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[摘 要]本文阐述了硅片自旋转加工的原理，并通过试验，研究了磨粒粒径、砂轮进给速度和砂轮线速度对轴向磨削力的影响，结果表明，磨削工艺参数对磨削力影响的情况是不同的，其中砂轮进给速度对磨削力的影响最大，并以试验为基础，建立了磨削力数学模型，得出砂轮磨削力计算公式，为研究磨削工艺规律的研究提供了依据
[关键词]磨粒粒径；进给速度；线速度；磨削力；
中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0224-02
前言
随着IC工艺、技术的不断发展，硅单晶的直径尺寸越来越大，对单晶硅抛光的质量要求包括尺寸、平整度、表面粗糙度、纳米形貌、含氧量和晶体完整性等指标的要求越来越高。传统的硅片加工工艺已无法适应大尺寸硅片质量、高精度、高效率和低成本的加工要求[1]。
硅片自旋转磨削由于其是杯型砂轮单纯切入磨削，砂轮的接触长度、接触面积、切入角固定不变，因此其加工余量不受限制，磨削力恒定，从原理上可以实现面型精度的主动控制，改善硅片面型精度[2]，另外，由于砂轮转速远高于硅片转速，砂轮磨削对硅片平整度的影响小。最后硅片自旋转磨削硅片时，被加工硅片始终有一半处于砂轮外面，易于实现 硅片的在线厚度与表面质量检测与控制。去除加工[3]。
1.硅片自旋转磨削机理
硅片自旋转时，硅片固定在尺寸略大于硅片的转台上，硅片的中心与转台的中心重合，杯型砂轮的工作面调整到硅片的中心位置，磨削时，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，杯型砂轮绕其主轴旋转并沿轴向进给[4]。采用自旋转磨削方法加工硅片，其装置原理如图1所示。在实际的磨削过程中，为减小磨削力和减小磨削热，通常将砂轮主轴与吸盘主轴之间预留一个微倾角使砂轮和硅片实现半接触磨削。
2.硅片磨削试验
本文采用60mm的单晶硅片作为试验对象，试验砂轮采用树脂结合剂金刚石砂轮，试验砂轮磨粒粒径选择#600和#2000。砂轮进给速度f=[10 15 20 25 30 40 50]，由于型号#2000的砂轮主要用于精磨，若进给速度过大，则可能 会恶化硅片表面质量，从而达不到理想的结果，还会损坏砂轮。所以#2000不用于进给速度为40 和50 的实验。其余均选择#600和#2000作为试验，实验选择砂轮的转速 =[400 600 800 1000 1200]。本试验用测力仪来测量磨削力。
2.1磨粒粒径对磨削力影响
从表12和表2可以看出，在一定的砂轮进给速度和砂轮线速度情况下，#600砂轮的轴向磨削力比#2000砂轮的轴向磨削力要小，从而可以得出磨粒粒径越小，砂轮轴向磨削力越小。
2.2 砂轮进给速度对磨削力的影响
表2为在砂轮线速度为800mm/min条件下，轴向磨削力与砂轮进给速度的关系。从表2中可以看出，砂轮的轴向磨削力随着砂轮进给速度的增大而增大，原因是由于砂轮进给速度的增加，使得单颗磨粒的最大未变形切削厚度增加，同时参与磨削的有效颗粒增多，导致轴向磨削力明显增大，另外，随着砂轮进给速度的增大，砂轮粘结剂、粘屑及硅片之间的滑动摩擦作用也增大，因此轴向磨削力也增大。
2.3 砂轮转速对磨削力的影响
在砂轮进给速度为15 条件下，测量不同的砂轮转速对轴向磨削力的影响的变化如表3所示，在一定条件下，随着砂轮转速的增加，砂轮的磨削力逐渐减小。这是因为砂轮转速增加后，单位时间内通过磨削区的磨粒数也增多，导致单颗磨粒的切放深度减小，切屑弯薄，切屑截面积减小 ，因此，有效磨粒的磨削力也隨之降低。
3.磨削力经验公式的建立
