单晶硅晶圆广泛应用于集成电路制造领域。超薄晶圆是实现硅通孔三维（TSV-3D）封装技术、提高芯片集成度的必要条件。超精密磨削凭借高加工效率、高加工质量和低加工成本等优点,是目前单晶硅晶圆减薄加工的主流工艺。随着晶圆目标减薄厚度的减小,如何在保证减薄工艺效率的前提下控制磨削减薄工艺引入的亚表面损伤深度,成为TSV-3D集成电路晶圆磨削减薄加工面临的重要问题之一。单晶硅磨削表面质量预测模型是指导工艺优化的理论基础,然而,目前单晶硅超精密磨削表面质量尤其是亚表面损伤还无法准确预测。生产线上晶圆减薄工艺参数选取都依赖砂轮厂家根据工艺试验提供的经验值,一旦晶圆的减薄余量发生变化,需要重新设计工艺试验寻找合适的工艺参数。此外,基于工艺试验的经验性参数难以实现不同磨削阶段的工艺参数优化,实现效率最大化。因此,深入研究单晶硅磨削表面质量预测对于晶圆的磨削减薄加工乃至整个半导体行业具有重要意义。面向工业生产和科学研究对理解磨削过程本质和建立磨削预测模型的需要和愿景,本论文从单晶硅的磨削机理入手,首先研制了划擦条件贴合单晶硅超精密磨削的单颗粒划擦试验平台,探索了单晶硅在纳米切深高速划擦条件下的变形特征;随后,提出了基于磨削磨痕的砂轮磨粒特征表征方法,表征了超细粒度金刚石杯型砂轮磨粒的关键特征,最后,结合磨削运动学分析,建立了宏观尺度下单晶硅超精密磨削表面质量的预测模型,对于理解超精密磨削过程的本质和指导磨削减薄的参数优化具有重要的指导意义。论文的主要研究内容和结论如下:（1）研制了适用于分析单晶硅超精密磨削机理的单颗粒纳米切深高速划擦试验装置,该平台能够同时满足以下条件或功能,包括纳米量级划擦深度、m/s量级划擦速度、亚微米量级工具刃尖圆弧半径、划擦长度可控和划擦载荷在线监测。该方法弥补了现有各种相关实验方法用于单晶硅超精密磨削机理研究存在的不足。（2）基于上述研制的试验平台开展了纳米切深高速划擦单晶硅试验,量化分析了单晶硅的弹性变形特征,研究发现:单晶硅在高速划擦试验中表现出显著的弹塑性变形特征,即使划痕的残留深度增加至100 nm,材料的弹性恢复比例仍然超过50%,且随着划擦速度的减小,材料的弹性回弹量增加。分析了纳米尺度下单晶硅划痕亚表面的塑性区结构,提出了适用于单晶硅位错层深度预测的临界解析剪应力法则;同时,根据划擦试验结果,从亚表面裂纹深度、相变层深度和表面塑性区宽度三个指标分析了现有损伤预测模型在高速划擦单晶硅试验中的适用性。研究结果表明:划擦过程中单晶硅缺陷尺寸主要取决于划擦载荷,划擦速度对划痕的残留几何形貌特征影响显著。（3）提出了基于磨痕形貌分析的超细粒度杯型砂轮磨粒特征表征方法,表征了SD3000和SD600两种晶圆减薄常用砂轮在实际磨削中的动态磨粒特征,包括动态磨粒数及其突出高度分布和刃尖圆弧半径分布。分析结果表明:实际参与磨削的动态磨粒数量远远小于裸露在砂轮表面的磨粒数量,SD3000砂轮在100 nm磨削深度下的单位面积动态磨粒数约为1.4个/mm2,SD600砂轮在1000 nm磨削深度下的单位面积动态磨粒数约为0.51个/mm2;动态磨粒的刃尖圆弧半径服从对数正态分布,且刃尖圆弧半径的期望远远小于磨粒的平均粒径,因此,将磨粒刃尖圆弧半径简化为磨粒的平均粒径在单晶硅超精密磨削中变得不再合理,在计算过程中需要考虑磨粒刃尖圆弧半径的分布。（4）以（2）中表征的单晶硅弹塑性变形特征和（3）中表征的砂轮动态磨粒特征为基础,结合工件旋转磨削运动学分析,建立了单晶硅超精密磨削表面质量仿真预测模型。在给定砂轮参数、工件参数和磨削参数的条件下,该模型能够预测工件磨削表面形貌及其相应的亚表面损伤轮廓。随后,设计了不同磨削参数下的磨削仿真与磨削验证试验,从磨削表面粗糙度、磨削表面功率谱密度和磨削亚表面损伤深度三个评价指标共同验证了磨削表面质量预测模型的准确性。