国家出版基金项目

本书系统总结了作者及其团队十多年来在极硬半导体衬底磨粒加工原理与关键技术方面的研究成果，概述了极硬半导体衬底材料的种类、性能、应用和发展前景，深入阐述了极硬半导体衬底的加工工艺，包括加工工艺流程、力学性能、去除机理及共性加工技术等，重点介绍了极硬半导体衬底的磨粒加工原理和磨粒工具制备与应用技术，涵盖极硬半导体衬底的切割技术、磨削加工技术、抛光加工技术、划片加工技术，以及极硬半导体衬底无损测量和表征技术，并对各工序加工技术的发展趋势进行了展望。

本书具有很强的针对性、实用性和指导性，可以作为机械工程、智能制造、集成电路等领域工程技术人员的参考资料，也可以作为机械工程、智能制造、仪器科学与技术、集成电路等专业本科生和研究生的教材或参考书。

徐西鹏，华侨大学党委书记、制造工程研究院院长、脆性材料产品智能制造国家地方联合工程研究中心主任、教授、博导。研究领域：硬脆难加工材料高效精密磨粒加工。牵头获国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步奖一等奖6项；国家杰出青年科学基金获得者和国家科技创新领军人才。曾任国际磨粒技术委员会（ICAT）主席，现任国际工程与技术科学院（AET）Fellow、中机生产工程磨粒技术委员会主任、International Journal of Abrasive Technology副编辑（Associate Editor）、《机械工程学报》编委会副主任。

