崔　濤

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130033）

單晶硅研磨過(guò)程的聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)研究

崔濤*

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130033）

本文在BIN62型超精密研拋機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了研磨過(guò)程的聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)裝置，試驗(yàn)研究了不同研磨工況對(duì)聲發(fā)射信號(hào)RMS值和材料去除率的影響規(guī)律，采用回歸分析方法建立了材料去除率與聲發(fā)射信號(hào)RMS值的線性數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)聲發(fā)射波形的頻譜分析和表面形貌的觀測(cè)研究了單晶硅研磨過(guò)程中的聲發(fā)射源機(jī)制。結(jié)果表明:在保持其他研磨工況不變的條件下，聲發(fā)射信號(hào)RMS值隨著研磨壓力或研磨速度的增加而增加；根據(jù)RMS值可實(shí)現(xiàn)材料去除率的在線監(jiān)測(cè)，在給定研磨工況范圍內(nèi)材料去除率預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)誤差小于4.2%；聲發(fā)射波形的頻譜分析技術(shù)可用于聲發(fā)射源機(jī)制的識(shí)別，單晶硅研磨過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)主要的頻率成分出現(xiàn)在50 kHz～260 kHz頻段內(nèi)，聲發(fā)射信號(hào)主要來(lái)源于材料的脆性解理、磨粒磨損和輕微粘結(jié)磨損。

研磨；聲發(fā)射；在線監(jiān)測(cè)；單晶硅；材料去除率

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.04.023

研磨加工屬于游離磨粒式加工方法的一種，是半導(dǎo)體芯片制造過(guò)程中極為重要的一道工序，主要目的是去除前道工序留下的亞表面損傷層，加工出滿足要求的平面度和表面質(zhì)量。然而由于該加工方法的復(fù)雜性，目前對(duì)于研磨加工中的很多本質(zhì)現(xiàn)象如材料去除機(jī)理、磨粒運(yùn)動(dòng)形式、不同工藝條件的影響規(guī)律等還不能進(jìn)行很好地解釋?zhuān)率咕砻尜|(zhì)量難以提高，研磨過(guò)程不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，生產(chǎn)效率低等。因此研究不同研磨工況對(duì)材料去除率和材料去除機(jī)理的影響規(guī)律，找到一種有效的在線監(jiān)測(cè)方法對(duì)研磨過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)將變得很有意義。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，目前被廣泛應(yīng)用于聲源定位、壓力容器檢驗(yàn)和核設(shè)施監(jiān)測(cè)等工程領(lǐng)域［1-3］。由于該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與缺陷相關(guān)的變形過(guò)程，如裂紋的萌生和擴(kuò)展、塑性變形等，該技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到機(jī)械加工和材料測(cè)試等領(lǐng)域［4-7］。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Dornfeld課題組［8］于1996年首次將聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于研磨過(guò)程的在線檢測(cè)，設(shè)計(jì)了研磨過(guò)程的聲發(fā)射檢測(cè)裝置，研究了聲發(fā)射信號(hào)與研磨時(shí)間、材料去除率之間的關(guān)系，并對(duì)研磨過(guò)程中的聲發(fā)射源進(jìn)行了分析，結(jié)果表明聲發(fā)射有效值電壓（RMS）與材料去除率（MRR）成線性正比關(guān)系，而且研磨液一定的情況下RMS值隨著研磨時(shí)間逐漸降低，原因在于材料的去除方式從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄稳コ?，而脆性域加工中的裂紋擴(kuò)展面積是塑形域加工塑形變形面積的十倍多，從而導(dǎo)致了材料去除率隨著研磨時(shí)間逐漸降低。Zhang［9］提出用超聲波振動(dòng)輔助研磨（USAL）技術(shù)在脆性材料表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，并采用聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)技術(shù)成功解決了微細(xì)刀具的對(duì)刀和刀具磨損補(bǔ)償這兩個(gè)難題，通過(guò)比較聲發(fā)射有效值電壓與設(shè)定門(mén)檻值實(shí)現(xiàn)了刀具接觸自動(dòng)識(shí)別，提高了微結(jié)構(gòu)陣列的加工精度。Hase［10］研究了干式研磨過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)、摩擦系數(shù)與摩擦行為之間的關(guān)系，結(jié)果表明磨粒的種類(lèi)影響著聲發(fā)射信號(hào)的大小和波動(dòng)，通過(guò)聲發(fā)射計(jì)數(shù)率或者RMS的量級(jí)或者變化量能夠判斷出磨損形式、磨損量以及研磨后工件的表面粗糙度，通過(guò)聲發(fā)射RMS能夠預(yù)估磨粒數(shù)量和磨粒尺寸，而通過(guò)摩擦系數(shù)的變化則無(wú)法判斷。另外，Hase［11］也對(duì)粘著磨損和磨粒磨損兩種磨損方式下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)的頻譜能夠識(shí)別磨損方式，在粘著磨損中突發(fā)性聲發(fā)射信號(hào)來(lái)自于粘著材料的轉(zhuǎn)移和撕裂，聲發(fā)射信號(hào)的峰值出現(xiàn)在1.1 MHz附近，而在磨粒磨損中突發(fā)性聲發(fā)射信號(hào)來(lái)源于材料的微切削和耕犁，聲發(fā)射信號(hào)的峰值分布在0.25 MHz 到1.1 MHz的區(qū)域內(nèi)。李軍等人［12］在石英晶體的研磨過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)隨著三乙醇胺研磨液的濃度的增加先增大后減小。近年來(lái)越來(lái)越多的研究將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）過(guò)程中工藝參數(shù)的優(yōu)化［13］，各介質(zhì)層的分界判斷［14］和原位終點(diǎn)監(jiān)測(cè)［15-16］等，都說(shuō)明聲發(fā)射技術(shù)在在線監(jiān)測(cè)方面是一種十分有效的方式。

