α-Al2O3纳米粒子抛光浆料稳定性及其对蓝宝石抛光性能的影响

目的制备分散稳定性良好的α-Al2O3纳米粒子抛光浆料,提高对蓝宝石的化学机械抛光性能。方法将α-Al2O3分散在硅溶胶、氧化铈溶胶、水等不同分散介质中,于不同pH值、不同硅溶胶浓度及硅溶胶粒径等条件下制备出α-Al2O3纳米粒子的抛光浆料,考察抛光浆料的稳定性及抛光浆料对蓝宝石化学机械抛光性能的影响。采用Zeta电位仪测量抛光浆料中α-Al2O3的电势,进而对其分散稳定性进行分析。采用原子力显微镜(AFM)和分析天平分别对蓝宝石表面粗糙度(Ra)和材料去除速率(MRR)进行评价。结果分散介质为硅溶胶时,抛光浆料的稳定性及对蓝宝石的抛光性能较好。当抛光浆料pH值为10时,其分散稳定性较好,且化学腐蚀与机械研磨达到动态平衡,抛光浆料对蓝宝石的抛光性能较好。随着α-Al2O3浓度的增大,浆料的抛光性能呈现先增加后降低的趋势,当α-Al2O3的质量分数为10.0%时,抛光浆料对蓝宝石的抛光性能较好。当硅溶胶的质量分数为0.02%时,抛光浆料的分散稳定性及对蓝宝石的抛光性能较好。随着硅溶胶粒径的增加,抛光浆料的稳定性及对蓝宝石的抛光性能逐渐变差,所以选择最小粒径5 nm的硅溶胶作分散介质。即在10.0%的α-Al2O3、0.02%粒径为5 nm的硅溶胶、pH值为10等条件下的抛光浆料稳定性较好,该浆料对蓝宝石抛光的材料去除速率为15.16 nm/min,抛光后的表面粗糙度为0.272 nm,满足蓝宝石后续外延工艺要求。结论适宜浓度的硅溶胶能明显改善α-Al2O3抛光浆料的分散稳定性,分散效果明显优于水或氧化铈溶胶作分散介质,且对蓝宝石的抛光性能得到显著提高。     

磨粒和抛光垫特性对蓝宝石超声化学机械抛光的影响

抛光磨粒和抛光垫对蓝宝石超声化学机械抛光起重要作用,为研究磨粒和抛光垫特性对蓝宝石材料抛光效率和质量的影响,利用自制超声弯曲振动辅助化学机械抛光装置,研究金刚石、氧化铝和二氧化硅3种不同磨粒,以及表面多孔且无沟槽的聚氨酯抛光垫、IC1000抛光垫、IC1000和SubaⅣ复合抛光垫对蓝宝石材料去除率及抛光后表面粗糙度的影响。由质量损失求得的去除率和原子力显微镜表面形貌测试结果表明：二氧化硅抛光液的去除率3.2 μm/h接近氧化铝抛光液去除率3.8 μm/h,远大于金刚石抛光液去除率0.3 μm/h,且其抛光后的蓝宝石表面光滑、无损伤;3种抛光垫抛光后的蓝宝石粗糙度接近,约0.10 nm,但聚氨酯抛光垫的去除率为3.2 μm/h,远大于IC1000抛光垫的去除率1.9 μm/h及复合垫的去除率1.6 μm/h。二氧化硅抛光液和聚氨酯抛光垫适宜蓝宝石超声化学机械抛光工艺,可获得高去除率和原子级光滑表面。     

Investigation of CMP of Ni in the Preparation Process of Micro-Electro-Mechanical System Devices

利用自制的抛光液对高纯镍片进行化学机械抛光,研究化学机械抛光过程中抛光压力、pH值、H2O2浓度、络合剂种类及其浓度、SiO2浓度等参数对抛光速率的影响。结果表明在抛光压力为13.79kPa、H2O2浓度为0.5%,pH值为3.0,SiO2浓度为0.5%,络合剂EDTA及其浓度为1%时,得到最大抛光速率为312.3nm/min;在抛光压力为13.79kPa、pH值为4.0、SiO2浓度为1%、络合剂EDTA为1%、H2O2浓度为1%条件下抛光得到的镍片表面质量较好,表面粗糙度Ra达到5nm。并利用电化学手段研究了镍片在抛光液中的溶解与钝化行为。     

硅片化学机械抛光技术的研究进展

随着硅片厚度的增大和芯片厚度的减小,硅片在加工中的材料去除量增大,如何提高其加工效率就成了研究的热点之一。由于化学机械抛光过程复杂,抛光后硅片的质量受到多种因素的影响,主要包括抛光设备的技术参数、耗材(抛光垫和抛光液)的性质和硅片自身在抛光时的接触应力状态等。本文介绍了硅片化学机械抛光技术的研究进展,讨论了影响硅片抛光后表面质量和表面材料去除率的因素,如抛光液、抛光垫、抛光压力等,并对目前用于硅片化学机械抛光的先进设备进行了综述。      