在实际的工程计算中，由于磨削加工情况的复杂性，理论公式在具体的加工条件下会受到很大的限制，所以当前仍以采用经验公式为主[5]。本文结合了各国学者作出的大量研究和发表的大量数据，磨削力经验公式以磨削条件的幂指函数形式来表示，同时综合本试验所得的磨削力数据，推导出磨削力公式。
考虑到本试验主要影响磨削力的因素为进给速度 和砂轮线速度 ，取经验公式为
通过数学运算可得#600砂轮磨削硅片的轴向磨削力公式为 ，与表1中试验数据对比，得出磨削力相对误差为2.58%，#2000砂轮磨削硅片的轴向磨削力公式为 ，与表1中试验数据对比，得出磨削力相对误差为3.25%。但是由于磨削过程是复杂性，本文所得的经验公式是在一定的磨削条件下得出的，在生产实践过程中若条件改变，可根据具体情况进行一定的修正。
4.结论
从试验结果可以看出，在一定的砂轮进给速度和砂轮线速度情况下，磨粒粒径越小，砂轮轴向磨削力越小。在给定砂轮型号与砂轮进给速度时，砂轮的轴向磨削力随着砂轮进给速度的增大而增大；在磨削条件相同的情况下，随着砂轮转速的增加，砂轮的磨削力逐渐减小。另外，从磨削力的公式可以看出，砂轮进给速度的指数绝对值要大于砂轮转速的指数绝对值，说明减小砂轮进给速度能大大减小磨削力。
参考文献
[1]蔡光起，冯宝福，赵恒华，磨削技术的最新进展[J].世界制造技术与装备市场，2003（3）.
[2]康仁科，田业冰，郭东明.大直径硅片超精密磨削技术的研究与应用现状 [J].金刚石与磨具磨料工程，2003.4（136）.
[3]Z.J.Pei， Alan Strasbaugh， Fine grinding of silicon wafers [J[.International Journal of Machine Tools and Manufacture.2001，41.
[4]李伯民，赵波.实用磨削技术 [M].北京：机械工业出版社，1996..
[5]Matsuui S， Horiuchi T， Parallelism improvement of ground silicon wafers[J]， Journal of Engineering for industrye.1991，113.
[关键词]磨粒粒径；进给速度；线速度；磨削力；
中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0224-02
前言
随着IC工艺、技术的不断发展，硅单晶的直径尺寸越来越大，对单晶硅抛光的质量要求包括尺寸、平整度、表面粗糙度、纳米形貌、含氧量和晶体完整性等指标的要求越来越高。传统的硅片加工工艺已无法适应大尺寸硅片质量、高精度、高效率和低成本的加工要求[1]。
硅片自旋转磨削由于其是杯型砂轮单纯切入磨削，砂轮的接触长度、接触面积、切入角固定不变，因此其加工余量不受限制，磨削力恒定，从原理上可以实现面型精度的主动控制，改善硅片面型精度[2]，另外，由于砂轮转速远高于硅片转速，砂轮磨削对硅片平整度的影响小。最后硅片自旋转磨削硅片时，被加工硅片始终有一半处于砂轮外面，易于实现 硅片的在线厚度与表面质量检测与控制。去除加工[3]。
1.硅片自旋转磨削机理
硅片自旋转时，硅片固定在尺寸略大于硅片的转台上，硅片的中心与转台的中心重合，杯型砂轮的工作面调整到硅片的中心位置，磨削时，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，杯型砂轮绕其主轴旋转并沿轴向进给[4]。采用自旋转磨削方法加工硅片，其装置原理如图1所示。在实际的磨削过程中，为减小磨削力和减小磨削热，通常将砂轮主轴与吸盘主轴之间预留一个微倾角使砂轮和硅片实现半接触磨削。
2.硅片磨削试验