本文在BIN62型超精密研拋機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了研磨過(guò)程的聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)裝置，首先試驗(yàn)研究了不同研磨工況對(duì)RMS值和材料去除率的影響規(guī)律，并建立了材料去除率與聲發(fā)射信號(hào)RMS值的線性回歸模型，為研磨過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)提供指導(dǎo)。最后通過(guò)聲發(fā)射波形的頻譜分析和表面形貌的觀測(cè)研究了單晶硅研磨過(guò)程中的聲發(fā)射源機(jī)制。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1研磨裝置及試驗(yàn)

本文使用日本BN技術(shù)公司的BIN62超精密研拋機(jī)進(jìn)行單晶硅的研磨實(shí)驗(yàn)，該型號(hào)研拋機(jī)配有直徑為500 mm的鑄鐵研磨盤(pán)，盤(pán)速調(diào)整范圍為10 r/min～150 r/min，具備旋擺功能并可控制旋擺角度和速度，主要用于直徑最大為6英寸的半導(dǎo)體晶圓的平面研拋加工。為實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的在線檢測(cè)，本文在該研拋平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套研磨加工在線監(jiān)測(cè)裝置，如圖1所示。該裝置主要由壓力調(diào)整單元、信號(hào)檢測(cè)單元、研磨盤(pán)修整單元、研磨液供給單元以及研磨加工單元五部分組成。其中，壓力調(diào)整單元由手調(diào)式z軸位移滑臺(tái)改制而成，可以手動(dòng)調(diào)整研磨壓力。研磨盤(pán)修整單元由修整環(huán)和支撐搖臂組成，主要作用在于研磨過(guò)程中對(duì)研磨盤(pán)的表面的在線修整，保證研磨盤(pán)的平面度。

