介电泳辅助水溶解抛光过程中微水滴分布的仿真与实验研究

目的 为解决KDP晶体无损表面的制造难题,进一步提升水溶解抛光方法的抛光质量和效率,研究介电泳效应对水溶解抛光液的影响.方法 提出一种介电泳辅助水溶解的抛光方法,最终获得超光滑表面,采用有限元软件模拟极化后微水滴的运动行为,并搭建验证性平台观测介电泳力作用下抛光液的吸附行为,验证抛光原理.之后数值模拟不同的电极形状对微水滴受到介电泳力的影响规律,优化得到最优电极形状参数.最后搭建试验平台,验证介电泳对水溶解抛光效率和质量的提升效果.结果 微水滴会在介电泳力作用下发生形变,并聚集在晶体表面附近,从而提高抛光过程中参与溶解的微水滴数量,加快溶解去除速率.同时,上电极也会对抛光液产生"吸附"作用,延长抛光液在晶体表面的作用时间,减小抛光液甩出率,进一步提高抛光效率.双螺旋结构电极具有最大的电场梯度,能够使水滴受到最大的介电泳力而向晶体表面聚集.经过20 min抛光后,采用传统水溶解抛光的KDP晶体表面粗糙度Ra由抛光前的590 nm降低至1.637 nm,而采用介电泳辅助水溶解抛光的KDP晶体,表面粗糙度降至1.365 nm,表面质量更高.与传统水溶解抛光相比,介电泳辅助水溶解抛光效率提升24％,同时能够更快地获得光滑表面.结论 在介电泳效应的辅助作用下,KDP晶体水溶解抛光质量和效率均得到了提升.     

基于介电泳效应的高速抛光电极分布仿真研究与实验验证

目的解决传统平面环抛过程中存在的两种问题:(1)抛光液受抛光盘和工件旋转离心力作用而抛光液在加工区域分布不均,导致加工工件高平面度差;(2)抛光液受到的离心力作用限制了抛光盘转速,导致抛光效率低。方法提出一种基于介电泳效应的平面抛光方法(DEPP),在抛光区域增加一个非均匀电场,利用中性粒子在非均匀电场中极化后受介电泳力的作用,使其具有向电极和抛光区域中心运动的现象,降低旋转离心力对抛光液的甩出作用,实现对平面工件的高速、高精度抛光。采用有限元分析软件数值模拟极化后磨粒所受介电泳力对离心力的抑制作用,优化产生非均匀电场的不同电极宽度,得到最优非均匀电场电极分布参数,实际测量优化电极后抛光液所受介电泳力的大小和方向,最后搭建试验平台验证介电泳效应高速抛光平面工件的有效性。结果提高抛光盘转速,进行抛光磨砂玻璃对比实验,加工1 h以后,采用介电泳效应抛光能完全去除玻璃磨砂层,工件平整度好,最终RMS值为0.276λ;无介电泳效应抛光后,工件中心部分磨砂层仍有存在,工件平整度相对较差,最终RMS值为0.694λ。通过测量加工去除量,介电泳效应抛光比无介电泳效应抛光的去除率提升了18%结论通过仿真模拟和实验验证,证明了调整电极布置形式以及优化电极分布参数后,介电泳效应高速平面抛光的方法能够有效提升抛光效率和抛光后工件表面平面度。     

抛光垫特性对硬质合金刀片CMP加工效果的影响

目的研究不同种类的抛光垫对硬质合金刀片表面化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing/Planarization,CMP)加工过程的影响,为实现硬质合金刀片高效精密CMP加工提供有效参考。方法利用Nanopoli-100智能抛光机,通过自制的Al2O3抛光液,分别采用9种不同种类的抛光垫对牌号为YG8的硬质合金刀片进行CMP实验,将0~40、40~80、80~120 min三个加工阶段获得的材料去除率和表面粗糙度进行对比,同时观察最佳的表面形貌,分析抛光垫特性对CMP加工效果的影响。结果在抛光转速60 r/min,抛光压力177.8 k Pa的实验条件下,9种不同类型的抛光垫中仅有5种适合用于YG8硬质合金CMP加工。而且抛光垫的表面粗糙度在YG8刀片CMP加工过程中的影响最为显著,抛光垫表面粗糙度越高,CMP加工的材料去除率越高。此外,抛光垫的使用时间对CMP过程也有影响,抛光垫使用时间越长,CMP的材料去除率越小。结论 YG8硬质合金刀片经5种不同类型抛光垫CMP加工后,其表面的烧伤、裂纹等缺陷均得到了极大改善。当使用细帆布加工40 min时,材料去除率最高,为47.105 nm/min;当使用细帆布加工80min时,表面粗糙度最低,为0.039μm。     