新型高硬度硅溶胶的制备及其在化学机械抛光中的应用

目的 制造新型高硬度硅溶胶,满足硅晶圆化学机械抛光(CMP)既要高抛光速率,又要高抛光质量的要求.方法 利用恒液面聚合生长法制备硅溶胶的工艺特点,通过在合成过程中加入pH值稳定剂异丙醇胺,提升硅溶胶的硬度和稳定性.采用透射扫描电子显微镜、红外光谱等对硅溶胶的成分、形貌等胶体的性质进行表征和分析.结果 通过设计对比实验,发现新型高硬度硅溶胶抛光时的pH值稳定性较普通市售硅溶胶有很大提升,3组新型高硬度硅溶胶平均抛光速率分别为1.580、1.544、1.582μm/min,较普通市售硅溶胶分别提升了17.41％、17.91％、18.25％.新型高硬度硅溶胶抛光后,硅晶圆的平均表面粗糙度只有0.157 nm,最低达到了0.132 nm,而市售普通硅溶胶抛光后的硅晶圆平均表面粗糙度为0.216 nm.同时,通过检测抛光前后硅溶胶粒径和形貌的变化,发现新型高硬度硅溶胶均优于普通市售硅溶胶.结论 新型高硬度硅溶胶作为抛光的研磨料在去除速率、表面粗糙度等方面都有一定的优势,验证了新型高硬度硅溶胶作为抛光研磨料的实用价值.     

铜粉含量对亲水性固结磨料抛光垫加工性能的影响研究

通过向亲水性固结磨料抛光垫中添加铜粉,改善抛光垫的抛光性能,研究铜粉添加量对抛光垫的理化特性及加工K9光学玻璃的材料去除率和工件表面质量的影响。结果表明:随着铜粉添加比例的增加,抛光垫的硬度增加,其材料去除速率呈现先增大后减小的趋势,当铜粉质量分数为5%时,抛光垫的材料去除速率达到最大值58.18 nm/min。同时加工后K9玻璃表面粗糙度也对应地呈现出先增大后减小的趋势,粗糙度Sa最大值为9.28 nm,最小值为2.53 nm。     

氧化锆陶瓷大抛光模磁流变抛光试验研究

目的研发一种高效、高质量氧化锆陶瓷超光滑表面加工技术。方法采用大抛光模磁流变抛光方式加工氧化锆陶瓷,利用自主研发的磁流变平面抛光装置,配制含有金刚石磨粒的磁流变抛光液,通过设计单因素实验,研究抛光时间、工作间隙、工件转速和抛光槽转速等主要工艺参数对氧化锆陶瓷平面磁流变加工性能的影响,并对材料去除率和表面粗糙度进行分析。结果在工作间隙为1.4 mm、工件转速为100 r/min、抛光槽转速为25 r/min的工艺条件下,表面粗糙度在达到饱和之前随时间的增加而降低。抛光30 min达到饱和,表面粗糙度Ra达到0.7 nm。继续延长抛光时间,表面粗糙度不再改善。氧化锆陶瓷的材料去除率随着工件转速和抛光槽转速的增加而增大,随着工作间隙的增大而减小。当工件转速为300 r/min时,材料去除率可以达到1.03 mg/min;抛光槽转速为25 r/min时,材料去除率可以达到0.80 mg/min;工作间隙为1.0 mm时,材料去除率最高可达0.77 mg/min。结论采用大抛光模磁流变抛光方法可以提高氧化锆陶瓷的材料去除率,同时获得纳米级表面粗糙度,实现氧化锆陶瓷的高效超光滑表面加工。     

聚氨酯抛光垫机械抛光钆镓石榴石晶片

钆镓石榴石（gadolinium gallium garnet,GGG）晶片是一种性能优良的激光材料,但其在抛光后易产生划痕、效率低。为保证GGG晶片的平面度、提高抛光效率,同时控制划痕现象,使用聚氨酯抛光垫进行机械抛光,研究抛光压力、抛光盘转速对平面度和表面粗糙度的影响。研究表明:使用聚氨酯抛光垫可以有效避免加工过程中产生划痕。在载荷127g/cm2,转速70r/min的条件下,抛光30min后的平面度可达到226nm,表面粗糙度RMS可达到36.3nm;表面缺陷较小,可被后续化学机械抛光很快去除。      