圖1　試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用雙面拋光的4英寸N型單晶硅晶圓作為研磨試樣，厚度為0.5 mm，實(shí)驗(yàn)前用金剛石玻璃刀和鋼尺將的晶圓劃分為15 mm×15 mm的方形試樣備用。研磨實(shí)驗(yàn)采用粒徑為8 μm的綠碳化硅顆粒作為研磨顆粒，和去離子水配成質(zhì)量百分比濃度為10%的研磨液。進(jìn)行研磨試驗(yàn)前采用上述的修整環(huán)和配制的研磨液將研磨盤(pán)進(jìn)行修整（研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速 30 r/min，研磨液供給20 mL/min，搖臂擺動(dòng)角度15°），清洗后采用激光干涉儀檢測(cè)沿研磨盤(pán)直徑方向交叉兩直線的表面輪廓，保證研磨盤(pán)的平整度在3 μm以下，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)地對(duì)研磨盤(pán)進(jìn)行在線修整。本文對(duì)不同研磨壓力、研磨速度和單晶硅晶面下的聲發(fā)射信號(hào)以及材料去除率進(jìn)行了研究，研磨實(shí)驗(yàn)方案及工藝參數(shù)如表1所示。單晶硅研磨的材料去除率通過(guò)研磨前后樣品的質(zhì)量變化獲得，工件質(zhì)量由上海舜宇恒平公司的FA1004型精密電子秤（重復(fù)性±0.1 mg）度量。另外，研磨之后采用掃描電子顯微鏡（JSM 6700F）觀測(cè)樣品的表面形貌，并結(jié)合不同研磨工況對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響規(guī)律對(duì)研磨過(guò)程中的材料去除機(jī)理進(jìn)行分析。

表1　研磨實(shí)驗(yàn)方案及工藝參數(shù)

1.2s聲發(fā)射傳感器

本文采用美國(guó)物理聲學(xué)（PAC）公司的單通道USB聲發(fā)射系統(tǒng)采集聲發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)頻率范圍為1 kHz～1 MHz，傳感器型號(hào)為R15a，諧振頻率為150 kHz，采樣率為20 Msample/s，經(jīng)過(guò)前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行40 dB放大，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬帶通濾波、高速采樣和A/D轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲(chǔ)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)接收到的信號(hào)進(jìn)行控制過(guò)濾，屏蔽噪聲干擾，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需設(shè)置門(mén)檻值。門(mén)檻值的設(shè)置受系統(tǒng)的靈敏度和噪聲干擾的影響，針對(duì)材料研究和結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，工程上常用的門(mén)檻值參考范圍為35 dB～55 dB，因此實(shí)驗(yàn)中將門(mén)檻值設(shè)置為40 dB。除了上述系統(tǒng)參數(shù)，定時(shí)參數(shù)的設(shè)置也十分重要。定時(shí)參數(shù)是指聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中提取撞擊信號(hào)的控制參數(shù)，主要包含峰值鑒別時(shí)間、撞擊鑒別時(shí)間、撞擊閉鎖時(shí)間以及預(yù)觸發(fā)時(shí)間。聲發(fā)射信號(hào)的影響因素較多，其波形因試樣的材料、加工工藝、尺寸形狀等因素的不同有很大差別，所以定時(shí)參數(shù)的選取應(yīng)該根據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程實(shí)際檢測(cè)到的波形來(lái)進(jìn)行。工程實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體等非金屬材料給出了定時(shí)參數(shù)的參考范圍，因此單晶硅的研磨實(shí)驗(yàn)中聲發(fā)射系統(tǒng)定時(shí)參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

表2　聲發(fā)射系統(tǒng)定時(shí)參數(shù)設(shè)置　單位:μs

根據(jù)信號(hào)類(lèi)型的不同，可把聲發(fā)射信號(hào)的分析方法概括為參數(shù)分析法和波形分析法兩種。理論上講，采用波形分析法能獲得更多的關(guān)于聲發(fā)射源的信息。而在實(shí)際應(yīng)用中，參數(shù)分析法則應(yīng)用的更為廣泛［17］。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)儀器中檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理?yè)Q算，會(huì)獲取不同的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)，從而能夠?qū)β暟l(fā)射源的性質(zhì)進(jìn)行研究。有效值電壓（RMS）是表征聲發(fā)射信號(hào)的主要參數(shù)之一，它與聲發(fā)射的能量有直接關(guān)系。用通常的交流電壓表，由于時(shí)間常數(shù)較大，正確測(cè)量聲發(fā)射RMS值相對(duì)比較困難。所以，一般都采用采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電壓的均方根值來(lái)定義RMS值，即

采用上述方法來(lái)測(cè)量RMS比較簡(jiǎn)便，其大小值與門(mén)檻值電壓的大小無(wú)關(guān)，另外平均信號(hào)電平（ASL）、信號(hào)強(qiáng)度等聲發(fā)射特征參數(shù)也適合于機(jī)械加工領(lǐng)域連續(xù)性聲發(fā)射信號(hào)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，但這些參數(shù)與RMS一樣都是基于信號(hào)電壓的變換，不同研磨工況對(duì)這些特征參數(shù)的影響具有一致性，只是在幅值上有所不同，因此本文選取了應(yīng)用最為廣泛的RMS作為研究對(duì)象。

