硅片的超精密磨削理论与技术

半导体单晶硅片是集成电路制造的主要支撑材料，超精密磨削加工效率高、可稳定获得高面形精度和表面质量，已成为大尺寸硅片加工不可或缺的关键技术。但是，我国硅片超精密磨削技术与装备的整体水平相对落后，对相关基础理论和核心技术缺乏系统研究，致使大尺寸硅片的磨削装备和工具完全依赖进口，成为硅材料加工制程的短板和技术瓶颈。郭东明院士和康仁科教授及其团队，历时15年，面向国家重大需求和国际学术前沿，深入开展硅片超精密磨削理论与技术研究，取得了突出的研究成果并付诸实践，对我国大尺寸硅片加工技术的创新发展具有重要作用。该书是一本系统阐述硅片超精密磨削基础理论、关键技术及加工装备的优秀专著，除过系统地总结著者及其团队多年来的研究和应用成果外，还介绍了国内外关于硅片超精密磨削技术的*进展。具有权威性、创新性、先进性和实用性。该书基础理论与技术实践相结合，资料丰富，结构严谨、图文并茂。对我国IC制造技术领域的科研和工程技术人员来说是一本重要参考书，对于我国从事超精密加工理论与技术研究的科研和工程技术人员、高校研究生和本科生也具有重要的参考价值。 

本书在介绍单晶硅的物理、化学和半导体性质，以及单晶硅片在集成电路制造中的应用和加工要求的基础上，全面系统地阐述了硅片旋转磨削原理、超精密磨削机理、超精密磨削工艺、超精密磨床，完整地总结了著者及其团队十多年来在硅片超精密磨削理论与技术方面的研究成果。全书共9章，其中第1章介绍单晶硅的基本性质与应用，第2章介绍集成电路制造工艺及硅片加工相关术语，第3章介绍硅片的磨削方法与理论分析，第4章介绍硅片超精密磨削机理，第5章介绍超精密磨削硅片面型精度的测量与评价，第6章介绍超精密磨削硅片表面层质量及检测和评价，第7章介绍硅片超精密磨削工艺，第8章介绍硅片超精密磨床，第9章介绍硅片磨削技术新发展。本书不仅系统总结了硅片的超精密磨削理论与技术，而且也反映了著者及其团队在理论研究、试验研究、技术开发和设备研制等方面所做的工作和积累的经验。

郭东明：中国工程院院士，大连理工大学教授、博士生导师。1959年4月出生于河南省温县。分别于1982年、1984年和1992年于大连理工大学获工学学士学位、硕士学位和博士学位。1994年晋升教授，1995年聘为博士生导师。2011年当选为中国工程院院士。现任大连理工大学校长，兼任中国工程院机械与运载工程学部主任，中国机械工程学会副理事长、中国机械工程学会生产工程分会主任委员，国际磨粒技术委员会(ICAT)委员和执委，辽宁省机械工程学会副理事长，辽宁省科学技术协会主席，大连市科学技术协会主席等。Frontiers of Mechanical Engineering、International Journal of Extreme Manufacturing等杂志主编，International Journal of Aerospace and Lightweight Structures、International Journal of Abrasive Technology、《机械工程学报》等杂志编委，《中国机械工程》编委会副主任。国家“变革性技术关键科学问题”重点专项指南编写专家组召集人，国防基础科研核科学挑战专题极端制造领域首席科学家，国家自然科学基金委员会战略咨询委员会委员。长期从事高性能精密制造理论与技术、精密超精密加工与测试、数字化制造技术与装备方向研究。研究成果获国家技术发明奖一等奖1项和二等奖1项，国家科技进步奖二等奖1项，省部级一等奖5项、二等奖2项。出版《面向快速制造的特种加工技术》、《超磁致伸缩材料微位移执行器原理与应用》等专著，发表学术论文200多篇。国家杰出青年科学基金获得者。

