基于温度影响的硅基材料大气等离子体抛光技术的去除函数建模与实验研究

发布时间：2020-06-15 21:44

【摘要】：超精密加工技术在近几年的时间里得到不断的发展。当前该技术的发展主要集中在发展新的加工工艺并提高加工精度。随着科学技术的发展,越来越多的与半导体相关企业和单位成立,它们对超光滑表面零件的数量需求越来越多,对该类型产品的质量的要求也越来越高。以往的加工精度已经不能满足军用甚至民用企业的要求,严重影响了如军用导弹的硅片、大规模集成电路和高精度的摄像机传感器等相关产品的产量,这对超精密加工提出了严峻的挑战。硅基材料作为第三代半导体材料,被公认为是先进工程应用和光学仪器工业的理想材料。它具有高温强度高、热膨胀系数低、传热性能好、抗氧化性好、热稳定性好、化学稳定性好等优良特点。广泛应用于国防、航空航天、核能开发、石油钻探等国家战略领域。然而,由于硅基材料具有很高的脆性和较高的硬度,这使得该材料在加工过程中容易出现侧面断裂的现象,从而使表面处理变得十分困难。如果用磨削等传统机械抛光方法对含有硅基材料的光学仪器进行表面处理时,不仅材料去除率太低,不适合球面零件加工,而且在加工过程中会留下大量的表面划痕等材料损伤,从而降低表面质量及精度。因此,传统加工方法因影响其质量而受到限制。哈尔滨工业大学(深圳)提出了使用大气等离子抛光(APPP)技术来代替传统加工工艺。该抛光过程的原理是由粒子激发产生的等离子体与硅基材料表面发生化学反应,生成气态产物离开被加工材料表面,从而完成抛光工艺。现已有很多学者已经开发并应用了这种复杂的等离子体态的化学反应来完成刻蚀需求。因为这属于化学去除方法,可以有效地避免像传统机械加工所产生的加工损伤。此外,这种方法可以达到纳米级的精度,因此在超精密加工领域中得到了应用。但是由于大气等离子抛光技术是基于等离子态的化学反应,它的抛光时间将比传统的接触式加工更长。因为大气等离子体刻蚀硅基材料时所发生的化学反应速率受温度影响很大,温度越高,反应速率越快,抛光效率也就越高,所以本文将根据Arrhenius方程讨论并分析温度与去除速率之间的关系,并建立相关函数模型和实验验证,从而克服大气等离子抛光技术的加工时间较长的缺点,使其具有更广泛的应用前景。在第二个章节中,本文将会介绍大气等离子抛光技术的原理和实验平台。大气等离子抛光过程中会产生大量的等离子体,它们会与样品表面发生化学反应并产生气态生成物。首先,我们研究了等离子体产生器,它是等离子体刻蚀样品的关键。等离子体是在等离子体炬的放电区域产生,然后与下方的样品发生化学反应产生气态生成物。这是基于化学刻蚀反应的大气等离子抛光的基本原理。其次,为了产生活性更好的等离子体,分析了不同的气体配比对加工的影响。在实验过程中,我们使用了CF_4,O_2和He三种气体。其中CF_4作为反应气体,产生能够与硅基材料发生化学反应的等离子体;O_2作为辅助气体,可以使电离出的活性等离子体不再重新聚合成含氟聚合物,保证等离子体的刻蚀效率,而且还可以与CF_4电离出的含C聚合物生成气态CO_2,避免富碳层的产生;He作为基底气体,为等离子体电离提供稳定的气体环境。气体配比不同,等离子体的浓度不同,产生的辉光不同,刻蚀效果及加工速率也就不同。通过当前的实验,可以确定最佳的气体配比。最后,本文引入了大气等离子抛光实验平台,并且详细介绍了平台中的每个系统的作用及功能。第三章主要建立并优化了时间驻留函数模型。在大气等离子抛光过程中,等离子体刻蚀的点并不是连续的,而是离散的。因为驻留在每个刻蚀点的时间不同,所以去除的材料量不同。这就意味着时间驻留函数会对样品表面精度造成直接的影响。因此在优化气体配比后,需要根据定量去除的原理,得到在单位时间内的去除函数模型,再根据该模型进行驻留点的分布和优化。