大連理工-康仁科-863課題

1、技術(shù)領(lǐng)域名稱：先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目名稱：超精密加工技術(shù)與裝備課題名稱：大尺寸平面功能晶體基片 超精密磨削技術(shù)與裝備申請(qǐng)責(zé)任人： 康仁科申請(qǐng)受理編號(hào)：SQ2008AA04XK14683800答辯提綱1. 課題簡(jiǎn)介2. 課題背景3. 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)4. 主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)5. 預(yù)期目標(biāo)、主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可獲得的成果6. 研究方法、技術(shù)路線及可行性分析7. 年度進(jìn)度及考核指標(biāo)8. 課題的組織和分工9. 預(yù)期研究成果應(yīng)用前景分析10. 課題依托單位和協(xié)作單位情況及其支撐條件11. 經(jīng)費(fèi)預(yù)算11. 課題簡(jiǎn)介集成電路制造光電器件制造理論問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超精密磨削加工理

2、論、工藝技術(shù)和先進(jìn)裝備加工效率精度和表面損傷大尺寸基片平整化和背面減薄加工22 課題背景硅片和光電晶體基片是集成電路和光電器件制造的基礎(chǔ)材料。全球90以上的IC采用單晶硅片，每年所需硅片超過(guò)1.5億片。半導(dǎo)體照明等光電器件主要采用藍(lán)寶石、 碳化硅、砷化鎵和氮化鎵等晶體基片制造。3微電子制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一:基片大尺寸化6 inch 8 inch 12 inch 16 inch硅片（Silicon Wafer）尺寸變化藍(lán)寶石基片(Sapphire Wafer)半導(dǎo)體晶圓的尺寸變化為了增大芯片產(chǎn)量，降低芯片單元制造成本，硅片直徑越來(lái)越大。硅片直徑：200mm300mm表面積 225%， 邊角損失，

3、 芯片出片率 。單片可載芯片 240%， 器件廠投片數(shù)量。硅片成本 24% 芯片成本 37%4微電子制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之二:高集成化每隔3年，芯片特征線寬縮小1/3，集成度翻兩番。對(duì)表面精度、表面粗糙度等提出越來(lái)越高的要求。年份 Year of Production單位2004200720102013硅片直徑，Wafer Diameter mm300300300450特征尺寸, Feature Size, (DRAM 1/2 Pitch)nm90654532局部平整度， Site Flatness, SFQR (site size: 26mm8mm )nm90654532正面粗糙度，front

4、side microroughness, Ranm0.10.10.10.1納米形貌, Nanotopography, P-V, 2mm diameter analysis area Qnm22161182005年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)協(xié)會(huì)的 ITRS中硅片的主要技術(shù)參數(shù)5微電子制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之三：芯片超薄化生產(chǎn)年份200720102013硅片直徑 / mm300300450特征線寬 / nm654532減薄厚度(一般用途)/m655040減薄厚度(3D封裝用)m201010IC芯片厚度的變化趨勢(shì)（摘自ITRS 2005Edition）減小芯片封裝體積提高3D封裝密度提高機(jī)械性能提高散熱效率和熱穩(wěn)定性

5、提高電性能減小劃片加工量厚度50m閃存芯片 1820層芯片3D封裝 醫(yī)學(xué)檢測(cè)芯片厚度10m晶圓制造半導(dǎo)體照明器件的藍(lán)寶石基片由400m減薄到100m以下 要求硅片背面減薄加工6大尺寸硅片和光電晶體基片超精密加工技術(shù)的新進(jìn)展采用微粉金剛石砂輪的超精密磨削技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)研磨成為大尺寸硅片超精密加工的主流技術(shù)最有代表性的基片超精密磨削技術(shù)硅片旋轉(zhuǎn)磨削方法（Wafer Rotation Grinding Method）7超精密磨削技術(shù)的應(yīng)用磨削磨外圓多線切割單頭單片拋光倒圓角拋光片超精密磨削用于基片制備階段的平整化加工，取代了研磨和腐蝕工序，可減小加工表面損傷深度，大大減少后續(xù)拋光的加工量。8超精密磨削