第1章 单晶硅的基本性质与应用 （1）
1.1 晶体几何学基础 （1）
1.1.1 晶体结构 （1）
1.1.2　晶向指数 （3）
1.1.3 晶面指数 （3）
1.1.4 立方晶体 （4）
1.2 单晶硅结构 （6）
1.3 单晶硅的基本性质 （8）
1.3.1 化学性质 （8）
1.3.2 力学特性 （11）
1.3.3 热学性质 （12）
1.3.4 电学性质 （13）
1.3.5 光学性质 （13）
1.4 单晶硅的晶体缺陷 （13）
1.4.1 单晶硅的点缺陷 （14）
1.4.2 单晶硅的线缺陷 （15）
1.4.3 单晶硅的面缺陷 （16）
1.4.4 单晶硅的体缺陷 （18）
1.5 单晶硅的应用 （18）
参考文献 （19）
第2章 集成电路制造工艺及硅片加工相关术语 （20）
2.1 集成电路及其发展 （20）
2.2 集成电路制造流程 （21）
2.2.1 硅片制备 （21）
2.2.2 IC制造 （24）
2.2.3 IC封装与测试 （25）
2.3 控制硅片质量的主要特征参数及相关术语 （25）
2.3.1 表征硅片加工前内在质量的特征参数 （26）
2.3.2 表征硅片加工后几何精度的特征参数 （26）
2.3.3 表征硅片加工后面型精度的特征参数 （27）
2.3.4 表征硅片加工后表面状态质量的特征参数 （34）
2.3.5 表征硅片加工后亚表面损伤的相关术语 （35）
参考文献 （37）
第3章 硅片的磨削方法与理论分析 （39）
3.1 集成电路制造中的硅片超精密磨削方法 （39）
3.1.1 硅片超精密磨削在集成电路制造中的应用 （39）
3.1.2 转台式磨削 （40）
3.1.3 硅片旋转磨削 （41）
3.2 硅片旋转磨削的硅片表面磨纹建模、仿真与分析 （42）
3.2.1 硅片表面磨纹建模 （43）
3.2.2 硅片表面磨纹仿真 （44）
3.2.3 硅片表面磨纹分析 （46）
3.3 硅片旋转磨削的磨粒切削深度建模与分析 （49）
3.3.1 磨粒切削深度建模 （49）
3.3.2 磨粒切削深度对硅片磨削表面质量影响的试验分析 （53）
3.4 硅片旋转磨削的硅片磨削面型建模、仿真与分析 （55）
3.4.1 硅片磨削面型建模 （55）
3.4.2 硅片磨削面型仿真 （57）
3.4.3 硅片磨削面型的统一表征方法 （60）
3.4.4 硅片磨削面型的控制 （62）
参考文献 （66）
第4章 硅片超精密磨削机理 （68）
4.1 单晶硅超精密磨削的材料去除机理 （68）
4.1.1 单颗粒金刚石磨削试验方法 （68）
4.1.2 单晶硅磨削过程中的脆性—延性转变 （70）
4.1.3 单晶硅延性域磨削的临界切削深度及其影响因素 （73）
4.2 硅片超精密磨削表面损伤形成机理 （76）
4.2.1 表面微观形貌 （76）
4.2.2 表面层微观组织 （79）
4.2.3 表面相变分析 （82）
4.3 单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真 （83）
4.3.1 分子动力学仿真基本理论 （83）
4.3.2 单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真分析 （88）
参考文献 （95）
第5章 超精密磨削硅片面型精度的测量与评价 （96）
5.1 超精密磨削硅片厚度的测量与评价 （96）
5.1.1 单面式测量 （96）
5.1.2 双面式测量 （100）
5.2 超精密磨削硅片面型精度的测量方法与仪器 （102）
5.2.1 电容式传感器测量 （102）
5.2.2 光学式测量 （103）
5.3 超薄硅片面型精度的测量技术及仪器 （107）
5.3.1 超薄硅片面型精度测量的技术需求 （107）
5.3.2 超薄硅片面型精度测量面临的问题及技术现状 （109）
5.3.3 超薄硅片面型精度测量新方法研究 （111）
5.3.4 超薄硅片面型精度测量仪器的开发 （115）
参考文献 （120）
第6章 超精密磨削硅片表面层质量及其检测和评价方法 （122）
6.1 超精密磨削硅片表面层质量的检测方法 （122）
6.1.1 超精密磨削硅片表面粗糙度的检测方法 （123）
6.1.2 超精密磨削硅片表面缺陷的检测方法 （125）
6.1.3 超精密磨削硅片亚表面损伤的检测方法 （126）
6.2 超精密磨削硅片表面层微裂纹 （132）
6.2.1 单颗粒金刚石磨削硅片表面/亚表面微裂纹的研究 （133）
6.2.2 超精密磨削硅片表面/亚表面微裂纹的研究 （134）
6.3 超精密磨削硅片表面层相变 （137）
6.4 超精密磨削硅片表面层残余应力 （139）
6.4.1 单颗粒金刚石磨削硅片表面残余应力的分布 （139）
6.4.2 磨削硅片表面微观应力与表面层残余应力 （142）
6.5 超精密磨削硅片表面层损伤模型 （147）
6.6 磨削参数对硅片表面层质量的影响分析及控制策略 （149）
参考文献 （153）
第7章 硅片超精密磨削工艺 （156）
7.1 金刚石砂轮超精密磨削工艺 （156）
7.1.1 金刚石砂轮的结构与组织特性 （156）
7.1.2 金刚石砂轮的制备与修整技术 （160）
7.1.3 金刚石砂轮磨削工艺参数的选择与优化 （163）
7.2 软磨料砂轮机械化学磨削新工艺 （170）
7.2.1 软磨料砂轮机械化学磨削原理 （170）
7.2.2 软磨料砂轮的制备与修整技术 （171）
7.2.3 软磨料砂轮的磨削性能 （175）
7.2.4 软磨料砂轮磨削硅片的材料去除机理 （180）
7.3 硅片高效低损伤磨削工艺 （185）
7.3.1 高效低损伤磨削工艺方案 （185）
7.3.2 高效低损伤磨削工艺方案的应用试验 （186）
参考文献 （189）
第8章 硅片超精密磨床 （191）
8.1 硅片超精密磨削对硅片磨床的要求 （191）
8.2 硅片超精密磨床的结构形式和发展趋势 （192）
8.2.1 硅片超精密磨床的结构形式 （192）
8.2.2 硅片超精密磨床的发展趋势 （195）
8.3 300mm硅片超精密磨床的开发 （196）
8.3.1 硅片超精密磨床的总体方案 （196）
8.3.2 硅片超精密磨床的关键系统 （200）
8.3.3 硅片超精密磨床的主要结构件设计与特性分析 （211）
8.3.4 硅片超精密磨床的性能 （217）
参考文献 （231）
第9章 硅片磨削技术新发展 （234）
9.1 双面磨削 （234）
9.1.1 双面磨削的特点 （234）
9.1.2 双面磨床 （234）
9.1.3 双面磨削的加工效果 （235）
9.1.4 磨痕 （235）
9.1.5 硅片面型 （236）
9.2 磨抛一体化工艺 （237）
9.2.1 磨抛一体化工艺的特点 （237）
9.2.2 磨抛一体化加工的工具 （238）
9.2.3 磨抛一体化加工的设备 （238）
9.3 行星盘磨削 （238）
9.3.1 行星盘磨削的特点 （239）
9.3.2 行星盘磨削的工具与设备 （239）
参考文献 （240）