驻留时间的算法有很多种,其中傅里叶变换方法因其稳定性很差,会有较大波动而不采用;稳定性较强的矩阵算法却因为其计算负荷大且得到的去除函数尺寸过小也不采用;Lucy-Richardson迭代算法具有较好的稳定性和计算效率,因此本文采用该算法来确定驻留函数模型,从而为分析后续的实验奠定基础。因为本文采用的大气等离子抛光实验室属于离散型去除加工方法,所以通过公式,本文计算了收敛比,设置了加工余量,再根据实际各个驻留点的分布情况建立了驻留函数,并进行了驻留时间迭代。最后本文对离散加工方法进行了分析,讨论了离散加工的特点,并根据驻留点对周围区域的影响设定了残差阈值,根据加工的面型及其去除量优化了驻留时间函数,为后续的基于温度诱导的大气等离子体刻蚀实验提供了所需的算法基础。在第四章中,为了研究温度对去除量的影响,本文在样品多个位置进行了不同温度下的单点刻蚀实验。在做完实验后,使用白光干涉仪对刻蚀后的样品进行检测,并得到样品表面的横截面形状。通过上述过程确定了不同温度下的材料去除形状。利用这些去除形状,可以在Matlab软件中推导出去除函数的三维模型。根据这些模型,可以发现:去除函数模型的形状与高斯曲面相似,影响其形状有两个关键性参数。其中一个是深度,通过不同温度下去除函数模型的深度对比,可以证明随着温度升高,去除深度也随之增加。另一个重要的因素是宽度,温度越高,宽度也大。通过这两个参数,可以对不同温度下的去除深度和宽度进行整理计算,根据去除函数的形状,可以计算出不同温度下的去除量。此外,通过得到的计算结果,我们还可以发现,当加工温度升高时,去除量也随之增加,并且去除量的变化与Arrhenius方程曲线有关。从实验结果中可以得到Arrhenius方程中最重要的一个参数,也就是活化能。然后通过活化能和Arrhenius方程曲线,可以拟合出基于材料去除实验的Arrhenius多项式。通过这个Arrhenius多项式,和Lucy-Richardson驻留函数模型相结合,我们可以计算出在单个点刻蚀时的驻留时间,从而可以根据驻留点密度而推导出完成整个区域的大气等离子抛光任务所需要的总时间。实验的模拟结果表明,随着加工温度的升高,抛光时间也随之缩短。根据实验数据,我们可以得到驻留时间与温度之间的关系曲线,该曲线与Arrhenius相似。当抛光温度在150摄氏度时,要达到相同的去除效果,抛光时间相对室温下的抛光时间缩短69%,这就意味着加工温度的升高可以有效地提高大气等离子体抛光技术的效率。在第五章中,在较高温度下对边缘效应进行有效的去除。本文介绍了几种消除边缘效应的方法,并对其进行优化处理,绘制了消除边缘效应的不同方法所需要的时间,通过对比找到最佳的消除边缘效应的方法。通过数据,可以发现在不影响样品刻蚀后的表面精度的前提下,优化后的方法可以减少42%的加工时间,这有效地提高加工效率。其次,通过实验,我们可以得到在不同温度下,想要去除相同体积的材料所需要的刻蚀时间。此外,本文还分析了影响表面精度的卷积效应。因为在大气等离子抛光实验中,等离子体炬在加工区域中所有离散点的驻留时间不是均匀的,这就意味着加工点是离散的。当等离子体在某一点进行加工时,将刻蚀附近的其他点,使其他点也产生一定大小的去除量,这就造成了卷积效应。根据实验数据,驻留点之间的距离越小,卷积效应越小,但加工时间也就越长,这将大大降低等离子体抛光的效率,因此需要再控制卷积效应的同时,尽量地提高加工速率,也就是说需要在这两个参数中选择最优解。本文对驻留点的间距从0.3mm到0.7mm进行了仿真,并对加工后的表面质量进行分析,最终确定了最优的驻留点间距。通过本文的这些实验数据,希望为半导体超精密加工领域的研究做出一定贡献。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN305.2

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