6、技術(shù)的應(yīng)用超精密磨削用于后道制程的硅片背面減薄高效去除硅片背面材料獲得低損傷表面甚至實(shí)現(xiàn)以磨代拋93. 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)日本茨城大學(xué)的Libo Zhou 和P.L. Tsuo 等人對(duì)硅片旋轉(zhuǎn)磨削和工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)磨削方法的特點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，分析了兩種磨削方式下材料去除率、表面粗糙度、磨削力的特點(diǎn)。美國(guó)Kansas State University 的Z.J.Pei等人對(duì)旋轉(zhuǎn)磨削法超精密磨削硅片過(guò)程中加工參數(shù)對(duì)硅片表面磨痕分布、面型精度、表面粗糙度和亞表面損傷的影響進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。3.1 基片超精密磨削理論和技術(shù)的研究進(jìn)展103.2 大尺寸硅片超精密磨削機(jī)床的進(jìn)展 國(guó)外的一些大學(xué)和公司

7、在理論和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的超精密磨削裝備。 日本Disco公司研制了200mm和300mm硅片DFG8000系列硅片磨床，采用硅片旋轉(zhuǎn)磨削原理，具有粗、精磨兩個(gè)砂輪主軸，三個(gè)操作工位，自動(dòng)完成硅片的粗磨和精磨加工及清洗和裝卸操作 。11全自動(dòng)超精密磨床日本東京精密公司PG300/PG200系列全自動(dòng)磨床 日本Okamoto公司GNX300型硅片磨床 美國(guó)Strasbaugh公司7AF型硅片磨床 德國(guó) G&N公司NANOGRINDER/4 和Multi-Nano 全自動(dòng)硅片納米磨床123.3 大尺寸硅片超精密磨削機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外先進(jìn)硅片超精密磨床的特點(diǎn)：“多主軸、多工位”的集成化設(shè)計(jì)

8、，可進(jìn)行粗磨和精磨加工，并完成吸盤(pán)修整、硅片對(duì)準(zhǔn)、清洗、烘干和裝卸等操作；控制系統(tǒng)具有加工參數(shù)設(shè)置、過(guò)程控制與檢測(cè)以及磨削過(guò)程仿真等功能；采用傳輸機(jī)器人完成硅片在不同加工和操作工位的定位和傳輸，實(shí)現(xiàn)在加工過(guò)程中自動(dòng)化。 為不斷滿足大直徑硅片的高效率、高質(zhì)量、低成本的生產(chǎn)要求，硅片超精密磨床研制向高精度化、多功能化、高集成化和高自動(dòng)化的方向發(fā)展。133.4 存在問(wèn)題國(guó)外現(xiàn)有的硅片磨床大都沒(méi)有磨削力檢測(cè)系統(tǒng)，有些只采用主軸功率檢測(cè)磨削過(guò)程，檢測(cè)精度和靈敏度較差。磨床在粗、精磨削階段大都采用恒進(jìn)給速度磨削，而且加工余量和進(jìn)給速度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，也不能實(shí)現(xiàn)磨削過(guò)程自適應(yīng)控制。磨削效率和磨削表面損傷的矛盾

9、是硅片加工技術(shù)面臨的突出問(wèn)題，如何通過(guò)磨削過(guò)程自適應(yīng)控制和工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高效低損傷磨削是需要研究的問(wèn)題。143.5 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題國(guó)內(nèi)對(duì)硅片超精密加工技術(shù)和裝備的研究起步較晚。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)小尺寸單晶硅、藍(lán)寶石等功能晶體的超精密磨削機(jī)理和工藝技術(shù)進(jìn)行了一些研究，但尚未開(kāi)展大尺寸基片超精密技術(shù)和裝備的研究。大連理工大學(xué)通過(guò)承擔(dān)國(guó)家863 計(jì)劃和國(guó)家基金重大和重點(diǎn)項(xiàng)目，利用進(jìn)口設(shè)備對(duì)大直徑硅片超精密磨削加工理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并開(kāi)展了超精密磨削裝備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)缺乏擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大尺寸功能晶體基片超精密加工技術(shù)和裝備，先進(jìn)的超精密加工裝備完全

10、依賴進(jìn)口，被日、美、德等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。153.6 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)和授權(quán)情況1 晶片磨床構(gòu)造（專利權(quán)人：臺(tái)灣省新竹縣財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院；專利號(hào)：CN1640618）；2 晶片的磨削裝置及磨削方法（專利權(quán)人：日本株式會(huì)社迪思科；專利號(hào)：CN1664993）；3 半導(dǎo)體單晶片保護(hù)構(gòu)件與半導(dǎo)體單晶片的磨削方法（專利權(quán)人：日本株式會(huì)社迪思科；專利號(hào)：N1496581）；4 表面保護(hù)用板以及半導(dǎo)體晶片的磨削方法（專利權(quán)人：日本琳得科株式會(huì)社；專利號(hào)：CN1868040）；5 用于同時(shí)雙面磨削多個(gè)半導(dǎo)體晶片的方法和平面度優(yōu)異的半導(dǎo)體晶片（專利權(quán)人：德國(guó)慕尼黑硅電子股份公司；專利號(hào)：CN101106

