单晶硅片研抛减薄不均匀性及挠曲变形的实验研究

摘要

在MEMS传感器中，制备出高性能、高灵敏、低成本的硅结构层已成为许多MEMS器件产业化的关键。研磨和抛光结合的化学及机械减薄方法具有去除速率高，面型精度好，同时又能对器件的玻璃层中开出的引线孔洞起到很好保护作用的特点，故被广泛的应用于MEMS器件结构层的制备和封装工艺中。目前我国无论是在硅片研抛均匀性还是在涉及减薄翘曲变形的基础理论和实验研究方面都相对较少，这在一定程度上制约了我国MEMS器件的产业化，为此本文针对研抛减薄中的相关问题展开了如下研究:
　　(1)对硅片研磨减薄过程中材料去除速率非均匀性的影响因素进行了研究。根据Preston方程，从运动学角度分析了硅片研磨中材料去除速率(MaterialRemovalRate，MRR)的非均匀性与硅片上任意一点对研磨盘的相对速度的关系，得出当载样盘和研磨盘的角速度相等时，其界面相对速度恒定不变，此时研磨过程中的MRR将由界面的法向压强决定。因此对实验中的基于载样盘自重研磨和气动主轴施压研磨的接触面压强的分布进行了有限元仿真，结果表明石蜡粘片误差是导致非均匀性的主要因素。
　　(2)创新性的提出并设计加工了石蜡旋涂粘片系统以减小石蜡粘片的误差，测得在90℃时，当低速段转速和高速段转速的大小和时间分别为500rpm和8s，2500rpm和20s的条件下，旋涂后的石蜡膜厚度沿径向方向的梯度较小，其值基本稳定在2.7μm左右，石蜡膜厚度最大误差为0.867μm。经0.6Mpa的气动压力施压压片后，粘片后总厚度最大厚度差ΔD不超过3μm。
　　(3)阐释了硅片研磨表面的残余应力及其挠曲产生的原因，实验获得了硅片表面残余应力与研磨颗粒直径、抛光颗粒直径和研磨盘转速等参数的变化规律，对减小挠曲变形的研磨抛光工艺进行了对比和优化。在优化条件下减薄后硅片的残余应力从-2201.93MPa减小到-197.49Mpa，表面粗糙度Ra减小到0.7448nm。硅片的翘曲度由最大的323.3μm减小到19.3μm，与测得的双抛裸片翘曲度基本一致。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 国内外研究概况

1．1．2 存在的主要问题及发展趋势

1．2 本文的研究意义和课题来源

1．2．1 研究意义

1．2．2 课题来源

1．3 本文的研究内容

第二章 硅片研磨中材料去除非均匀性的影响因素分析

2．1 硅片研磨原理及Preston方程

2．2 研磨过程中接触面的运动学分析

2．3 研磨的接触面压强的有限元仿真

2．3．1 载样盘自重研磨下接触面的压强分布

2．3．2 主轴对载样盘施压研磨时接触面的压强分布

2．4 本章小结

第三章 石蜡旋涂粘片工艺的研究

3．1 石蜡旋涂的可行性分析

3．1．1 旋涂法原理及模型

3．1．2 石蜡旋涂过程中的影响参数

3．2 石蜡加热旋涂系统的设计

3．3 旋涂石蜡膜的厚度表征

3．4 粘片总厚度随着高速旋转时间的变化规律

3．5 粘片总厚度随高速旋转转速的变化规律

3．5．1 采用载样盘自重压片时粘片均匀性的变化规律

3．5．2 采用气动压力施压压片时粘片均匀性的变化规律

3．6 本章小结

第四章 硅片研抛减薄中的挠曲变形机理及工艺优化

4．1 硅片研磨后表面的残余应力及其产生原因

4．2 硅片挠曲变形的形式与分析

4．2．1 弯曲度与翘曲度的概念

4．2．2 硅片的弯曲和翘曲变形

4．2．3 硅片的卷曲变形

4．3 X射线衍射应力分析的基本原理

4．3．1 晶体的X射线衍射基础

4．3．2 X射线衍射应力分析的sin2ψ法

4．4 减小硅片研抛减薄过程中挠曲变形的实验研究

4．4．1 实验方案设计

4．4．2 残余应力随着转速变化规律的研究

4．4．3 减小挠曲变形的研抛优化工艺及其验证实验

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果