2　結(jié)果與討論

2.1研磨工況對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

圖2表示在300 s的研磨時(shí)間內(nèi)研磨過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的RMS在不同研磨壓力下隨時(shí)間的變化，研磨過(guò)程中，保持其它研磨工況不變，每研磨50 s調(diào)整一下研磨壓力，從0.2 kg逐漸增加到1.0 kg?？梢钥闯鲭S著研磨壓力的改變，RMS值會(huì)迅速發(fā)生變化，當(dāng)研磨壓力穩(wěn)定后RMS值會(huì)在一個(gè)新的幅值上下小幅波動(dòng)，通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚集程度能夠可以明顯看出研磨壓力發(fā)生變化時(shí)的分界點(diǎn)，這在一定程度上反映了聲發(fā)射信號(hào)的靈敏度。

圖2　不同研磨壓力下RMS隨時(shí)間變化

對(duì)圖2中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別求出不同研磨壓力下的RMS值的平均值和均方根誤差，分析結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出隨著研磨壓力的增加，RMS的平均幅值也逐漸增加，但當(dāng)研磨壓力從0.8 kg增加到1.0 kg時(shí)，RMS值變化不大且波動(dòng)變大。這可能是因?yàn)檠心毫υ黾拥揭欢ǔ潭葧r(shí)，研磨液中越來(lái)越多的磨粒嵌入到鑄鐵研磨盤(pán)表面，使得工件和研磨盤(pán)之間的間距小于磨粒粒徑，而新供給的研磨液磨粒將無(wú)法進(jìn)行這個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工，從而導(dǎo)致RMS值幅值變化不大。

圖3　聲發(fā)射信號(hào)RMS與研磨壓力的關(guān)系

圖4表示在700 s的研磨時(shí)間內(nèi)研磨過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的RMS在不同研磨速度下隨時(shí)間的變化。研磨過(guò)程中，保持其它研磨工況不變，每研磨一段時(shí)間調(diào)整一下研磨速度，從10 r/min逐漸增加到70 r/min，然后降至 20 r/min再逐步增加到60 r/min，步長(zhǎng)為20 r/min?？梢钥闯雎暟l(fā)射信號(hào)的RMS值隨著研磨速度的實(shí)時(shí)變化有著明顯的差別，通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚集程度和變化幅度能夠靈敏的設(shè)別出研磨速度的改變。另外當(dāng)研磨速度從70 r/min降至20 r/min時(shí)，RMS值也會(huì)迅速降至10 r/min和30 r/min時(shí)的幅值之間并達(dá)到穩(wěn)定，這表明聲發(fā)射信號(hào)在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)不僅靈敏而且準(zhǔn)確。

圖4　不同研磨速度下聲發(fā)射信號(hào)RMS隨時(shí)間的變化

對(duì)圖4中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別求出不同研磨速度下的RMS值的平均值和均方根誤差，分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出RMS值隨著研磨速度的增加幾乎線性增加，在研磨壓力保持不變的情況下提高研磨速度意味著單位時(shí)間內(nèi)參與研磨加工的磨粒數(shù)量增加，材料去除時(shí)所釋放的能量就會(huì)變大，從而導(dǎo)致RMS值幅值變大。

圖5　聲發(fā)射信號(hào)RMS與研磨速度的關(guān)系

針對(duì)不同晶面的單晶硅試樣，在550 s的研磨時(shí)間內(nèi)研磨過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的RMS值隨時(shí)間的變化如圖6所示。研磨初期聲發(fā)射信號(hào)的有效值電壓幅值隨著時(shí)間的增加快速升高，研磨100 s之后聲發(fā)射信號(hào)逐漸穩(wěn)定下來(lái)，圍繞在一定值左右上下波動(dòng)。