11、082）；6 晶片磨削裝置（專利權(quán)人：日本株式會(huì)社迪思科；專利號(hào)：CN101121237）；7 晶片搬送方法和磨削裝置（專利權(quán)人：日本株式會(huì)社迪思科；專利號(hào)：CN101127316）；8 晶片的磨削加工方法（ 專利權(quán)人： 日本株式會(huì)社迪思科； 專利號(hào)：CN101161411）；9 貼合晶圓制造方法、貼合晶圓及平面磨削裝置（專利權(quán)人：日本東京都信越半導(dǎo)體股份有限公司；專利號(hào)：CN101151713）。通過(guò)檢索中國(guó)發(fā)明專利數(shù)據(jù)庫(kù)，國(guó)內(nèi)外在中國(guó)申請(qǐng)的有關(guān)硅片磨削的專利沒(méi)有涵蓋本課題主要研究技術(shù)。16課題組專利申請(qǐng)和授權(quán)情況 1 康仁科，郭東明，張士軍，金洙吉等，一種硅片傳輸機(jī)器人,ZL2.1，授權(quán)公

12、告日2006.3.8，（實(shí)用新型）2 金洙吉，郭東明，康仁科等，一種硅片真空吸盤(pán),ZL2.1，授權(quán)公告日2005.12.14，（實(shí)用新型）3 郭東明，田業(yè)冰，康仁科等，一種硬脆晶體基片的無(wú)損傷磨削方法，ZL2.7，（發(fā)明專利）2.44 康仁科，田業(yè)冰，郭東明等，一種硬脆晶體基片超精密磨削砂輪，ZL2.2，（發(fā)明專利）5 金洙吉，馬興偉，康仁科，苑澤偉，一種大尺寸金剛石膜的平坦化加工方法，ZL 2.1（發(fā)明專利） 大連理工大學(xué)“精密特種加工與微系統(tǒng)教育部科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)” 近年來(lái)通過(guò)對(duì)硅片超精密磨削加工工藝、關(guān)鍵技術(shù)和裝置的基礎(chǔ)研究，取得與本課題研究技術(shù)有關(guān)的中國(guó)專利如下：171 錢(qián)敏，孫寶元，張軍

13、，壓電石英整體式三向磨銑削測(cè)力儀，中國(guó)發(fā)明專利，批準(zhǔn)日期2003.03.14，發(fā)明專利號(hào)：ZL991015592。2 孫寶元，錢(qián)敏，一種新型扭矩測(cè)量?jī)x，中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?1125607.9，受理日期:2001 年8 月20 日。3 孫寶元，吳澗彤，錢(qián)敏，一種扭矩測(cè)量新方法和傳感器，中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?1125608.7，受理日期:2001 年8 月20 日。4 孫寶元，錢(qián)敏，一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法，發(fā)明專利號(hào)ZL03133521.7，批準(zhǔn)日期：2006.7.19 在石英晶體壓電傳感器和測(cè)力儀方面也開(kāi)展了大量研究。取得與本課題研究技術(shù)有關(guān)的中國(guó)專利如下：課題組專利申請(qǐng)

14、和授權(quán)情況 “壓電石英現(xiàn)代測(cè)試?yán)碚?、方法、系列化新型測(cè)量?jī)x及其應(yīng)用” 研究成果獲得2005 年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)，遼寧省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。184 主要研究?jī)?nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)和可能的創(chuàng)新點(diǎn)，及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析4.1 研究?jī)?nèi)容：研究基于控制力和工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的大直徑硅片超精密磨削工藝方法以及工藝系統(tǒng)方案研究大直徑硅片超精密磨削關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化磨削工藝系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)、磨床關(guān)鍵零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析以及磨床控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制超精密磨床，進(jìn)行磨床性能測(cè)試分析和可靠性考核試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)磨削工藝試驗(yàn)，建立大直徑硅片超精密磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)194.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案（1）高精度的砂輪主軸和工