序
集成电路是信息产业的核心和基石，对国民经济和社会发展具有重要战略意义。随着人工智能、物联网、移动通信、大数据、云计算日新月异的技术进步，集成电路正在向高速化、高集成化和高性能化的方向发展。为进一步提高芯片密度、降低单元制造成本，集成电路用主流硅片已由8英寸（200 mm）发展到12英寸（300 mm），并对大尺寸硅片的表面质量、加工精度和加工效率提出了更高的要求。
半导体单晶硅片是集成电路制造的主要支撑材料，需要经过切、磨、抛光等一系列超精密加工工艺过程方能获得极少损伤和超平整的表面，对加工装备的要求也极为严格。其中，超精密磨削设备加工效率高，可稳定获得高面型精度和表面质量，已成为大尺寸硅片加工不可或缺的关键技术装备；此类装备还能对已完成芯片制程的晶圆进行背面减薄，以满足先进封装的技术要求。
在过去相当长的时期内，我国硅片超精密磨削技术与装备的整体水平相对落后，对相关基础理论和核心技术缺乏系统研究，致使大尺寸硅片的磨削装备和工具完全依赖进口，成为硅材料加工制程的短板和技术瓶颈。近年来，随着集成电路产业的快速发展，我国单晶硅片产能急剧扩张，对高端加工装备的需求迫切。同时，硅片大直径化、超薄化的发展趋势及对加工精度、加工效率和加工后的表面/亚表面质量的苛刻要求，也给超精密磨削技术和装备提出了新的挑战。
郭东明院士和康仁科教授及其团队承担多项国家级科研项目，面向国家重大需求和国际学术前沿，深入开展硅片超精密磨削理论与技术研究，取得了突出的研究成果并付诸实践，对我国大尺寸硅片加工技术的创新发展具有重要作用。此次，他们将多年来的研究和应用成果总结成书，其主要内容包括单晶硅的基本性质与应用、集成电路制造工艺及硅片加工相关术语、硅片的磨削方法与理论分析、硅片超精密磨削机理、超精密磨削硅片面型精度的测量与评价、超精密磨削硅片表面层质量及其检测和评价方法、硅片超精密磨削工艺、硅片超精密磨床的设计与制造，以及国内外有关超精密磨削理论与技术的最新进展。
我很高兴看到这样一本系统阐述硅片超精密磨削基础理论、关键技术及加工装备的优秀专著。书中资料丰富，结构严谨、图文并茂，具有先进性、新颖性和实用性。该书不仅是从事集成电路制造技术研究的科研人员、企业管理者和硅片加工技术人员的重要参考书籍，也可作为高校教学和专业培训的参考资料使用。这本专著的出版恰逢其时，定会对我国集成电路及高端装备的研究与技术进步产生积极的促进作用。
中国工程院院士 屠海令
2019年3月18日 北京