钴掺杂硅溶胶的制备及其在A向蓝宝石抛光中的应用（英文）

目的提高A向蓝宝石抛光速率。方法分别采用诱导法和种子法制备了非球形和球形钴掺杂硅溶胶,并应用于A向蓝宝石的化学机械抛光。采用扫描电子显微镜(SEM)、电感偶合等离子体发射光谱仪(ICP)和X射线光电子能谱(XPS)检测产物颗粒的粒径及其分布、形貌、元素组成及存在状态等,采用CP-4抛光机对抛光速率进行验证,并用原子力显微镜测试抛光后的材料表面粗糙度,根据抛光后产物的XPS测试结果对抛光过程中的化学反应进行分析。结果与纯硅溶胶相比,非球形钴掺杂硅溶胶抛光速率提高了37%,且表面粗糙度相近,而球形钴掺杂硅溶胶抛光速率却无明显优势。XPS结果显示,目前没有证据表明Co元素参与了化学反应。结论非球形钴掺杂硅溶胶在A向蓝宝石抛光中起到了积极作用,归因于其形状优势而非Al_2O_3与Co之间的化学反应。     

新型抛光垫沟槽及其在化学机械抛光中的作用研究进展

化学机械抛光过程中,抛光垫性能是影响抛光质量和抛光效率的重要因素之一,而抛光垫的性能又受其表面沟槽结构形状的影响。在介绍几种常见抛光垫沟槽结构形状的特性及其作用研究的基础上,介绍了新型抛光垫沟槽的研究进展,总结了几种新型抛光垫沟槽对抛光效果的影响,为抛光垫沟槽特性的进一步研究提供参考。     

锆元素诱导非球形磨粒对氧化锆陶瓷的化学机械抛光性能

目的为了提高氧化锆陶瓷手机背板的化学机械抛光(CMP)性能,合成新型非球形二氧化硅磨粒,并分析非球形二氧化硅磨粒在CMP过程中的作用机理。方法利用Zr⁴⁺阳离子对球形二氧化硅纳米颗粒间作用力进行调控,制备Zr⁴⁺与SiO₂的质量比分别为0、0.025、0.050、0.075、0.100的抛光磨粒;利用纳米粒度电位仪和电子扫描显微镜(SEM)分析抛光液胶体稳定性和磨粒形貌;采用表面粗糙度(Sa)和材料去除率(MRR)来分析磨粒的化学机械抛光性能;利用改装后的摩擦因数仪和X射线光电子能谱仪(XPS)揭示非球形二氧化硅对氧化锆陶瓷的作用机理。结果在锆元素相对含量(以质量分数计)为0.075%时,得到了分散性良好的非球形二氧化硅磨粒抛光液,相较于球形二氧化硅磨粒抛光液,MRR提升了40.5%,并得到了Sa为1.74 nm的光滑表面;XPS分析结果表明,在抛光过程中二氧化硅磨粒可与氧化锆发生固相化学反应,生成更易去除的ZrSiO₄。摩擦因数测量结果表明,非球形二氧化硅磨粒与陶瓷片的摩擦因数从球形磨粒时的0.276提高到0.341。结论非球形的二氧化硅磨粒在抛光过程中具有更高的摩擦因数和化学机械协同作用,能高效地去除表面粗糙峰,并获得粗糙度为纳米级的平整表面,实现对氧化锆陶瓷手机背板的高效、高精度抛光。     

TFT-LCD玻璃基板精细雾化抛光的工艺参数优化

为了研究抛光工艺参数(抛光压力、抛光台转速、抛光液流量)对精细雾化抛光TFT-LCD玻璃基板的影响,实现对玻璃基板的高效、高质量加工,采用正交试验方法对玻璃基板进行雾化抛光,以材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)为评价指标,根据实验结果得到最优的工艺参数组合,并将传统抛光和雾化抛光进行了对比。结果表明:当压力为0.055 MPa,抛光台转速为65r/min,抛光液流量为8.3mL/min时,雾化抛光的材料去除率为219nm/min,表面粗糙度Ra为1.1nm,光学透过率≥92.6%。在相同的试验条件下,传统抛光的去除率和表面粗糙度分别为335nm/min和1.2nm,两种方法的抛光效果相近,但雾化方法抛光液用量仅为传统的1/10。     

抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响试验

抛光垫是影响抛光加工效率和表面质量的关键因素之一,但影响规律和作用机理尚不清晰。为研究抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响规律,制作有、无固结磨料的表面六边形微细结构抛光垫,分别对YG15硬质合金、单晶Si和单晶4H-SiC三种硬度差异较大的工件进行抛光试验。结果表明：各抛光垫对不同硬度工件抛光效果的影响规律一致,随着抛光工件的硬度增大,各抛光垫的材料去除率（MRR）减小,表面粗糙度Ra增大。抛光垫内的固结磨料能将MRR提高5～10倍,但也会导致Ra增大5～20倍。抛光垫表面微细结构会使得抛光过程中有效接触面积Ap和有效磨粒数Ns减小而导致MRR下降,而抛光垫硬度的增加能够部分弥补抛光垫表面微细结构造成的影响,抛光工件硬度越大,弥补效果越好。增加游离磨料能够有效降低抛光后Ra并提高硬度较大工件的MRR（上升约8%）,但对硬度较小工件的MRR有抑制作用（下降约27%）。根据抛光试验结果,建立工件-磨料-抛光垫接触模型,深入分析抛光垫表面微细结构、表面硬度对不同硬度工件抛光MRR和表面质量的作用机理,为不同工件抛光时抛光垫的选择提供了理论基础。     