15、件主軸技術(shù)硬脆晶體材料超精密磨削時(shí)，砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)性直接影響磨削表面粗糙度和亞表面損傷。基于硅片旋轉(zhuǎn)原理的大尺寸硅片超精密磨床對(duì)砂輪主軸和工件主軸的回轉(zhuǎn)精度要求很高，必須采用空氣軸承電主軸結(jié)構(gòu)的砂輪主軸和工件主軸。協(xié)作單位無(wú)錫機(jī)床股份有限公司在高速空氣軸承電主軸研制生產(chǎn)方面有豐富經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于硅片磨床研制中所需要的高精度大功率空氣軸承電主軸，擬通過(guò)引進(jìn)吸收和開(kāi)發(fā)研制相結(jié)合的方法予以解決。204.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案（2）砂輪主軸和工件主軸空間相對(duì)位置的調(diào)整技術(shù)砂輪主軸與工件回轉(zhuǎn)主軸之間角度是決定硅片面型精度的主要因素。在雙主軸三工位磨床系統(tǒng)中，同時(shí)保證粗、精磨砂輪主軸與三工位工件旋轉(zhuǎn)臺(tái)

16、主軸空間相對(duì)位置，并能夠根據(jù)實(shí)際磨削硅片面型進(jìn)行主軸軸線之間角度實(shí)時(shí)調(diào)整是需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。解決方案：根據(jù)前期研究建立的硅片面型理論模型，課題組擬采用三點(diǎn)支撐微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過(guò)“精磨主軸三工位工件主軸粗磨主軸”遞推調(diào)整的協(xié)同調(diào)整方法。21雙砂輪主軸與三工位工件主軸之間角度的微調(diào)整裝置224.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案（3）磨削力精密在線測(cè)量與控制技術(shù)大而薄的硬脆晶體基片超精密磨削過(guò)程中，磨削力的變化和波動(dòng)會(huì)影響基片磨削表面質(zhì)量和變形，甚至?xí)鸹扑?。研究磨削力在線測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)與磨床的集成和在位標(biāo)定有一定難度。解決方案：根據(jù)以往系列力傳感器及切（磨）削力測(cè)量系統(tǒng)研制的經(jīng)驗(yàn)，采用高靈敏度壓電石英傳感

17、器研制磨削力測(cè)量裝置，組裝在砂輪主軸座上，實(shí)現(xiàn)磨削力精密在線測(cè)量和磨削過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并針對(duì)磨床結(jié)構(gòu)專門(mén)設(shè)計(jì)研制的磨削力標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行在機(jī)標(biāo)定。23磨削力測(cè)量裝置與控制系統(tǒng)測(cè)力裝置244.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案（4）控制力磨削時(shí)磨削力閾值的確定磨削力控制閾值為不產(chǎn)生表面/亞表面微裂紋時(shí)所對(duì)應(yīng)的磨削力，建立磨削表面/亞表面損傷與磨削力的關(guān)系是確定磨削力閾值的關(guān)鍵，需要精確檢測(cè)和定量評(píng)價(jià)磨削表面層損傷。解決方案：利用前期研究中提出的角度拋光法與截面腐蝕顯微觀測(cè)法相結(jié)合的方法，或繼續(xù)尋求快速精確的無(wú)損檢測(cè)新方法，定量檢測(cè)分析磨削亞表面損傷，通過(guò)系統(tǒng)磨削試驗(yàn)，建立磨削表面/亞表面損傷與磨削力的關(guān)系。25測(cè)

18、試樣片膠接層待測(cè)硅片L1干涉條紋側(cè)試樣片傾斜面劈尖膠黏劑 陪片的傾斜面 L2腐蝕坑 (a)樣品粘接（b）拋光后(c)腐蝕后改進(jìn)的角度拋光法原理化學(xué)機(jī)械拋光后劈尖上產(chǎn)生干涉條紋裂紋深度：角度拋光法與截面腐蝕顯微觀測(cè)法264.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案（5）微進(jìn)給控制技術(shù)為了獲得納米級(jí)表面粗糙度，減小表面微裂紋等損傷，必須通過(guò)監(jiān)測(cè)磨削力嚴(yán)格控制進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)脆性晶體材料的塑性域磨削。實(shí)現(xiàn)較大的進(jìn)給速度范圍和穩(wěn)定的低速微進(jìn)給是研制磨削進(jìn)給系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。解決方案：擬采用高精度滾動(dòng)絲杠和導(dǎo)軌、大減速比減速器、高性能電機(jī)和高分辨率脈沖編碼器等零部件，通過(guò)零部件精密裝配、運(yùn)動(dòng)仿真分析和動(dòng)態(tài)精密檢測(cè)