前言
集成电路（IC）制造业是关乎国民经济和国家安全的基础性和战略性产业，其水平成为衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标准。单晶硅片是IC器件制造中应用最广泛的衬底材料，要求具有超平整超光滑无损伤表面；同时，为了增大IC芯片产量、降低单元制造成本，硅片趋向大直径化。目前，IC制造中硅片主流产品的直径达到300mm，对硅片加工精度和表面质量提出了很高的要求。
超精密磨削技术具有加工效率高、加工质量高、容易实现加工过程自动化等优点，已成为IC制造中硅片超精密加工的关键技术之一。在衬底硅片的制备阶段，超精密磨削用于硅片的平整化加工，去除硅片切割加工产生的表面锯纹和损伤层，为后续化学机械抛光准备高精度低损伤的表面；在IC后道制程中，超精密磨削用于晶圆的背面减薄加工，去除晶圆背面多余的硅衬底材料，减小晶圆厚度，以满足先进的IC封装技术要求。
随着IC制造技术的飞速发展，硅片大直径化、超薄化的发展趋势对硅片超精密磨削的加工效率和加工质量提出了更高的要求，使其面临新的挑战。我国对硅片超精密磨削基础理论和关键技术缺乏系统的研究，硅片超精密磨削技术与装备的整体水平相对落后，大尺寸（≥300mm）硅片的超精密磨削工艺、工具和设备完全依赖进口，关键技术和设备被日本和美国等少数国家垄断。大尺寸硅片超精密磨削技术与装备成为制约“中国芯”制造技术发展的瓶颈之一。
自2003年以来，著者及其团队在国家自然科学基金项目、国家科技重大专项和国家高技术研究发展计划（“863计划”）项目等的支持下，面向国家重大需求和国际学术前沿，在硅片超精密磨削基础理论、加工工艺、关键技术及加工装备等方面开展了系统的研究，取得了一系列研究成果。为了满足在集成电路制造领域工作的广大科研、工程技术和企业管理人员的需要，著者将其团队15年来在硅片超精密磨削理论与技术方面的研究成果，以及收集的国内外相关资料整理成本书。
全书共9章，其中第1章介绍单晶硅的基本性质与应用，第2章介绍集成电路制造工艺及硅片加工相关术语，第3章介绍硅片的磨削方法与理论分析，第4章介绍硅片超精密磨削机理，第5章介绍超精密磨削硅片面型精度的测量与评价，第6章介绍超精密磨削硅片表面层质量及其检测和评价方法，第7章介绍硅片超精密磨削工艺，第8章介绍硅片超精密磨床，第9章介绍硅片磨削技术新发展。
本书不仅系统总结了著者及其团队15年来在硅片超精密磨削理论与技术方面的研究成果，而且体现了著者及其团队在理论研究、试验研究、技术开发和设备研制等方面的工作基础和经验积累。本书内容具有先进性、系统性和实用性，可作为从事集成电路制造技术研究的科研人员和工程技术人员的参考书，也可作为高等院校和研究机构从事超精密磨削理论与技术研究的本科生和研究生的参考书。
本书凝聚了著者科研团队的集体智慧。参加本书撰写的有团队成员董志刚、朱祥龙、高尚、郭晓光等。著者感谢团队成员周平、金洙吉和张振宇等对本书的贡献，还要感谢历届博士生和硕士生霍凤伟、张银霞、田业冰、王彩玲、刘海军、杨利军、李伟健、李忠信、唐克岩、张胜利、李世桥、牟瑞平、付志刚、朱锦益、赵巨波、成清校、金钊、黄金伟、赵海轩、李志明、赵喜文、陈修艺、于月滨等对本书的贡献。
本书涉及的研究成果大部分来自著者及其团队承担的国家自然科学基金重大项目（50390061）、面上项目（50675029）和青年科学基金项目（50905025、51505063、51305058），国家自然科学基金重大研究计划集成项目（91323302）和培育项目（91023019），国家自然科学基金-广东省联合基金重点项目（U0734008），国家“863计划”资助项目（2008AA042505），国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项课题（2009ZX0201103、2014ZX02504001004）等项目的研究工作，在此特向国家自然科学基金委员会和科学技术部等项目资助部门表示诚挚的感谢。
著者要特别感谢国家科学技术学术著作出版基金对本书的资助。
由于著者水平有限，书中难免会有纰漏与疏忽之处，敬请广大读者批评指正。

著　  者