格。而如何不斷地提高硅片的幾何參數(shù)水平，特別是硅片局部平整度，成為了硅片生產(chǎn)方當(dāng)前的一個(gè)不斷探索的主題[1]。

目前，拋光硅片最主流的方法為機(jī)械化學(xué)的拋光法(CMP)，但由于拋光后表面會(huì)產(chǎn)生殘留漿料，因此，表面殘留漿料的清除是CMP 后清洗發(fā)展的主要難題。為此采用新的方法以使殘留漿料穩(wěn)定地清除，而且產(chǎn)生的缺陷不多，是硅片拋光過程中要解決的難題。

磨料水射流是利用高壓水將磨料粒子加速后從噴嘴噴出，以形成射流達(dá)到加工工件的目的;它對(duì)材料表面具有較強(qiáng)的沖蝕作用，并且在沖蝕過程中不改變材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，因此適用于加工各種結(jié)構(gòu)材料和功能材料[2]。為此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者紛紛采用磨料水射流對(duì)各種材料的表面拋光進(jìn)行了研究，得到了磨料水射流與常規(guī)的化學(xué)拋光、研磨拋光相比具有費(fèi)用低、環(huán)境友好、拋光效率高、拋光后表面質(zhì)量好等許多優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f，磨料水射流拋光技術(shù)是一種綠色環(huán)保的拋光技術(shù)，在船舶、管道等領(lǐng)域都有廣闊的產(chǎn)業(yè)前景。

作者用磨料水射流代替機(jī)械化學(xué)的侵蝕對(duì)硅片表面進(jìn)行拋光，對(duì)磨料水射流的幾個(gè)主要工藝參數(shù)對(duì)硅片表面拋光效果的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

1 微磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)研究

1.1 微磨料水射流拋光試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由增壓系統(tǒng)、水射流機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)等組成。磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)裝置

圖2為磨料水射流拋光的工藝流程圖。

圖2 磨料水射流拋光工藝流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)的制備過程

實(shí)驗(yàn)中，磨料選為80 目的石榴石，磨粒粒徑選為0.15～0.2 mm，在拋光試驗(yàn)中，射流噴嘴與靶件成一定夾角和速度運(yùn)動(dòng)，硅片固定不動(dòng)。拋光后的表面質(zhì)量采用TR200型粗糙度儀測(cè)試。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 正交試驗(yàn)因素及水平評(píng)定

影響工件表面拋光的工藝參數(shù)有很多，為了得到微磨料水射流參數(shù)對(duì)硅片拋光表面效果的影響，僅對(duì)射流壓力、噴射角度、磨粒濃度和靶距4個(gè)主要工藝參數(shù)進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)研究[3]。

射流壓力直接決定著工件表面磨削力的大小。針對(duì)此次試驗(yàn)，經(jīng)預(yù)先測(cè)試，壓力在2～5 MPa 去除材料最佳，此次實(shí)驗(yàn)選取射流壓力參數(shù)為2，3，4，5 MPa。

噴射角度又叫入射角或攻角，它決定著加工后硅片表面平整度，夾角變化范圍為0°～90°。此次試驗(yàn)選擇的噴射角度參數(shù)分為30°，45°，60°，90°。

磨粒濃度是磨粒在拋光液中占的比例的多少，此次試驗(yàn)?zāi)チ５闹睆皆?.5～2 mm之間，試驗(yàn)時(shí)射流中磨粒和拋光液的質(zhì)量比定為1∶2，1∶3，1∶4，1∶5。

靶距是指噴嘴小孔與硅片表面之間的直線距離，經(jīng)測(cè)試靶距為4～16 mm時(shí)拋光效果最佳，此次實(shí)驗(yàn)選用靶距參數(shù)為4，8，12，16 mm。

2.2 正交試驗(yàn)表的建立

由此，得出微磨料水射流拋光硅片實(shí)驗(yàn)應(yīng)考慮的4個(gè)影響因素，即射流壓力、噴射角度、磨粒濃度和靶距。為了分析方便，把影響拋光的這四個(gè)因素定義為A、B、C、D，每個(gè)因素的變化考慮3個(gè)水平。拋光實(shí)驗(yàn)因素水平表如表1所示。

表1 磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)正交因素水平表

由此，為得到拋光原型時(shí)較好的工藝組合，采用正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用L16(45)表。根據(jù)L16(45)的正交試驗(yàn)表[4]，建立的磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)的正交表如表2所示。

為清楚地考察各個(gè)因素之間的相互影響關(guān)系，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將拋光前與拋光后的硅片表面用TR200型粗糙度測(cè)量?jī)x分別測(cè)量，并分組記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)正交試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示:記M1是對(duì)應(yīng)于表1中第一列中“1”水平的4個(gè)試驗(yàn)結(jié)果之和，k1為其除以4 后得到的平均數(shù)，即k1=M1/4;定義極差R為k1、k2、k3、k4中最大的一個(gè)數(shù)減去最小的一個(gè)數(shù)之差。以此類推得到第2列，第3列，第4列，第5列[5]。

表3 磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表

3.1 極差分析

因素的主次關(guān)系。極數(shù)差R的大小反映出因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的大小，即R越大對(duì)應(yīng)列因素影響越大。第1列和第4列的極差數(shù)分別為0.112 5 和0.155，比第2列和第3列的0.1 和0.06 大很多，表明A、D 因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是主要的，由極差大小順序而排出因素的主次順序?yàn)橹鳌?D、A;B、C，即靶距、射流壓力、噴射角度、磨粒濃度。