19、，保證進(jìn)給系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性。274.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案（5）硅片高精度高可靠性?shī)A持定位與輸送技術(shù)大而薄的硅片極易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和翹曲變形，給硅片的定位和夾緊及不同工位之間輸送造成困難。特別是減薄到100m 以下的硅片翹曲變形更為嚴(yán)重，對(duì)夾緊力極為敏感，其定位精度、裝夾可靠性及輸送方式對(duì)硅片面型精度和碎片率的影響較大。解決方案：擬研制多孔陶瓷分區(qū)真空吸盤(pán)、多點(diǎn)真空吸附機(jī)械手和硅片自動(dòng)定心裝置以及真空吸附力精確檢測(cè)和控制方法，并選用高精度硅片輸送機(jī)器人構(gòu)建高精度高可靠性硅片夾持定位與輸送系統(tǒng)。284.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案（6）高效低損傷磨削工藝先進(jìn)的自動(dòng)化硅片超精密磨床要求具有高的磨削效率；磨

20、削后硅片要求具有低損傷的表面，以減小后續(xù)拋光的加工時(shí)間或保證硅片減薄后的強(qiáng)度。高效率與低損傷是突出的矛盾問(wèn)題。解決方案：擬通過(guò)從粗、精磨加工余量的合理分配方法、進(jìn)給速度分階段控制策略、新型砂輪研制與應(yīng)用、以及復(fù)合加工新工藝方法應(yīng)用等方面進(jìn)行研究。29新型自銳金剛石砂輪分階段進(jìn)給和磨削力控制進(jìn)給磨削與軟磨料砂輪化學(xué)機(jī)械磨削相結(jié)合的工藝策略粗磨快速進(jìn)給磨削 在機(jī)床剛性和功率允許的情況下，以最大材料去除率為目標(biāo)，優(yōu)化加工參數(shù)，去除絕大部分磨削余量。精磨控制力進(jìn)給磨削 采用自銳金剛石砂輪，消除快速磨削的損傷層，通過(guò)磨削力在線檢測(cè)進(jìn)行進(jìn)給速度控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)微裂紋的延性域磨削。低損傷磨削軟磨料砂輪化學(xué)機(jī)械磨

21、削 去除精磨時(shí)的表面損傷層，形成低損傷或無(wú)損傷表面。自銳砂輪無(wú)砂輪修銳的不間斷磨削大磨粒和磨損磨粒及時(shí)脫落砂輪表面磨粒的均勻分布穩(wěn)定的砂輪磨削性能塑性域材料去除進(jìn)給控制磨削力檢測(cè)30軟磨料砂輪化學(xué)機(jī)械磨削原理和特點(diǎn)化學(xué)機(jī)械復(fù)合作用去除材料繼承磨削加工高精度優(yōu)點(diǎn)軟磨料弱化機(jī)械作用產(chǎn)生的損傷工件與軟磨料的固相反應(yīng)工件與化學(xué)液的固液反應(yīng)磨料和結(jié)合劑與工件表面摩擦去除反應(yīng)物機(jī)械作用化學(xué)作用314.3 可能的創(chuàng)新點(diǎn)基于控制力和工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的大直徑硅片超精密磨削技術(shù)和雙主軸三工位的全自動(dòng)超精密磨床；實(shí)現(xiàn)控制力磨削和磨削過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的磨削力精密在線測(cè)量系統(tǒng)；采用新型自銳金剛石砂輪分階段進(jìn)給和磨削力控制

22、進(jìn)給磨削與軟磨料砂輪化學(xué)機(jī)械磨削相結(jié)合的工藝策略，實(shí)現(xiàn)大尺寸硅片高效低損傷超精密磨削；硅片磨削面型精度和表面質(zhì)量的預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)；雙砂輪主軸與三工位工件主軸之間角度的協(xié)同微調(diào)整裝置及硅片面型精度控制方法；根據(jù)化學(xué)機(jī)械磨削的復(fù)合加工機(jī)理以及工件材料與砂輪組織特性的匹配關(guān)系，提出新型軟磨料砂輪組織設(shè)計(jì)方法和低成本制造工藝。325 預(yù)期目標(biāo)、主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可獲得的成果、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和人才培養(yǎng)情況5.1 預(yù)期目標(biāo)、主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)研究大尺寸基片超精密磨削技術(shù)，研制超精密磨床，主要用于大尺寸硅片和藍(lán)寶石、碳化硅等功能晶體基片的高效超精密加工。填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在大尺寸基片超精密磨削設(shè)備的空白，并

