半导体晶片磁流变抛光的磁场发生装置设计

发布时间：2020-08-16 21:05

【摘要】：半导体晶片磁流变抛光是利用磁流变抛光液的磁流变效应对晶片表面进行超光滑平坦化加工的一种新型抛光方法,其中梯度磁场的形成是磁流变效应产生的关键。磁场发生装置是半导体晶片磁流变抛光设备中的核心装置,用于在抛光区产生特定分布的梯度磁场。磁场发生装置的性能对磁流变抛光设备的加工能力起着决定性的制约作用。在半导体晶片磁流变平面抛光中,永磁体集群式磁场发生装置能够有效兼顾抛光效率与抛光质量,因而本文针对此类磁场发生装置展开了研究与设计,建立了各设计参数与磁流变抛光液中磁场分布的解析模型,分析了各参数对磁流变抛光液中磁场的影响规律,并在此基础上对磁场发生装置的参数优化问题进行了研究,确定了最优设计参数和永磁体磁极排布方式,最终完成磁场发生装置的设计与制造。本文涉及的主要研究内容和成果如下:建立单一介质中磁场发生装置空间磁场的理论求解模型。在单永磁体空间磁场分析的基础上,针对磁场发生装置中多永磁体的空间磁场求解问题,确立了磁场发生装置在单介质空间的磁场分布求解方法,并在此基础上建立了磁场发生装置在磁流变抛光液中磁场分布的理论分析模型。以所建立的理论分析模型为基础,进一步研究了磁场发生装置相关设计参数与磁流变抛光液中磁场分布的映射关系。针对磁流变抛光液中磁场的求解问题,提出了双介质双界面空间磁场的镜像法分析思路,建立了磁场发生装置相关设计参数与磁流变抛光液中磁场分布的映射模型,通过算例与仿真分析对比验证了该模型的正确性。在确定磁场发生装置中影响磁流变抛光液中磁场的主要因素基础上,分析了磁场发生装置相关设计参数对磁流变抛光液中磁场的影响规律。由相关模型得到磁场发生装置中各参数与磁流变抛光液中相关磁场参数间的对应曲线;根据分析结果对永磁体磁极排布方式进行初步筛选,确定磁场发生装置相关参数的合理取值区间。为了优化磁场发生装置的设计方案,提出了磁场发生装置参数优化问题的求解方法。建立了磁场发生装置参数优化问题的数学模型,并借助人工蜂群算法对两种可行磁极排布下的磁场发生装置参数优化问题进行了求解。结合实际需求,通过分析与对比得到了磁场发生装置的最优设计参数和磁极排布方式,并最终根据相关参数与磁极排布方式对半导体晶片磁流变抛光的磁场发生装置进行了设计与试制验证。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN305.2
【图文】：

表面形状,半导体晶片

ｌ绪论逡逑ｌ．ｉ研究背景及意NB逡逑随着电子信息产业的快速发展，以集成电路和光电子器件制造为代表的子和光电子制造产业，己成为当今世界竞争最激烈、发展最迅速的产业［１，２］。体材料（如：硅、锗、砷化镓和碳化硅）是集成电路的基础，其优异的物理学性能使之广泛应用于各种电子器件中，而电子器件日益提高的性能要求，其所需半导体元件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度的要求来越高［３＿５］。一般作为集成电路基片所用的半导体晶片，如图ｉ－ｉ所示，其表糙度要达到亚纳米级水平，面形精度要控制在微米级，且无表面及亚表面损与变质层［６７］。因此，相应的高质量光滑表面抛光技术成为现代半导体材料加术中重要的研宄部分。抛光作为半导体晶片加工中至关重要的一道工序，其导体晶片面质量和可靠性的提升起着决定性作用。逦逡逑

磁流变抛光,原理样机,发生装置,第一

１．２．１轮式磁场发生装置现状分析逡逑轮式磁场发生装置的应用与革新始于１９９５年美国罗切斯特大学光学中心逡逑（ＣＯＭ）对正置式轮式磁流变抛光设备的研制成功，如图１－２所示，前苏联的逡逑Ｗ．Ｉ．Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ最早提出了这种轮式结构［１９，２（）］。轮式磁场发生装置和相应磁流变抛逡逑光设备的发明使得磁流变抛光技术可以真正用于非球面光学元件的修形和抛光。逡逑１９９７年在ＣＯＭ对磁流变抛光技术研宄的基础上，建立了邋ＱＥＤ公司，由此磁流变逡逑抛光便开始了商业化道路，而随着ＱＥＤ公司对轮式磁流变抛光设备的不断推出，逡逑轮式磁场发生装置在应用过程中也越来越成熟，这也使得轮式磁场发生装置成为逡逑了后续磁流变抛光研究者在磁场发生装置设计中的主要借鉴对象［２１＿２３］。就公开文逡逑献而言，目前，国内最早展开轮式磁场发生装置研究的是国防科技大学的彭小强逡逑等人；之后，清华大学、厦门大学以及东华大学等又相续对轮式磁场发生装置进逡逑行了研究和拓展。逡逑ｉＳｙ逡逑Ｉ逡逑图１－２第一台轮式磁流变抛光原理样机逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｗｈｅｅｌｅｄ邋ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ邋ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ逡逑轮式磁场发生装置按工作形式分，可分为正置式轮式磁场发生装置和倒置式逡逑轮式磁场发生装置［２４］

发生装置,磁场,抛光轮,磁极

逑W逡逑（ａ）倒置式轮式磁场发生装置逦（ｂ）正置式轮式磁场发生装置逡逑图１－３两种不同形式的轮式磁场发生装置逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｗｏ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｗｈｅｅｌｅｄ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｇｅｎｅｒａｔｏｒ逡逑不管是正置式轮式磁场发生装置还是倒置式轮式磁场发生装置其主要结构都逡逑是由永磁体（或励磁线圈），左右磁极以及托架等构成，其中左右磁极最大的特点逡逑就是磁极端部为圆弧形，如图１－４邋（ｂ）所示；图１－４邋（ａ）是该轮式磁场发生装置逡逑的工作原理图，在抛光过程中，轮式磁场发生装置的弧形磁极端紧靠抛光轮并在逡逑其下方产生弧形分布的梯度磁场，液态磁流变抛光液从喷管中输出经抛光轮旋转逡逑带入抛光轮与工件间的狭小加工区域，在磁场的作用下液态磁流变抛光液会形成逡逑相应的“柔性抛光膜”，并对半导体晶片材料产生去除作用［２６］。在轮式磁场发生装逡逑置工作过程中，抛光轮上形成的“柔性?

【参考文献】