圖6　研磨不同晶面時(shí)RMS隨時(shí)間的變化

另外在RMS幅值上，有如下關(guān)系:（110）＞（111）＞（100），RMS幅值大說(shuō)明對(duì)該晶面試件進(jìn)行研磨時(shí)需要消耗的能量就大。圖7表示不同晶面試件的RMS與聲發(fā)射計(jì)數(shù)之間的關(guān)系，聲發(fā)射計(jì)數(shù)表示聲發(fā)射信號(hào)波形中越過(guò)門(mén)檻值電壓并達(dá)到此刻RMS值的次數(shù)，可以看出（100）晶面的數(shù)據(jù)點(diǎn)主要集中在區(qū)域A，RMS值分布于0.25 V到0.4 V以內(nèi)，各階段RMS值的計(jì)數(shù)都在5×103次以下，說(shuō)明研磨該晶面過(guò)程中消耗的總能量相對(duì)較小；而（110）晶面的數(shù)據(jù)點(diǎn)主要集中在區(qū)域B，RMS值分布于0.25 V到0.465 V之間，且RMS值的計(jì)數(shù)都在20×103次以上，另外只有（110）晶面的RMS值達(dá)到0.41 V以上，說(shuō)明研磨該晶面需要的能量最大。

圖7　不同晶面聲發(fā)射計(jì)數(shù)與RMS值的關(guān)系

另外，當(dāng)研磨壓力變化幅度較小時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的幅值變化很小且波動(dòng)較大，在實(shí)際應(yīng)用中難以進(jìn)行自動(dòng)區(qū)分，除了提高聲發(fā)射傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)研磨壓力的自動(dòng)識(shí)別。本文提出一種實(shí)時(shí)分段數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，如圖8的流程圖所示，主要步驟如下:

①首先根據(jù)研磨工件的尺寸、材料等條件的不同，進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)得到不同研磨速度和研磨晶面下的研磨壓力與RMS值的關(guān)系曲線（包括如圖3所示的平均值和均方根誤差），研磨速度和研磨晶面可以通過(guò)其他方式方便獲得；

②在實(shí)際的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)地對(duì)隨時(shí)間變化的RMS值進(jìn)行分時(shí)間段的數(shù)據(jù)處理，得到該時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值和均方根誤差，并根據(jù)上步建立的關(guān)系圖來(lái)確定此時(shí)間段內(nèi)的研磨壓力。

圖8　研磨壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)流程圖

2.2聲發(fā)射信號(hào)與材料去除率的回歸分析

1927年，Preston提出了著名的Preston假設(shè)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果他發(fā)現(xiàn)研拋過(guò)程的材料去除率可以表示為以下的線性方程:

其中，K代表比例常數(shù)，由研拋過(guò)程中如材料、研拋液濃度等其他因素決定；v代表研拋速度；P代表研拋壓力［18］。若其他的工藝參數(shù)不變，那么材料去除率MRR和P、v成正比。

而根據(jù)上節(jié)的分析，聲發(fā)射信號(hào)RMS值同樣隨著研磨壓力和研磨速度的增加而增加，可以說(shuō)RMS值的大小一定程度上代表了材料加工過(guò)程中釋放能量的高低。因此RMS值與材料去除率MRR可能會(huì)存在內(nèi)在的聯(lián)系，若能建立兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則可以根據(jù)在線測(cè)得的RMS值直接得出工件的材料去除率MRR，提高加工效率。總結(jié)上述單晶硅研磨實(shí)驗(yàn)得到的不同研磨工況下的材料去除率MRR和聲發(fā)射信號(hào)RMS值如表3所示，對(duì)表中的數(shù)據(jù)做出散點(diǎn)圖，如圖9所示，可以看出MRR和RMS值呈大致線性關(guān)系。

表3　不同研磨工況下的MRR和RMS

圖9　材料去除率MRR與RMS的關(guān)系

對(duì)圖中散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到如圖所示的直線，擬合出的線性方程為:

其中x指RMS值，y指MRR值，在置信區(qū)間為95%時(shí)R2=0.917 5。為檢驗(yàn)方程的預(yù)測(cè)精度，在表3的研磨工況范圍內(nèi)進(jìn)行了三組驗(yàn)證試驗(yàn)，將檢測(cè)到的RMS值代入公式（3）得到材料去除率的預(yù)測(cè)值，與研磨后測(cè)得的材料去除率進(jìn)行對(duì)比得到兩者之間的誤差值，結(jié)果如表4所示，可見(jiàn)該模型的預(yù)測(cè)誤差小于4.2%，說(shuō)明該模型可以用來(lái)監(jiān)測(cè)單晶硅研磨加工過(guò)程中的材料去除率。采用這種方法，可以直接通過(guò)函數(shù)關(guān)系獲得研磨加工時(shí)的材料去除率，代替了傳統(tǒng)的反復(fù)停機(jī)檢測(cè)的步驟，從而提高了研磨加工效率。