23、將研究成果在用戶單位進(jìn)行示范應(yīng)用和推廣，為大尺寸基片高精度、高質(zhì)量和高效率的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo) 工件最大尺寸：直徑300mm；主軸轉(zhuǎn)速：10004000r/min；加工精度指標(biāo)：?jiǎn)纹g厚度誤差（TTV）：1.5m（磨削直徑300mm 工件）；片間厚度誤差：2m；精磨表面粗糙度：Ra5nm。335.2 成果及知識(shí)產(chǎn)權(quán)和人才培養(yǎng)情況基于控制力和工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的大尺寸基片超精密磨削工藝方法；大尺寸基片超精密磨削加工仿真軟件和工藝數(shù)據(jù)庫(kù)軟件；大尺寸基片超精密磨削的關(guān)鍵技術(shù)、裝置和系統(tǒng)；大尺寸基片超精密磨床；大尺寸基片超精密磨床控制系統(tǒng)軟件；申請(qǐng)專利4 項(xiàng)以上；發(fā)表高水平論文20

24、 篇以上培養(yǎng)博士后12 名，博士生4 名以上，碩士10 名以上。346 研究方法、技術(shù)路線及可行性分析356.1 研究方法和技術(shù)路線采取理論研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)研究相結(jié)合、仿真模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合方法開(kāi)展基礎(chǔ)研究采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和測(cè)試試驗(yàn)相結(jié)合研究方法進(jìn)行磨床的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)采用單元技術(shù)分解開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成相結(jié)合的研究方法進(jìn)行磨床快速制造。采用磨床性能測(cè)試分析與系統(tǒng)磨削工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行磨床技術(shù)性能指標(biāo)的檢測(cè)和可靠性檢驗(yàn)。366.2 可行性分析國(guó)外基于硅片旋轉(zhuǎn)磨削原理的超精密磨削技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)在采用大尺寸硅片的IC 生產(chǎn)線中得到廣泛應(yīng)用。說(shuō)明本課題研究的大尺寸硅片超精密磨削技術(shù)和裝備在理論和技術(shù)上是

25、可行的。課題組成員長(zhǎng)期從事精密超精密加工理論和技術(shù)的研究，在半導(dǎo)體、陶瓷和光學(xué)晶體等硬脆材料超精密磨削和拋光技術(shù)的方面開(kāi)展了大量研究工作，取得一定的研究成果。近年來(lái)，通過(guò)承擔(dān)國(guó)家863 計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，利用進(jìn)口設(shè)備開(kāi)展了大直徑硅片超精密加工機(jī)理和工藝的基礎(chǔ)性研究，以及關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行了硅片超精密磨床的設(shè)計(jì)，取得一定進(jìn)展，有很好的研究工作基礎(chǔ)。課題研究已具備所需要的良好的研究環(huán)境和工作條件。37主要承擔(dān)的相關(guān)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目面向下一代IC的大直徑硅片超精密磨削技術(shù)與裝備研究 （2002AA421230），20032004國(guó)家自然科學(xué)基金重大和重點(diǎn)項(xiàng)目“先進(jìn)電子制造

26、技術(shù)中的重要科學(xué)問(wèn)題”的子課題“超精拋光中的納米粒子行為和化學(xué)作用及平整化原理與技術(shù)” （），2003.12006.12 各向異性軟脆功能晶體高效精密和超精密加工技術(shù)基礎(chǔ) （），20052008 大尺寸單晶MgO高溫超導(dǎo)基片高效超精密加工理論與技術(shù)研究 （），20042006超薄硬脆晶體基片的耦合能量軟磨機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)研究 （），2007.12009.12 38取得的單元技術(shù)成果硅片磨削表面面型和磨紋的仿真與預(yù)測(cè)39硅片夾持定位用真空吸盤(pán)真空吸盤(pán)吸附力測(cè)試試驗(yàn)裝置與結(jié)果研制的組合結(jié)構(gòu)多孔陶瓷真空吸盤(pán)40硅片高精度平整化夾持定位系統(tǒng)41硅片厚度檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)硅片厚度檢測(cè)與磨床伺服進(jìn)給控制原理