本文采用60mm的单晶硅片作为试验对象，试验砂轮采用树脂结合剂金刚石砂轮，试验砂轮磨粒粒径选择#600和#2000。砂轮进给速度f=[10 15 20 25 30 40 50]，由于型号#2000的砂轮主要用于精磨，若进给速度过大，则可能 会恶化硅片表面质量，从而达不到理想的结果，还会损坏砂轮。所以#2000不用于进给速度为40 和50 的实验。其余均选择#600和#2000作为试验，实验选择砂轮的转速 =[400 600 800 1000 1200]。本试验用测力仪来测量磨削力。
2.1磨粒粒径对磨削力影响
从表12和表2可以看出，在一定的砂轮进给速度和砂轮线速度情况下，#600砂轮的轴向磨削力比#2000砂轮的轴向磨削力要小，从而可以得出磨粒粒径越小，砂轮轴向磨削力越小。
2.2 砂轮进给速度对磨削力的影响
表2为在砂轮线速度为800mm/min条件下，轴向磨削力与砂轮进给速度的关系。从表2中可以看出，砂轮的轴向磨削力随着砂轮进给速度的增大而增大，原因是由于砂轮进给速度的增加，使得单颗磨粒的最大未变形切削厚度增加，同时参与磨削的有效颗粒增多，导致轴向磨削力明显增大，另外，随着砂轮进给速度的增大，砂轮粘结剂、粘屑及硅片之间的滑动摩擦作用也增大，因此轴向磨削力也增大。
2.3 砂轮转速对磨削力的影响
在砂轮进给速度为15 条件下，测量不同的砂轮转速对轴向磨削力的影响的变化如表3所示，在一定条件下，随着砂轮转速的增加，砂轮的磨削力逐渐减小。这是因为砂轮转速增加后，单位时间内通过磨削区的磨粒数也增多，导致单颗磨粒的切放深度减小，切屑弯薄，切屑截面积减小 ，因此，有效磨粒的磨削力也隨之降低。
3.磨削力经验公式的建立
在实际的工程计算中，由于磨削加工情况的复杂性，理论公式在具体的加工条件下会受到很大的限制，所以当前仍以采用经验公式为主[5]。本文结合了各国学者作出的大量研究和发表的大量数据，磨削力经验公式以磨削条件的幂指函数形式来表示，同时综合本试验所得的磨削力数据，推导出磨削力公式。
考虑到本试验主要影响磨削力的因素为进给速度 和砂轮线速度 ，取经验公式为
通过数学运算可得#600砂轮磨削硅片的轴向磨削力公式为 ，与表1中试验数据对比，得出磨削力相对误差为2.58%，#2000砂轮磨削硅片的轴向磨削力公式为 ，与表1中试验数据对比，得出磨削力相对误差为3.25%。但是由于磨削过程是复杂性，本文所得的经验公式是在一定的磨削条件下得出的，在生产实践过程中若条件改变，可根据具体情况进行一定的修正。
4.结论
从试验结果可以看出，在一定的砂轮进给速度和砂轮线速度情况下，磨粒粒径越小，砂轮轴向磨削力越小。在给定砂轮型号与砂轮进给速度时，砂轮的轴向磨削力随着砂轮进给速度的增大而增大；在磨削条件相同的情况下，随着砂轮转速的增加，砂轮的磨削力逐渐减小。另外，从磨削力的公式可以看出，砂轮进给速度的指数绝对值要大于砂轮转速的指数绝对值，说明减小砂轮进给速度能大大减小磨削力。
参考文献
[1]蔡光起，冯宝福，赵恒华，磨削技术的最新进展[J].世界制造技术与装备市场，2003（3）.
[2]康仁科，田业冰，郭东明.大直径硅片超精密磨削技术的研究与应用现状 [J].金刚石与磨具磨料工程，2003.4（136）.
[3]Z.J.Pei， Alan Strasbaugh， Fine grinding of silicon wafers [J[.International Journal of Machine Tools and Manufacture.2001，41.
[4]李伯民，赵波.实用磨削技术 [M].北京：机械工业出版社，1996..
[5]Matsuui S， Horiuchi T， Parallelism improvement of ground silicon wafers[J]， Journal of Engineering for industrye.1991，113.