游离和固结金刚石磨料抛光手机面板玻璃的试验研究

选取不同粒径的金刚石微粉,采用游离磨料和固结磨料两种抛光方法加工手机面板玻璃,比较其材料去除率和抛光后工件表面粗糙度。结果表明：在相同的抛光工艺参数下,磨粒粒径在游离磨料抛光中对材料去除率和抛光后表面质量作用显著,而在固结磨料抛光中作用不显著;采用金刚石固结磨料抛光垫抛光能获得表面粗糙度约为Ra1.5 nm的良好表面质量,并在抛光过程中较好地实现了自修整功能。     

精细雾化Cu-CMP抛光液抛光效果的试验研究

以磨料白炭黑、氧化剂H2O2、有机碱三乙醇胺、分散剂聚乙二醇为原料,通过正交设计的方法配制一系列抛光液,通过四甲基氢氧化铵调节抛光液的pH值为12,然后在研磨抛光机上对铜片进行超声波精细雾化化学机械抛光（CMP）。对抛光盘转速与材料去除率的关系进行了研究,并对传统抛光和雾化抛光效果进行了对比。试验结果表明,分散剂、白炭黑、有机碱、氧化剂对抛光去除率的影响依次减弱。随着抛光盘转速的增加,雾化抛光的去除率经历了先缓慢增加、再急剧增加、后缓慢增加的变化过程。在同等的试验条件下,传统抛光的去除率为223 nm/min,铜片表面粗糙度为7.93 nm,雾化抛光去除率和铜片表面粗糙度分别为125 nm/min和3.81 nm;虽然去除率略有不及前者,但抛光液用量仅为前者的十几分之一。     

Centrifugal and hydroplaning phenomena in high-speed polishing

Super fine polishing with compliant tools can achieve nanoscale roughness, but has limited productivity due to low material removal rate (MRR). Increased spindle speed in high-speed polishing (HSP) might increase MRR, but significant challenges appear above 10,000 rpm because of centrifugal deformation of the tool and pad lifting due to hydroplaning phenomenon. Here, a tool offset compensation strategy is proposed for centrifugal deformation and novel pad patterning design that mitigates hydroplaning. Through this new approach, linear increase in MRR for spindle speed up to 24,000 rpm is demonstrated. This work lays the foundation for future developments of HSP in fabrication of ultraprecision optics.     

钴掺杂硅溶胶的制备及其在A向蓝宝石抛光中的应用

目的 提高A向蓝宝石抛光速率.方法 分别采用诱导法和种子法制备了非球形和球形钴掺杂硅溶胶,并应用于A向蓝宝石的化学机械抛光.采用扫描电子显微镜(SEM)、电感偶合等离子体发射光谱仪(ICP)和X射线光电子能谱(XPS)检测产物颗粒的粒径及其分布、形貌、元素组成及存在状态等,采用CP-4抛光机对抛光速率进行验证,并用原子力显微镜测试抛光后的材料表面粗糙度,根据抛光后产物的XPS测试结果对抛光过程中的化学反应进行分析.结果 与纯硅溶胶相比,非球形钴掺杂硅溶胶抛光速率提高了37％,且表面粗糙度相近,而球形钴掺杂硅溶胶抛光速率却无明显优势.XPS结果显示,目前没有证据表明Co元素参与了化学反应.结论非球形钴掺杂硅溶胶在A向蓝宝石抛光中起到了积极作用,归因于其形状优势而非Al2O3与Co之间的化学反应.     

基于叶序仿生抛光垫的化学机械抛光的运动分析

为了改善化学机械抛光的接触状态和被加工工件的表面形态,基于生物学的叶序理论设计了仿生结构的抛光垫。从单颗磨粒切削理论出发,建立了抛光运动方程和材料去除率分布模型。利用所建立的运动方程和材料去除率分布模型进行了晶片表面材料去除率分布的计算分析,得到抛光机的运动参数及抛光垫的叶序参数对材料去除率的影响规律。结果表明:当抛光盘的转速较大、工件转速适中、摆臂摆动频率较小、摆臂中心角较小及叶序参数取值较小时可以获得更好的材料去除分布。