1 前言

硅是具有金刚石晶体结构，原子间以共价键结合的硬脆材料。其硬度达到1000HV，但断裂强度很低，超精密加工这样的硬脆材料有一定的难度。同时，硅又是一种很好的半导体材料，构成集成电路半导体晶片(芯片)的90%以上都是硅晶片 [1]。集成电路自1959年发明以来，集成电路芯片的集成度在不断提高，而加工特征尺寸和加工成本逐步缩小 [2]，如表1所示。为了能在硅晶片上印刷集成电路、与其他元件结合紧密，硅晶片的表面必须平直;特别是随着集成电路的集成程度的提高，对硅晶片的表面的线宽、硅晶片的平直度提出了越来越高的要求;而且企业为了占领市场，实现优质、低耗，大尺寸、高精度的硅晶片超精密加工具有及其重要的意义。

现今世界上硅晶片生产主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡等少数发达国家和地区。国内现处于兴建硅晶片加工厂和生产硅晶片的热潮。目前，大批生产的硅片直径以200mm为主，但300mm直径的硅片已在2000年开始出现。目前，只有美国英特尔公司和德州仪器可以制作300mm的硅晶片。2015年左右可能出现400～450mm直径的硅片，这无疑对硅晶片的超精密加工提出了更高的要求 [3~4]。日本为改变半导体竞争力下降的局面，开发大晶片技术，于1996年联合成立了"超大型硅研究所"(SSI)，共同研究开发400mm硅片的关键技术 [5~6]。

超精密加工的加工机理主要包括"进化加工" 及"超越性加工"。目前除对机理研究外，还对微观表面完整性、在超精密范畴内对各种材料的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。由于直接对切削点观察异常困难，现在有提议将切削装置小型化，放置于 SEM的镜头下进行切削并观察。日本大阪大学井川直哉教授等开始采用计算机仿真，逐步向揭开微量切削的奥秘迫近。

超精密加工方法主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、化学机械研磨、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)以及超精密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等)。而且在今后的相当一段时间，亚微米及纳米级制造及测量成为制造科技和制造工艺的主流。

2 硅晶片主要加工方法的研究现状

2.1 硅晶片的形成

硅晶片经过以下过程形成：多晶体硅→极限拉伸(局域拉伸)→单晶体硅柱→外圆磨削(无心磨削)→磨削切断(精密切割)→圆边→硅晶片

(1)晶棒成长工序(拉单晶)：融化 → 颈部成长 → 晶冠成长 → 晶体成长 → 尾部成长。

(2)晶棒裁切与检测：将长成的晶棒去掉直径偏小的头、尾部分，并对尺寸进行检测，以决定下步加工的工艺参数。

(3)外径磨削：由于在晶棒成长过程中，其外径尺寸和圆度均有一定偏差，其外圆柱面也凹凸不平，所以必须对外径进行修整、研磨，使其尺寸、形状误差均小于允许偏差。

(4)切断：由于硅的硬度非常大，所以在本工序里，采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片将晶棒切割成一片片薄片。

(5)圆边：刚切下来的晶片外边缘很锋利，

硅单晶又是脆性材料，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须用专用的电脑控制设备自动修整晶片边缘形状和外径尺寸。

2.2 硅晶片的超精密加工

经过上述过程所形成的硅晶片，其平面度小于 8μm，但还需进一步加工，以提高其平面度和降低表面粗糙度。其主要过程为粗磨→精磨→化学刻蚀→抛光→电路层制作→背面磨削→切割成小块。

2.2.1 超精密切削的研究现状

单点金刚石切削(SPDT)。单点金刚石切削的特点是采用数控方法直接控制加工轮廓和表面粗糙度，是加工红外光学材料和磨削加工的可替代方法。 Venkatesh 等人采用0°前角、刀尖半径为0.75mm的金刚石刀具加工硅晶片，当切削深度为1mm、进给速度为0.4mm/min、主轴速度为400m/min时，采用AFM测量方法，所得到的表面粗糙度达到1nm[7]。

金刚石切削刀具刃口圆弧半径一直在向更小的方向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙度，同时还必然要求金刚石刀具更加锋利。根据日本大阪大学岛田尚一博士介绍，为了进行切薄试验，目标是达到切屑的厚度1nm，其刃口圆弧半径趋近2～4nm。为解决金刚石刀具的磨损问题，Jiwang Yan等人提出采用倒角金刚石刀具大进给塑性加工单晶硅，在进给量为5 mm/rev等加工条件下得到的SEM连续切屑如图1所示，加工表面粗糙度 Ra=5.1nm[8]。这一方法对于推广单点切削的生产应用具有重要意义。