表4　檢測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

2.3研磨過(guò)程的聲發(fā)射源機(jī)制

聲發(fā)射源指聲發(fā)射信號(hào)的物理起源點(diǎn)或引起聲發(fā)射應(yīng)力波的機(jī)制源。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)材料加工、摩擦磨損、疲勞斷裂等方面的聲發(fā)射源機(jī)制進(jìn)行了大量研究，這些研究結(jié)果表明聲發(fā)射源產(chǎn)生機(jī)制不同，聲發(fā)射信號(hào)的頻譜范圍和峰值頻率都各不相同。Hase［11］總結(jié)了不同領(lǐng)域的聲發(fā)射頻譜特征（如圖10所示），并發(fā)現(xiàn)采用不同的試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試材料對(duì)相同的磨損模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)所測(cè)得的聲發(fā)射頻譜特征十分接近。

圖10　不同領(lǐng)域聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征與聲發(fā)射源機(jī)制［11］

這說(shuō)明聲發(fā)射信號(hào)頻率主要取決于材料的塑形變形和損傷斷裂的程度，而與材料本身性質(zhì)無(wú)關(guān)。因此這為研究不同領(lǐng)域的聲發(fā)射源機(jī)制和材料去除機(jī)理提供了方法，通過(guò)研究聲發(fā)射信號(hào)的頻譜特征，并參考已有的頻譜特征和聲發(fā)射源機(jī)制的關(guān)系圖，可以對(duì)其聲發(fā)射源機(jī)制和材料去除機(jī)理進(jìn)行預(yù)測(cè)。

鑒于以上結(jié)論，本文對(duì)研磨過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，得到了研磨晶面和研磨速度不同時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征，如圖11所示。

圖11　不同研磨晶面和速度下聲發(fā)射信號(hào)的頻譜特征

可以看出單晶硅研磨過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)主要的頻率成分都出現(xiàn)在50 kHz～260 kHz頻段內(nèi)，頻譜曲線在75 kHz、110 kHz、130 kHz和240 kHz 4處出現(xiàn)高峰，根據(jù)圖10可知，單晶硅研磨過(guò)程的聲發(fā)射機(jī)制可能包括裂紋擴(kuò)展、疲勞斷裂、磨粒運(yùn)動(dòng)、滑動(dòng)摩擦、磨粒磨損和輕微粘結(jié)磨損。研磨過(guò)程中磨粒的機(jī)械作用是材料去除的主要方式，研磨工況不同，磨粒的運(yùn)動(dòng)方式和摩擦磨損方式也不一樣。當(dāng)研磨速度不同時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)頻譜曲線明顯不同，研磨速度為30 r/min和50 r/min時(shí)，頻譜曲線只在75 kHz處出現(xiàn)明顯峰值。參考圖10可知聲發(fā)射信號(hào)可能大部分來(lái)自于磨粒運(yùn)動(dòng)，研磨速度變大單位時(shí)間內(nèi)參加研磨的磨粒數(shù)量增加，單顆磨粒受力變小。

本文通過(guò)觀測(cè)單晶硅研磨后的表面形貌特征來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證上述方法預(yù)測(cè)的聲發(fā)射機(jī)制，如圖12所示。可以看出，單晶硅研磨后的表面形貌特征與上述預(yù)測(cè)的聲發(fā)射機(jī)制十分吻合，相同的研磨工況下不同晶面研磨后的表面形貌都包括了脆性解理、裂紋、磨粒運(yùn)動(dòng)以及粘結(jié)磨損等表面特征，說(shuō)明不同晶面的材料去除機(jī)理相差不大，而材料去除率的不同主要表現(xiàn)在脆性解理、摩擦磨損程度的不同。