丛书序

前言

第 １ 章 极硬半导体衬底材料概述        ００１

１.１ 极硬半导体衬底材料            ００１

１.１.１ 极硬半导体衬底材料的概念      ００１

１.１.２ 极硬半导体衬底材料的发展历程     ００３

１.２ 极硬半导体衬底结构性质与应用          ００５

１.２.１ 蓝宝石衬底结构性质与应用      ００５

１.２.２ 碳化硅衬底结构性质与应用      ００６

１.２.３ 金刚石衬底结构性质与应用      ００８

１.３ 极硬半导体衬底的发展前景       ０１０

１.３.１ 蓝宝石衬底的发展前景          ０１０

１.３.２ 碳化硅衬底的发展前景          ０１０

１.３.３ 金刚石衬底的发展前景          ０１２

参考文献               ０１３

第 ２ 章 极硬半导体衬底的加工工艺           ０１４

２.１ 极硬半导体衬底的加工工艺流程          ０１４

２.２ 极硬半导体衬底材料的力学性能及去除机理    ０１７

２.２.１ 极硬半导体衬底材料的力学性能     ０１７

２.２.２ 极硬半导体衬底材料的去除机理     ０３４

２.３ 极硬半导体衬底共性加工技术      ０６７

２.３.１ 衬底切割技术            ０６７

２.３.２ 衬底研磨技术            ０６９

２.３.３ 衬底抛光技术            ０７０

２.３.４ 晶圆减薄技术            ０７１

２.３.５ 晶圆划片技术            ０７２

２.４ 极硬半导体衬底加工的挑战       ０７４

参考文献               ０７５

第 ３ 章 极硬半导体衬底高效高质线锯切割技术        ０７８

３.１ 概述               ０７８

３.２ 金刚石线锯切割过程建模与工艺调控         ０８０

３.２.１ 金刚石线锯切割运动学分析      ０８０

３.２.２ 金刚石线锯切割过程建模与数值模拟分析      ０８５

３.２.３ 金刚石线锯切割表面创成机理与模拟分析      １０８

３.２.４ 材料去除率受控的线锯切割模型     １２４

３.３ 钎焊金刚石线锯制备技术           １４０

３.３.１ 钎焊金刚石线锯的分类及制备原理        １４０

３.３.２ 钎焊金刚石线锯的制备工艺      １４５

３.３.３ 钎焊金刚石线锯的力学性能评价     １４８

３.４ 极硬半导体衬底高效高质切割技术的应用        １５０

３.４.１ 电镀金刚石线锯高质切割极硬半导体衬底      １５０

３.４.２ 钎焊金刚石线锯高效切割蓝宝石衬底    １５７

参考文献               １６０

第 ４ 章 极硬半导体衬底高效低损磨削加工技术        １６２

４.１ 概述               １６２

４.２ 极硬半导体衬底磨削过程建模与工艺调控        １６２

４.２.１ 双面行星磨削过程建模          １６３

４.２.２ 双面行星磨削工艺参数的影响         １７２

４.２.３ 双面行星磨削工艺优化          １８９

４.２.４ 自旋转磨削过程建模       １９７

４.２.５ 自旋转磨削工艺参数的影响      ２０４

４.２.６ 自旋转磨削工艺优化       ２１９

４.３ 极硬半导体衬底磨盘制备技术      ２２２

４.３.１ 双面行星磨削磨盘制备与效果评价        ２２２

４.３.２ 自旋转砂轮制备与效果评价      ２３１

４.４ 极硬半导体衬底高效低损磨削技术的应用        ２３６

４.４.１ 蓝宝石衬底双面行星磨削加工         ２３６

４.４.２ 碳化硅衬底自旋转磨削加工      ２４２

参考文献               ２４９

第 ５ 章 极硬半导体衬底高效反应抛光加工技术        ２５１

５.１ 概述               ２５１

５.２ 极硬半导体衬底反应抛光机理      ２５２

５.２.１ 蓝宝石衬底固相化学反应机理         ２５２

５.２.２ 碳化硅衬底摩擦化学反应机理         ２６５

５.２.３ 金刚石衬底活性磨粒反应去除机理        ２７１

５.３ 半固结磨料柔性抛光工具制备及等切厚控制技术       ２８５

５.３.１ 生物高分子凝胶抛光工具的制备及其力学性能      ２８６

５.３.２ 复配生物高分子凝胶抛光工具的制备及其力学性能     ２９１

５.３.３ 柔性抛光工具的磨粒等切厚控制技术    ３０１

５.４ 极硬半导体衬底高效反应抛光技术的应用        ３１２

５.４.１ 蓝宝石衬底固相化学反应抛光         ３１２

５.４.２ 碳化硅衬底摩擦化学反应抛光         ３２３

５.４.３ 金刚石衬底混合磨粒反应抛光         ３２８

参考文献               ３３４

第 ６ 章 极硬半导体衬底高效窄间隙划片加工技术     ３３７

６.１ 概述               ３３７

６.２ 极硬半导体材料划片加工原理及工艺控制        ３３９

６.２.１ 刀具变形及崩边形成机制      ３３９

６.２.２ 工艺参数控制与优化       ３４８

６.２.３ 刀具磨损及失效形式       ３５１

６.３ 活性金属结合剂划片刀制备技术          ３５８

６.３.１ 活性金属结合剂划片刀的制备         ３５８

６.３.２ 结合剂参数对划片刀性能的影响     ３６３