較優(yōu)的水平組合。根據(jù)k1、k2、k3、k4值的大小，因素水平搭配與所要求的指標(biāo)有關(guān)。若要求指標(biāo)越大越好，則應(yīng)選取指標(biāo)大的水平;若希望指標(biāo)越小越好，應(yīng)選取指標(biāo)小的水平;若要求的指標(biāo)適中為好，則取指標(biāo)適中的水平。

直觀分析。根據(jù)每個(gè)因素做出一副直觀圖，可以清晰地看出影響最明顯的因素，并較快地分析出因素指標(biāo)的最優(yōu)組合，如圖3所示。

圖3 直觀分析圖

在該實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)分析得每個(gè)因素各個(gè)水平的最大值所對(duì)應(yīng)的水平組合是最優(yōu)組合，綜合平均轉(zhuǎn)化最高，最優(yōu)水平組合為A4B2C4D2，即:射流壓力為5 MPa，噴射角度為45°，磨粒濃度為1∶5，靶距為8 mm。

3.2 射流壓力對(duì)表面粗糙度的影響

在噴射角度為45°、磨粒濃度為1∶5、靶距s=8 mm等條件下，分別在壓力為2，3，4，5 MPa 下進(jìn)行了拋光試驗(yàn)。壓力變化對(duì)表面粗糙度的影響如圖4所示。

由圖4可見:表面粗糙度隨著射流壓力的增加而減小，但當(dāng)壓力超過5 MPa 后隨著射流壓力增大，粗糙度逐漸趨于平穩(wěn)。原因是:在一定的范圍內(nèi)，由于壓力的增大，射流給磨粒提供足夠的能量使沖擊力顯著增強(qiáng)，但每增加一點(diǎn)壓力，其能耗相應(yīng)增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并考慮壓力過高導(dǎo)致噴嘴的磨損加劇，因此工作壓力為5 MPa是較為合理的。

圖4 射流壓力對(duì)表面粗糙度的影響

3.3 磨粒濃度對(duì)表面粗糙度的影響

在噴射角度為45°、靶距s=8 mm、壓力p=5 MPa 等條件下，不同磨粒濃度對(duì)表面粗糙度的影響如圖5所示。

由圖5可見:磨粒濃度增加，表面粗糙度先減后增、最終趨于穩(wěn)定。因?yàn)槟チ舛鹊脑黾?，顆粒

之間重復(fù)沖撞效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致部分顆粒未能發(fā)揮作用，甚至減弱了其中部分顆粒的能量。因此，磨粒濃度選為0.2 最為合理。

圖5 磨粒濃度對(duì)表面粗糙度的影響

3.4 噴射角度對(duì)表面粗糙度的影響

在磨粒濃度為1 ∶5、壓力p=5 MPa、靶距s=8 mm 等條件下，分析不同噴射角度下表面粗糙度的變化，如圖6所示。

如圖6所示:噴射角度遞增，表面粗糙度呈現(xiàn)先降低后又上升趨勢(shì)。其原因是噴射角度增加，工件表面上單位時(shí)間單位面積上被粒子打擊和沖蝕的次數(shù)減少。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，45°的噴射角度是比較合適的。

圖6 噴射角度對(duì)表面粗糙度的影響

3.5 靶距對(duì)表面粗糙度的影響

在噴射角度45°、壓力p=5 MPa、磨粒濃度1 ∶5等條件下，分析不同的靶距下表面粗糙度的變化，如圖7所示。

圖7 靶距對(duì)表面粗糙度的影響

由圖7可見:隨著靶距的增加，表面粗糙度一開始大幅度下降，但隨后呈先升后降最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)靶距為8 mm時(shí)表面粗糙度最低，所以靶距為8 mm是很合理的。

4 結(jié)論

利用已有的HJ300型水射流機(jī)床設(shè)備和自制裝置的試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)硅片進(jìn)行了拋光試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用水射流引射磨料的方式，在工作壓力為5 MPa、噴射角度為45°、靶距s=8 mm、磨粒濃度1∶5等試驗(yàn)條件下，磨料水射流完全可以達(dá)到拋光功用。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)直觀分析出靶距和射流壓力的大小是影響拋光效果的主要因素。實(shí)驗(yàn)證實(shí):通過盡可能減少拋光去除量便可有效改善硅片平整度，從拋光后工件表面來看，雖然不如化學(xué)拋光那樣達(dá)到很高的表面質(zhì)量，其原因是不同菱角的磨粒在拋光時(shí)對(duì)硅片產(chǎn)生的沖擊力不易控制，但從成本耗費(fèi)和環(huán)保角度看，硅片的磨料水射流拋光仍是較好的選擇。

【1】史舸，鄧德翼，王文衛(wèi)，等.硅拋光片幾何參數(shù)控制的工藝研究[C]//2004年中國(guó)材料研討會(huì)，北京，2004.

【2】袁卓林，雷玉勇，孫書蕾，等.微磨料水射流對(duì)工件表面拋光作用的研究[J].機(jī)床與液壓，2010，38(21):4－6.

【3】ZHANG Lei，KUDYAGAWA Tsunemoto，YASUTOMB Yuya，et al.Investigation into Micro Abrasive Intermittent Jet Machining[J].International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2005，45(7/8):873－879.

【4】中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所數(shù)理統(tǒng)計(jì)組.正交試驗(yàn)法[M].北京:人民教育出版社，1975:122－123.

【5】邵飛.用于SLA 原型的磨料水射流拋光工藝研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué)，2007.