27、 測(cè)頭的氣動(dòng)控制系統(tǒng)厚度檢測(cè)系統(tǒng)圖 42磨削力動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)與控制系統(tǒng)三向壓電晶體磨削力測(cè)量平臺(tái)性能三向壓電晶體磨削力測(cè)量平臺(tái) 動(dòng)態(tài)磨削力測(cè)量軟件界面 43硅片傳輸定位機(jī)器人及其控制系統(tǒng)R-型硅片傳輸機(jī)器人及其控制系統(tǒng)44研制的金剛石砂輪砂輪類(lèi)型 硅片粗糙度 材料去除率 主軸電流 磨削比 損傷層厚度 600砂輪（亞剛） Ra 71.5nm34.50 mm3/s7.5A2505.5m600砂輪（日本） Ra 62.6nm32.13 mm3/s7.6 A1804.0m#2000砂輪（亞剛） Ra 10nm12.3 mm3/s6.9 A1603m#2000砂輪（日本） Ra 5nm6.9 mm3/s7

28、.1 A1001m(a) 研制砂輪磨削表面 (b) 日本砂輪磨削表面(a) 研制砂輪磨削表面損傷 (b)日本砂輪磨削表面損傷45研究成果的應(yīng)用情況超精磨削的300mm硅片（Ra5nm） 磨削的200mm和300mm硅片 硅片超精密磨削工藝研究成果已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)最大的半導(dǎo)體硅片制造企業(yè)北京有研半導(dǎo)體材料股份有限公司。加工的硅片經(jīng) “國(guó)家有色金屬及電子材料分析檢測(cè)中心” 檢測(cè)合格。磨削的200mm 和300mm硅片總厚度變化：TTV 1m平整度：GBIR 1m表面粗糙度：Ra 5nm 46研究成果的應(yīng)用情況為中國(guó)電子工業(yè)集團(tuán)南京55所加工的單晶硅與玻璃鍵合片，硅片超精密磨削減薄厚度小于100 m。

29、47硅片超精密磨床的方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)48硅片超精密磨床零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定心裝置真空吸盤(pán)清洗測(cè)厚裝置49硅片超精密磨床零部件結(jié)構(gòu)分析507 年度進(jìn)度及考核指標(biāo)第一年度： 研究進(jìn)度：大直徑基片超精密磨削工藝方法和工藝規(guī)律研究，基片超精密磨床總體方案設(shè)計(jì)，磨床和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，磨床電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，磨床和關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)分析，磨床單元技術(shù)、裝置和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。 考核指標(biāo)：磨削工藝研究報(bào)告1 份，磨床總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告1 份，磨床和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙1 套，磨床電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告1份，磨床單元技術(shù)、裝置和系統(tǒng)的研究報(bào)告各1 份和相應(yīng)實(shí)物，申請(qǐng)專利2 項(xiàng)，發(fā)表論文8 篇。第二年度： 研究進(jìn)

30、度：零部件工藝設(shè)計(jì)，磨床電氣控制系統(tǒng)研制，磨床控制軟件開(kāi)發(fā)，磨床單元技術(shù)、裝置和系統(tǒng)（包括微進(jìn)給裝置和控制系統(tǒng)，砂輪主軸系統(tǒng)，工件回轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)與研究，零部件加工制造和定購(gòu)，磨床裝配和調(diào)試。 考核指標(biāo)：零部件工藝設(shè)計(jì)文件1 套，磨床電氣控制柜1 套，控制軟件1 套，磨床單元技術(shù)、裝置和系統(tǒng)的研究報(bào)告各1 份，磨床機(jī)械主機(jī)1 臺(tái)，申請(qǐng)專利2 項(xiàng)，發(fā)表論文8 篇。第三年度： 研究進(jìn)度：基片超精密磨床性能測(cè)試分析與可靠性試驗(yàn)，磨床樣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造，硅片高效低損傷超精密磨削工藝試驗(yàn)，磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件設(shè)計(jì)，用戶單位應(yīng)用試驗(yàn)。 考核指標(biāo)：滿足課題技術(shù)指標(biāo)要求的磨床1 臺(tái)，磨床性能測(cè)試分析與