６.３.３ 刀具参数对划片刀性能的影响         ３６７

６.４ 极硬半导体衬底高效窄间隙划片技术的应用    ３７６

６.４.１ 蓝宝石衬底划片加工       ３７６

６.４.２ 碳化硅衬底划片加工       ３７９

参考文献               ３８９

第 ７ 章 极硬半导体衬底无损测量和表征技术     ３９１

７.１ 概述               ３９１

７.２ 半导体衬底面形评价参数和测量系统         ３９２

７.２.１ 半导体衬底面形典型评价参数         ３９２

７.２.２ 半导体衬底面形测量原理      ３９７

７.２.３ 衬底面形测量系统开发          ３９７

７.２.４ 面形测量系统在蓝宝石衬底磨抛加工中的应用      ４０４

７.３ 半导体衬底表面形貌评价参数和测量系统        ４０５

７.３.１ 半导体衬底表面粗糙度典型评价指标    ４０５

７.３.２ 半导体衬底表面微观形貌测量原理        ４１２

７.３.３ 衬底表面微观形貌测量系统开发     ４１５

７.３.４ 表面微观形貌测量系统在蓝宝石衬底磨抛加工中的应用    ４２３

７.４ 半导体衬底表面裂纹评价参数和测量系统        ４２４

７.４.１ 半导体衬底表面裂纹评价参数         ４２５

７.４.２ 半导体衬底表面裂纹检测原理         ４２８

７.４.３ 半导体衬底表面裂纹无损检测系统        ４３１

７.４.４ 半导体衬底材料表面宏观缺陷检测系统在蓝宝石衬底磨抛加工中的

应用          ４３３

７.５ 半导体衬底亚表面损伤表征和测量系统     ４３６

７.５.１ 光谱椭偏测量原理           ４３６

７.５.２ 衬底亚表面损伤层表征          ４３６

７.５.３ 半导体衬底亚表面损伤测量系统开发及应用   ４５６

参考文献               ４８５

第 ８ 章 极硬半导体衬底加工技术发展趋势      ４８８

８.１ 衬底切割技术         ４８９

８.２ 衬底磨削技术         ４９４

８.３ 衬底抛光技术         ４９７

８.４ 衬底划片技术         ５００

８.５ 衬底测量技术         ５０２

半导体产业是现代信息技术的基石，其技术水平和发展规模已经成为一个国家科技创新水平和综合国力的标志之一。世界各国已将半导体产业提升至国家安全战略的高度，并纷纷出台大量相关政策以支持其发展。据中国半导体行业协会统计，中国已经成为仅次于美国的全球第二大半导体制造国，半导体产业已经成为中国国民经济的支柱产业之一。随着硅、 锗等第一代、 第二代半导体材料性能逐渐达到其理论极限，在高温、高频、 高功率，以及抗辐射等极端工况下已难以满足需求。以碳化硅、 金刚石为代表的新型半导体材料因其优异的电学性能受到广泛关注。作为高性能微电子和光电子器件制造的衬底基片，半导体衬底的表面、 亚表面质量对器件的使用性能有着极为重要的影响，不仅要保持较高的面型精度和亚纳米级的表面粗糙度，还要避免表面及亚表面损伤ꎮ 半导体衬底的加工主要包括切割、 研磨、 抛光。半导体晶圆的加工主要有磨削减薄和划片。新型半导体材料具有高硬且脆的特性 (莫氏硬度达到或超过 ９ 级，本书将这类材料统称为极硬半导体衬底)，因此将磨粒加工作为其主要加工方式，其中游离磨粒加工是最具代表性的一种加工技术。游离磨粒加工可以获得较高的表面质量，但是由于极硬半导体衬底难加工的材料特性叠加了衬底大尺寸化和超薄化的发展趋势，导致其加工效率及良品率较低，同时磨粒的不均匀分布使得磨粒在加工过程中的运动轨迹以及与工件的界面作用不可控，因此难以严格控制其加工精度ꎮ 针对上述问题。

本书作者提出了固结磨粒加工技术，通过将磨粒固结在工具基体上，可以实现对界面加工状态的精确控制，进一步提高加工效率并改善加工质量。在半导体材料脆塑转变等加工理论的支撑下，通过调控工具表层的众多磨粒，按照半导体材料脆塑转变临界窗口的磨粒切厚进行材料去除并获得高质量的衬底表面。固结磨粒加工工具的开发不仅代表着极硬半导体衬底材料加工新原理、 新方法及新技术的突破，而且对于半导体衬底的高效率、 高质量加工技术及相关理论体系建立和完善也有非常重要的作用。本书正是基于上述背景撰写而成。全书共 ８ 章: 第 １ 章为极硬半导体衬底材料概述，由徐西鹏教授和罗求发副教授编写；第 ２ 章介绍极硬半导体衬底加工工艺，由姜峰教授和罗求发副教授编写；第 ３ 章介绍极硬半导体衬底高效高质线锯切割技术，由黄辉教授、 廖信江博士和赖志远博士编写；第 ４ 章介绍极硬半导体衬底高效低损磨削加工技术，由徐西鹏教授和胡中伟教授编写；第 ５ 章介绍极硬半导体衬底高效反应抛光加工技术，由陆静教授、 罗求发副教授和武民博士编写； 第 ６ 章介绍极硬半导体衬底高效窄间隙划片加工技术，由穆德魁教授编写；第 ７ 章介绍极硬半导体衬底无损测量和表征技术，由崔长彩教授和李子清博士编写；第 ８ 章介绍极硬半导体衬底加工技术发展趋势，由徐西鹏教授、 黄辉教授、 胡中伟教授、 陆静教授、 穆德魁教授、 崔长彩教授编写。全体作者共同参与各章节的审阅和修改，徐西鹏教授、 黄辉教授、 邓朝晖教授和谭援强教授完成最终审校ꎮ多年的研究成果表明。

本书所给出的新技术可行性强，取得了非常好的应用效果。本书的大部分内容是在国家自然科学基金项目研究成果的基础上撰写而成，特别感谢国家自然科学基金项目的资助与支持。同时，对书中所引用文献的作者表示诚挚的感谢。在资料收集整理、 图文修改排版过程中得到了实验室陈杰铭、 林典龙、 杨浩、 郭耀彬、 黄绍锋、 刘嘉伟、佟晗、 罗晓凤等多位硕士生、 博士生的大力协助，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免会有纰漏和疏忽之处，恳请读者批评指正。