单晶硅是半导体产业的主要衬底材料,广泛应用于集成电路、光伏电池等产业中,是支撑当今半导体产业乃至社会技术发展的基础材料。单晶硅作为一种典型的硬脆材料,磨削是其最常用的加工方式,然而磨削中不可避免地引入亚表面加工损伤,破坏硅片加工表面完整性,降低最终零部件的性能和寿命。检测单晶硅亚表面损伤能够指导后序损伤去除工艺优化,对于提高单晶硅整体加工效率和加工质量意义重大。然而目前缺乏高效的方法检测硅片磨削亚表面损伤,导致了硅片的整体加工效率低,成本高。为此本文深入研究了单晶硅磨削亚表面损伤偏振激光散射检测方法。首先研究了不同磨削参数下,单晶硅亚表面损伤的分布规律。然后根据电磁场散射理论,建立了亚表面损伤散射电磁场模型,阐述了偏振激光散射检测原理;进而结合亚表面损伤的分布,设计并搭建了偏振激光散射检测系统,研究了不同磨削参数磨削的硅片中亚表面损伤的偏振激光散射检测信号的分布规律,建立了偏振激光检测信号与亚表面裂纹深度的关联关系。该研究对硅片磨削亚表面损伤偏振激光散射检测的发展和应用具有重要的指导意义和应用价值。论文主要的研究内容和结论如下:(1)研究了不同磨削工况下,硅片亚表面损伤形态分布和深度分布。通过数学统计的方法,研究了#400砂轮和#600砂轮磨削硅片亚表面损伤的分布形态,研究结果表明,当采用粗磨粒磨削单晶硅片时,亚表面裂纹倾向沿{111}解理面形成;然而当采用细磨粒磨削时,亚表面裂纹不再倾向于沿{111}晶面形成。基于亚表面损伤的形成机理,采用位错动力学描述加工区域微观的位错移动和裂纹萌生,采用断裂力学描述宏观的裂纹扩展,建立了单晶硅磨削亚表面损伤深度的物理预测模型,并通过实验验证了模型的适用性和准确性。基于亚表面损伤深度预测模型,阐述了亚表面损伤分布规律,指出磨削硅片表面从中心到边缘,磨粒磨削深度逐渐增加,磨削区域材料的加工应变率逐渐减小,材料动态脆性逐渐减小,进而导致从中心到边缘亚表面损伤深度逐渐增加。(2)基于电磁场散射理论,建立了单晶硅亚表面损伤散射电磁场模型,阐述了偏振激光散射检测原理,结合磨削亚表面损伤分布,研究了磨削表面和亚表面损伤偏振激光散射电磁场的分布规律。研究表明,线偏振光检测磨削亚表面损伤时,磨削表面单次散射具有保偏性,而亚表面损伤多次散射使线偏振光发生退偏,检测退偏信号实现亚表面损伤检测;对于磨削表面散射,随着表面粗糙度和入射角的增大,磨削表面多次散射增多,表面粗糙度对偏振激光散射检测的影响增大,当入射角为0°时,磨削表面粗糙度对偏振激光散射检测的影响最小;对于亚表面损伤散射,不同的入射激光的偏振状态,即s偏振光和p偏振光在硅片-裂纹界面和裂纹-硅片界面的散射规律不同,研究表明,s偏振光散射造成的退偏信号更大,更有利于检测亚表面损伤,结合磨削硅片亚表面损伤的分布,提出了采用s偏振光垂直入射磨削表面的检测方案。(3)基于所提的检测方案,设计并搭建了硅片磨削亚表面损伤偏振激光散射检测系统,研究了磨削表面粗糙度和亚表面损伤对偏振激光散射检测的影响程度。理论计算发现,由表面散射引起的退偏信号远小于亚表面损伤散射的退偏信号。不同表面粗糙度和亚表面损伤的硅片的实验检测结果表明,亚表面损伤是影响偏振激光散射检测的主要因素,表面粗糙度对于偏振激光散射检测的影响可以忽略。(4)研究了磨削残余应力对偏振激光散射信号的影响规律。研究表明,残余应力通过光弹效应影响偏振激光散射检测,当入射激光的偏振方向与残余应力的主应力方向平行或者垂直时,残余应力对偏振激光散射检测没有影响。根据磨削表面残余应力的分布规律,指出磨削表面残余应力的主应力方向与表面磨纹一致,提出了适用于检测单晶硅磨削亚表面损伤的偏振激光散射检测方法,该方法指出在单晶硅磨削亚表面损伤偏振激光散射检测中,使入射激光的偏振方向沿硅片表面磨纹走向进行检测,可最大程度减小残余应力的影响,提高亚表面损伤的检测精度。(5)研究了不同磨削参数和磨削工艺下的亚表面损伤偏振激光散射检测信号分布规律,建立了偏振激光散射检测信号与亚表面损伤分布的关联关系。研究表明,偏振激光散射检测信号取决于亚表面损伤深度和亚表面损伤密度,其中亚表面损伤深度为主要影响因素,当引入的亚表面损伤深度相当时,偏振激光散射检测需要考虑亚表面损伤密度的影响。偏振激光散射检测可检测出深度最小为0.1 μm的亚表面损伤,检测信号与亚表面损伤深度具有幂指数关系。