31、可靠性試驗(yàn)報(bào)告1 份，磨削工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)軟件1 套，成果應(yīng)用試驗(yàn)報(bào)告1 份，發(fā)表論文4 篇以上。518 課題的組織和分工依托單位：大連理工大學(xué)大尺寸功能晶體基片超精密磨削技術(shù)的基礎(chǔ)理論和加工工藝研究；磨削力測(cè)量與控制、基片厚度在線測(cè)量和基片高精度夾持定位等關(guān)鍵技術(shù)研究；磨床及其控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)；磨床主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析；磨床性能測(cè)試分析；磨削加工工藝試驗(yàn)和研究成果總結(jié)等工作。協(xié)作單位：無(wú)錫機(jī)床股份有限公司磨床的工程化設(shè)計(jì)；零部件加工工藝設(shè)計(jì)；零部件制造、外購(gòu)件選型與采購(gòu)；磨床控制系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)和研制；磨床裝配和調(diào)試等工作；參加磨床性能測(cè)試以及磨削加工工藝試驗(yàn)。課題組由大連理工大學(xué)和無(wú)

32、錫機(jī)床股份有限公司技術(shù)管理人員和技術(shù)骨干組成。任務(wù)分工如下：529 預(yù)期研究成果應(yīng)用前景我國(guó)目前已有近50條IC生產(chǎn)線， “十一五” 期間將建設(shè)2025條。大尺寸硅片生產(chǎn)線約占20。每條大尺寸硅片生產(chǎn)線需要配備410 臺(tái)超精密磨床。我國(guó)大尺寸硅片超精密磨床完全依賴于進(jìn)口，每臺(tái)價(jià)格達(dá)50 萬(wàn)美元以上。IC和光電器件生產(chǎn)線的建設(shè)和投產(chǎn)以及生產(chǎn)線的更新?lián)Q代，對(duì)磨床有很大需求。微電子制造關(guān)鍵裝備，已被列為國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃之重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。對(duì)于核工業(yè)和國(guó)防工業(yè)中的大尺寸晶體窗口和反射鏡的加工也有重要推廣應(yīng)用價(jià)值。廈門(mén)、上海、大連、南昌和深圳五個(gè)國(guó)家半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化基地珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、環(huán)渤海和西南

33、地區(qū)國(guó)家微電子產(chǎn)業(yè)帶中國(guó)微電子和半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)分布格局5310 單位情況和支撐條件教育部直屬全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，國(guó)家“211”及“985”工程重點(diǎn)建設(shè)大學(xué)。機(jī)械制造及自動(dòng)化學(xué)科是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，通過(guò) “211”及 “985”工程共投入5000 萬(wàn)元以上學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)。建有“精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“先進(jìn)裝備制造遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。申請(qǐng)者和課題組主要成員是大連理工大學(xué)“精密/特種加工與微制造教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”的學(xué)術(shù)帶頭人和骨干?？蒲袌F(tuán)隊(duì)近5年承擔(dān)國(guó)家973計(jì)劃 、863 計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)和面上項(xiàng)目及國(guó)防基礎(chǔ)預(yù)研項(xiàng)目50 多項(xiàng)，總經(jīng)費(fèi)達(dá)5100多萬(wàn)元。研究成果獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)

34、、部級(jí)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)2項(xiàng)和科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。10.1 依托單位情況5410.2 依托單位支撐條件 通過(guò)國(guó)家211工程和985工程重點(diǎn)建設(shè)，大連理工大學(xué)“精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，建成了國(guó)內(nèi)一流的硅片及光電晶體基片超精密加工技術(shù)研究基地。可為本課題研究提供的研究環(huán)境和儀器設(shè)備條件包括：價(jià)值5000萬(wàn)元以上的精密超精密加工設(shè)備和測(cè)量分析儀器面積1100平方米（1000級(jí)）和100 平方米（100級(jí)）恒溫超凈間18Mcm去離子水制備系統(tǒng)55與課題相關(guān)的超精密加工設(shè)備國(guó)內(nèi)第一臺(tái)300mm硅片超精密磨床（日本Okamoto公司VG401型）美國(guó)CETR公司CP-4型CMP機(jī)床超精密研磨/拋光機(jī)MXD170型金剛石線鋸機(jī) 用于硅片和光電晶體基片超精密磨削工藝試驗(yàn)的設(shè)備以及用于試件制備的超精密加工設(shè)備56與課題相關(guān)的精密測(cè)量?jī)x器美國(guó)Zygo公司NewView 5022 表面輪廓儀英國(guó)Taylor Hobson公司Talysurf CLI2000表面形貌儀日本JEOL公司 JSM-6360 掃