2.2.2 超精密磨削的研究现状

1981 年，J. Watanabe和 J. Suzuki采用动压原理设计刀具，对76mm硅晶片进行加工，其平面度为1μm /76mm，表面粗糙度为1nm[9]，是当时精密磨削的最高水平。2004年，美国堪萨斯州立大学Z. J. Pei等人对硅晶片的精密磨削进行了一系列研究，包括实验设计、机床主轴角度调整、卡盘形状、硅晶片加工形状的数学模型、硅晶片亚表面损伤观察、硅晶片的磨削研究等近10篇文章。其主要结论是：卡盘与工件的速度比对加工轨迹影响很大;正确选择加工参数有利于加工精度的提高，并通过正交试验研究了各个参数对加工精度的影响程度。

在超精密磨削中，金刚石砂轮的修整情况对零件的加工质量具有决定性影响。其修整过程主要包括修平(truing)/ 结合剂去除(dressing)和去尖(Truncation)。修平一般采用用金刚石砂轮磨削相对软质物质(如碳化硅砂轮)。结合剂去除主要电解法(如 ELID)和接触放电法(ECD-Electro- contact Discharge)[10]等。

1987年日本东京物理化学研究所大森整首先提出利用纤维铸铁结合剂砂轮进行电解磨削，即ELID(Electrolytic In-process Dressing)磨削法，实现了对硬脆材料位延性方式的镜面磨削。ELID镜面磨削原理是：磨削过程中，砂轮通过接电电刷与电源的正极相接，安装在机床上的修整电极与电源的负极相接，砂轮和电极之间浇注电解液，这样砂轮、电极以及砂轮和电极之间的电解液形成一个完整的电化学系统，如图2所示。从而实现在线去除砂轮表层结合剂，提高砂轮的磨削加工能力。利用该技术塑性磨削硅晶片，表面粗糙度Ra 达到 2.8nm[11]，目前已开发出一些产品，进入技术推广和应用阶段。为增加同时参与加工磨粒数,日本北见工业大学田牧纯一教授正在研究金刚石磨粒去尖技术，以增加同时参与磨削的磨粒数量。

2.2.3 超精密研磨的研究现状

在包括机械化学研磨(chemical-mechanical polishing)、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等超精密研削中，机械化学研磨的应用比较广泛。其工作原理是由溶液的腐蚀作用形成化学反应薄层，然后由磨粒的机械摩擦作用去除。利用软磨料的活性以及因磨粒与工件间在微观接触度的摩擦产生的高压、高温，使能在很短的接触时间内出现固相反应，随后这种反应生成物被运动的磨粒机械摩擦作用去除。目前，去除量最小至0.1nm，整体厚度变化为0.2～0.4μm/300mm，表面光洁度为1nm，图3为用 AFM测得的表面粗糙度图形 [12]。英国和德国对这项技术的研究处于领先地位。

3 硅晶片加工设备的研究现状

美国LLL实验室于1983年研制的DTM-3大型金刚石超精密车床，加工平面度为12.5nm，加工表面粗糙度 Ra为4.2nm。

英国克兰菲尔德(Cranfield)技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所(简称CUPE)是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。其生产的Nanocentre(纳米加工中心)既可以进行超精密车削，也可以进行超精密磨削，加工工件得形状精度为0.1μm，表面粗糙度小于10nm。

模块化、构件化是超精密机床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、二维和多维超精密运动控制平台和机床。

超精密机床往往与传统机床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是"T"型布局，这种布局 使机床整体刚度较高，控制也相对容易，如Pneumo公司生产的大部分超精密车床都采用这一布局。模块化使机床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密磨床，用于磨削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度;德国蔡司公司研制了4轴AS100精密磨床，用于加工自由形式表面，该机床除了X、Z和 C轴外，附加了A轴，用于加工自由表面时控制砂轮的切削点。

4 硅晶片加工方法的发展趋势

以下是硅晶片加工方法的发展趋势：

(1)双面研磨和采用杯形砂轮的回转磨削可进一步提高硅晶片的表面质量，是未来硅晶片超精密加工很有竞争力的技术;

(2)在磨削过程中，通过控制刀具相对于工件的位置和刀具主轴的自动调整来获得理想的加工表面，实现以磨代抛;

(3)为进一步提高硅晶片的表面质量，大摩擦系数的化学机械抛光有可能得到应用;

(4)对于大尺寸的硅晶片，如果利用固定金刚石刀具进行塑性区域加工，可提高加工精度，减小亚表面的损伤，减小抛光量，提高加工效率;

(5)用超精密切削代替超精密磨削也是超精密技术发展的方向之一。