微磨料水射流拋光硅片的實驗研究

李志榮，封志明

(西華大學(xué)機械工程與自動化學(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代邁進。這便造成IC 制作時的成品率和產(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)前的一個不斷探索的主題[1]。

目前，拋光硅片最主流的方法為機械化學(xué)的拋光法(CMP)，但由于拋光后表面會產(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，以形成射流達到加工工件的目的;它對材料表面具有較強的沖蝕作用，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，國內(nèi)外的學(xué)者紛紛采用磨料水射流對各種材料的表面拋光進行了研究，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。可以說，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械化學(xué)的侵蝕對硅片表面進行拋光，對磨料水射流的幾個主要工藝參數(shù)對硅片表面拋光效果的影響進行了實驗分析。

1 微磨料水射流拋光實驗研究

1.1 微磨料水射流拋光試驗裝置

試驗裝置由增壓系統(tǒng)、水射流機床、數(shù)控系統(tǒng)等組成。磨料水射流拋光實驗裝置如圖1所示。

圖1 磨料水射流拋光實驗裝置

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 實驗的制備過程

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

2 正交試驗設(shè)計

2.1 正交試驗因素及水平評定

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)對硅片拋光表面效果的影響，僅對射流壓力、噴射角度、磨粒濃度和靶距4個主要工藝參數(shù)進行拋光實驗研究[3]。

射流壓力直接決定著工件表面磨削力的大小。針對此次試驗，經(jīng)預(yù)先測試，壓力在2～5 MPa 去除材料最佳，此次實驗選取射流壓力參數(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?zāi)チ５闹睆皆?.5～2 mm之間，試驗時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)測試靶距為4～16 mm時拋光效果最佳，此次實驗選用靶距參數(shù)為4，8，12，16 mm。

2.2 正交試驗表的建立

由此，得出微磨料水射流拋光硅片實驗應(yīng)考慮的4個影響因素，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因素定義為A、B、C、D，每個因素的變化考慮3個水平。拋光實驗因素水平表如表1所示。

表1 磨料水射流拋光實驗正交因素水平表

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

為清楚地考察各個因素之間的相互影響關(guān)系，實驗時，將拋光前與拋光后的硅片表面用TR200型粗糙度測量儀分別測量，并分組記錄。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 磨料水射流拋光實驗正交試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果如表3所示:記M1是對應(yīng)于表1中第一列中“1”水平的4個試驗結(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中最大的一個數(shù)減去最小的一個數(shù)之差。以此類推得到第2列，第3列，第4列，第5列[5]。

表3 磨料水射流拋光實驗結(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實驗結(jié)果影響的大小，即R越大對應(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 因素對實驗結(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為主→次: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

在該實驗中，經(jīng)分析得每個因素各個水平的最大值所對應(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 下進行了拋光試驗。壓力變化對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，但每增加一點壓力，其能耗相應(yīng)增加。根據(jù)試驗結(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 射流壓力對表面粗糙度的影響

3.3 磨粒濃度對表面粗糙度的影響

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。因為磨粒濃度的增加，顆粒

之間重復(fù)沖撞效應(yīng)增強，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 磨粒濃度對表面粗糙度的影響

3.4 噴射角度對表面粗糙度的影響

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。其原因是噴射角度增加，工件表面上單位時間單位面積上被粒子打擊和沖蝕的次數(shù)減少。根據(jù)試驗結(jié)果可知，45°的噴射角度是比較合適的。

圖6 噴射角度對表面粗糙度的影響

3.5 靶距對表面粗糙度的影響

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。根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)靶距為8 mm時表面粗糙度最低，所以靶距為8 mm是很合理的。

4 結(jié)論

利用已有的HJ300型水射流機床設(shè)備和自制裝置的試驗平臺，對硅片進行了拋光試驗。試驗結(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等試驗條件下，磨料水射流完全可以達到拋光功用。根據(jù)正交實驗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。實驗證實: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)拋光那樣達到很高的表面質(zhì)量，其原因是不同菱角的磨粒在拋光時對硅片產(chǎn)生的沖擊力不易控制，但從成本耗費和環(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年中國材料研討會，北京，2004.

【2】袁卓林，雷玉勇，孫書蕾，等.微磨料水射流對工件表面拋光作用的研究[J].機床與液壓，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】中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所數(shù)理統(tǒng)計組.正交試驗法[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.