【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超精密加工，具体涉及一种硬脆半导体晶圆的微波高效率超精密塑性域背减加工系统及方法。
技术介绍
1、现代工业领域对高性能半导体功率器件的需求日益增加。单晶碳化硅(s i c)、氮化镓(gan)是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率和强抗辐射能力等优异的物理特性，可满足现代工业对高功率、高电压、高频率半导体器件的需求，因此被广泛应用于航空航天、新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等现代工业领域，对我国各领域“新基建”的发展具有深远影响。
2、晶圆背减加工是高性能半导体功率器件用芯片制造中至关重要的一个环节。一方面，通过背减工艺可减小芯片的整体厚度，利于器件的散热和集成化；另一方面可降低晶圆表面损伤层厚度和表面粗糙度，释放前道加工工序残留的内应力，降低后续划片过程中单颗芯片的崩坏程度。但是，高硬脆的si c和gan晶体是典型的难加工材料，导致超细金刚石磨料砂轮单一机械去除材料成形过程中易快速磨损失效，很难实现高质量si c、gan晶圆的高效率、低成本背减加工，无法满足高端应用市场需求。
3、因此，硬脆半导体晶圆的背减加工技术研发中出现了利用各种外能场辅助加工来提高材料的塑性去除，降低晶圆表面损伤和表面粗糙度。例如，专利cn117381568a提出了一种晶圆激光改性同步减薄的加工装置和方法，激光加工系统按照砂轮外缘轮廓和回转速度对晶圆表面进行刻蚀改性，提高了减薄的效率，减小了加工表面粗糙度以及磨削损伤和亚表面损伤深度。该专利主要是利用激光的高功率、快速加热作
4、目前，常用于硬脆材料辅助加热切削方式有等离子弧、氧乙炔、激光和微波四种。等离子弧、氧乙炔、激光是利用波尔兹曼热效应对加工材料进行“由表及里”的快速加热，导致材料不可避免地存在温度梯度，而硬脆材料又对热量非常敏感，因此极易出现热裂纹，降低加工质量。传统微波辅助加热切削则是利用微波介电发热效应，通过超高功率的微波发生器对待加工材料进行“里外同时加热”，大大缩短了加热时间，加热效率高，可将陶瓷块体材料快速加热到1000℃甚至更高，实现材料的软化。但是，半导体晶圆的厚度通常只有300～500微米，过高的加热温度(超过500℃)会导致晶圆发生变形及内部出现严重的热应力，导致加工的晶圆尺寸精度无法满足要求，同时极易出现自然裂片现象，降低了成品合格率。同时，现阶段还很难实现对加热能量和加热区域的精准控制，且过高的温度会导致金刚石磨料碳化和石墨化，强度下降显著，降低了砂轮的服役寿命。
5、另外，不同于微波介电发热效应，专利cn117532089a提出了一种微波辅助加工硬脆绝缘材料的方法及设备，利用微波能量诱导加工工具的加工端产生强电场，形成放电。随后，放电位置处的电解液受放电高温影响形成具有腐蚀性的电解液对工件进行化学刻蚀加工。但是，该专利本质上还是一种基于电化学加工原理(即利用电解液的腐蚀性)对绝缘陶瓷材料表面进行微细加工，例如微孔、细槽、微结构，无法实现大尺寸、高质量表面的快速成形加工。特别地，该专利只适合绝缘陶瓷材料的微细加工，当加工的工件具有导体或半导体特性时，加工端微波产生的强电场会直接对导电工件材料进行放电蚀除(电火花加工原理)，导致整个过程无法实现精准控制以及对工件表面进行微细加工，且针对大尺寸半导体晶圆加工时易出现晶圆裂解的现象。
技术实现思路
1、针对难加工硬脆半导体晶圆加工效率与加工质量之间的突出矛盾，本专利技术的目的是提供一种硬脆半导体晶圆的微波高效率超精密塑性域背减加工系统及方法，该系统包含微波模块和磨削模块，与现有的微波辅助加工利用高频率、高功率的微波对材料超高温加热(1000℃)提高塑性不同，本系统主要利用高频率低功率的微波交变电磁能直接作用于硬脆半导体材料，高频率的交变电磁能诱导内部原子发生剧烈的碰撞、摩擦，继而产生位错增殖和滑移，提高材料塑性，而输出的低功率的交变电磁能则可避免工件内部产生大量的热，同时利用不吸收微波的磨削液(即微波辐照下温度不会升高)对磨料-工件接触界面进行冷却和润滑，降低砂轮因传导热而导致的热损伤及磨损，以及利用具有反射微波特性的金属结合剂金刚石砂轮避免微波对工具材料的直接加热，维持砂轮的高结合强度和尺寸精度，最终实现硬脆半导体晶圆“低温(工件温度低于200℃)”塑性域磨削加工。
2、本专利技术是通过如下的技术方案来实现上述目的：
3、第一方面，本专利技术公开了一种硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，包括数控磨床与微波辐照单元，数控磨床搭载有第一气浮主轴和第二气浮主轴，其中第一气浮主轴安装在z向移动平台上，且第一气浮主轴由直线电机驱动，实现进给，且第一气浮主轴通过砂轮装夹件与砂轮加工单元相连，实现砂轮加工单元的自旋转运动；第二气浮主轴与工作台相连，工作台用于放置待加工硬脆半导体晶圆，实现待加工硬脆半导体晶圆的跟随旋转运动，所述微波辐照单元设置在待加工硬脆半导体晶圆的上方，利用微波电磁能量促进待加工硬脆半导体晶圆材料内部原子的活动产生滑移来提高塑性。
4、进行微波背减加工时，微波辐照单元的微波生成组件的微波辐照头通过天线与微波发生器相连；当进行微波-磨削旁轴背减加工时，微波辐照头、液体喷液装置位于真空自旋转磨削台的一侧，背减砂轮加工单元固定到z轴可移动平台上，所述的液体喷液装置用于提供磨削液；