單晶硅是常見(jiàn)的面心立方體金剛石結(jié)構(gòu)，屬于脆性材料，單晶硅研磨過(guò)程中材料的去除大部分來(lái)源于磨粒運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的脆性斷裂和解理，而（100）和（111）晶面的研磨過(guò)程中脆性解理的程度明顯要大于（110）晶面，所以材料去除率相對(duì)較大。（110）晶面的頻譜曲線在110 kHz頻率處的峰值相對(duì)另外兩個(gè)晶面要大很多，結(jié)合圖10和圖12可知該部分聲發(fā)射信號(hào)可能大部分來(lái)自于磨粒的滑動(dòng)摩擦。除此之外，工件與研磨盤(pán)直接接觸引起的粘結(jié)磨損、磨粒滾壓引起的壓痕和磨粒嵌入研磨盤(pán)表面引起的微切削和耕犁等也會(huì)導(dǎo)致部分材料的去除。上述過(guò)程以及磨粒與研磨盤(pán)接觸，磨粒自身碎裂等情況都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，總結(jié)起來(lái)研磨過(guò)程中的聲發(fā)射源如圖13所示。

圖12　不同晶面試樣研磨后的表面形貌

圖13　研磨過(guò)程的聲發(fā)射源

3　結(jié)論

本文在BIN62型超精密研拋機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了研磨過(guò)程的聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)裝置，研究了研磨壓力、研磨速度以及晶面等研磨工況對(duì)聲發(fā)射信號(hào)RMS值以及材料去除率的影響規(guī)律，結(jié)論如下:

①聲發(fā)射信號(hào)RMS值在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研磨工況方面具有較高的靈敏度和精確度，在保持其他研磨工況不變的條件下，RMS值隨著研磨壓力或研磨速度的增加而增加，根據(jù)研磨工況與RMS值的關(guān)系提出了研磨壓力的聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)方法。

②聲發(fā)射信號(hào)RMS值與材料去除率MRR存在線性關(guān)系，建立了材料去除率MRR的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，在給定的研磨工況范圍內(nèi)該模型的預(yù)測(cè)誤差小于4.2%，這對(duì)優(yōu)化研磨工藝參數(shù)和提高研磨效率具有重要的指導(dǎo)意義。

③通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)的頻譜范圍和單晶硅研磨后的表面形貌分析了單晶硅研磨過(guò)程中的聲發(fā)射源機(jī)制。單晶硅研磨過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)主要的頻率成分都出現(xiàn)在50 kHz～260 kHz頻段內(nèi)，在75 kHz、110 kHz、130 kHz和240 kHz四處頻率處出現(xiàn)峰值，聲發(fā)射源機(jī)制主要包括脆性解理、磨粒磨損和粘結(jié)磨損等，另外研磨工況不同也會(huì)對(duì)聲發(fā)射源機(jī)制產(chǎn)生影響。

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崔濤（1988-），男，河北邢臺(tái)人，研究實(shí)習(xí)員。主要研究?jī)?nèi)容為超精密加工及檢測(cè)技術(shù)，cuitao_ciomp@sina.com。

Research on the Acoustic Emissionin-Process Monitoring of Single-Crystal Silicon Lapping Process

CUI Tao*
（State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

The acoustic emission（AE）in-process monitoring device of lapping process was developed based on the BIN62 lapping&polishing machine.Firstly，lapping experiments were carried out to investigate the effect of different lapping processing parameters on the RMS of AE signals and material removal rate（MRR）.Then，a mathematical linear prediction model of MRR and RMS was developed by regression analysis.Finally，the mechanism of AE source in the lapping of single-crystal silicon was investigated by frequency analysis and surface topography observation.Results showed that RMS goes up with the increasing of lapping load or lapping speed.MRR can be predicted based on the measured RMS valueand the erroris less than 4.2%with lapping conditions in the given range.In addition，the mechanism of AE source can be recognized from the features of the AE frequency spectrum.The frequency peaks in the lapping of single-crystal silicon are distributed in the region from 50 kHz to260 kHz，and AE signals are mainly generated by brittle cleavage，abrasive wear and adhesive wear of material.

lapping；acoustic emission（AE）；in-process monitoring；single-crystal silicon；material removal rate （MRR）

TP393

A

1004-1699（2016）04-0606-08

2015-11-08修改日期:2015-12-16