5、当进行微波-磨削同轴背减加工时，液体喷液装置位于工作台的一侧，将微波辐照单元的微波辐照头安装于金刚石砂轮中心，与金刚石砂轮同轴加工硬脆半导体晶圆。
6、本系统的工作原理是基于微波介电热效应，高频率、低功率的微波直接辐照作用于硬脆半导体材料表面，高频率的交变电磁能诱导晶体材料内部原子发生碰撞和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：包括数控磨床、微波辐照单元、磨削液喷液装置和砂轮加工单元，数控磨床搭载有第一气浮主轴和第二气浮主轴，其中第一气浮主轴安装在Z向移动平台上，且第一气浮主轴由直线电机驱动，实现进给，且第一气浮主轴通过砂轮装夹件与砂轮加工单元相连，实现砂轮加工单元的自旋转运动；第二气浮主轴与工作台相连，工作台用于放置待加工硬脆半导体晶圆，实现待加工硬脆半导体晶圆的跟随旋转运动，所述微波辐照单元设置在待加工硬脆半导体晶圆的上方，利用微波电磁能量促进待加工硬脆半导体晶圆材料内部原子相互碰撞与摩擦产生位错的繁殖和滑移来提高塑性；所述的磨削液喷液装置偏置于待加工硬脆半导体晶圆的斜上方。
2.如权利要求1所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：所述的微波辐照单元与砂轮加工单元同轴设置，微波辐照单元的微波辐照头通过微波天线与微波发生器连接，且微波辐照头置于砂轮加工单元中心。
3.如权利要求1所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：所述微波辐照单元的微波辐照头及喷液装置偏置于超细金刚石磨料砂轮。
4.如
5.如权利要求1-4任一所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：所述的砂轮加工单元为超细金刚石磨料砂轮，是金属结合剂型固结金刚石磨料砂轮，不吸收微波，其磨料粒度是0.5～5微米。
6.如权利要求2-3任一所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统的加工方法，其特征在于：
7.如权利要求6所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统的加工方法，其特征在于：硬脆半导体晶圆的临界切削深度dc＝λ(H/E)1/2(Kc/H)2，式中λ约8.7，是硬脆半导体晶圆材料的脆-塑转变因子，H是微波辐射后硬脆半导体晶圆材料的硬度，E是微波辐射后硬脆半导体晶圆材料的弹性模量，Kc是微波辐射后硬脆半导体晶圆材料的断裂韧性。
8.如权利要求4所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统的加工方法，其特征在于：
9.如权利要求8所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统的加工方法，其特征在于：硬脆半导体晶圆的临界切削深度dc＝λ(H/E)1/2(Kc/H)2，式中λ约8.7，是硬脆半导体晶圆材料的脆-塑转变因子，H是微波辐射后硬脆半导体晶圆材料的硬度，E是微波辐射后硬脆半导体晶圆材料的弹性模量，Kc是微波辐射后硬脆半导体晶圆材料的断裂韧性。
10.如权利要求9所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统的加工方法，其特征在于：微波辐射区域为砂轮加工单元的作用区域。
...【技术特征摘要】
1.一种硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：包括数控磨床、微波辐照单元、磨削液喷液装置和砂轮加工单元，数控磨床搭载有第一气浮主轴和第二气浮主轴，其中第一气浮主轴安装在z向移动平台上，且第一气浮主轴由直线电机驱动，实现进给，且第一气浮主轴通过砂轮装夹件与砂轮加工单元相连，实现砂轮加工单元的自旋转运动；第二气浮主轴与工作台相连，工作台用于放置待加工硬脆半导体晶圆，实现待加工硬脆半导体晶圆的跟随旋转运动，所述微波辐照单元设置在待加工硬脆半导体晶圆的上方，利用微波电磁能量促进待加工硬脆半导体晶圆材料内部原子相互碰撞与摩擦产生位错的繁殖和滑移来提高塑性；所述的磨削液喷液装置偏置于待加工硬脆半导体晶圆的斜上方。
2.如权利要求1所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：所述的微波辐照单元与砂轮加工单元同轴设置，微波辐照单元的微波辐照头通过微波天线与微波发生器连接，且微波辐照头置于砂轮加工单元中心。
3.如权利要求1所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：所述微波辐照单元的微波辐照头及喷液装置偏置于超细金刚石磨料砂轮。
4.如权利要求1所述的硬脆半导体晶圆的微波背减加工系统，其特征在于：磨削液不含极性分子，是一类不吸收微波的润滑液。
5.如权利要求1-4任一所述的硬脆半导体晶圆...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄水泉，刘晟，黄传真，黄含，王真，徐龙华，曲美娜，许征凯，张迪嘉，郭保苏，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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