化学机械抛光中抛光垫的研究

抛光垫是化学机械抛光(CMP)系统的重要组成部分。它具有贮存抛光液，并把它均匀运送到工件的整个加工区域等作用。抛光垫的性能主要由抛光垫的材料种类、材料性能、表面结构与状态以及修整参数等决定。本文介绍CMP过程常用的抛光垫材料种类、材料性能、表面结构，总结了抛光垫的性能对CMP过程影响规律，认为：抛光垫的剪切模量或增大抛光垫的可压缩性，CMP过程材料去除率增大；采用表面合理开槽的抛光垫，可提高材料去除率，降低晶片表面的不均匀性；抛光垫粗糙的表面有利于提高材料去除率。对抛光垫进行适当的修整可以增加抛光垫表面粗糙度、使材料去除率趋于一致。与离线修整相比较，在线修整时修整效果比较好。     

蓝宝石衬底CMP中氧化硅磨粒粒度分布对抛光液体系性能影响研究

目的 化学机械抛光(CMP)包含化学腐蚀和机械磨削两方面,抛光液pH、磨粒粒径和浓度等因素均会不同程度地影响其化学腐蚀和机械磨削能力,从而影响抛光效果。方法 采用30~150 nm连续粒径磨粒抛光液、120 nm均一粒径磨粒抛光液、50 nm和120 nm配制而成的混合粒径磨粒抛光液,分别对蓝宝石衬底晶圆进行循环CMP实验,研究CMP过程中抛光液体系的变化。结果 连续粒径磨粒抛光液中磨粒大规模团聚,满足高材料去除率的抛光时间仅有4 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.665 nm;均一粒径磨粒抛光液中磨粒稳定,无团聚现象,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高94.7%,能至少维持高材料去除率18 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.204 nm;混合粒径磨粒抛光液初始状态下磨粒稳定性较高,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高114.8%,之后磨粒出现小规模团聚现象,后9 h材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的59.6%,18 h内材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的87.7%,但抛光后的晶圆表面粗糙度为0.151 nm。结论 一定时间内追求较高的材料去除率和较好的晶圆表面粗糙度选用混合粒径磨粒抛光液,但需要长时间CMP使用均一粒径磨粒抛光液更适合,因此,在工业生产中需要根据生产要求配合使用混合粒径磨粒抛光液和均一粒径磨粒抛光液。     

集群磁流变抛光加工表面磁轨迹强度建模优化及加工均匀性研究

目的 探究集群磁流变抛光过程中工艺参数和空间磁场分布特征对加工表面粗糙度不均匀性的影响,通过优化工艺参数,改善加工表面粗糙度的不均匀性。方法 提出一种包含有效加工轨迹和磁轨迹特征的磁轨迹强度数值模型,在数值模型基础上分析转速比、偏心距和往复摆动速度等运动参数对工件不同位置上有效加工轨迹和磁轨迹2种特征的影响,优化不同运动条件下的转速比。在集群磁流变抛光装置上进行硅片的抛光加工实验,利用白光干涉仪检测加工表面粗糙度和表面形貌,总结加工表面粗糙度的分布规律。结果 数值计算结果表明,无理数的转速比能避免出现不同周向位置的周期性波动特征,选用合适的转速比能够减小不同径向位置轨迹长度的差异,提高轨迹特征的均匀性。在无理数转速比条件下,通过改变工件偏心距和增加往复摆动会增大有效加工轨迹的覆盖范围,同时会缩短有效轨迹长度,使得加工效率降低。改变偏心距的运动模式可以改变运动轨迹上磁频数的分布规律,在偏心距为115 mm条件下,工件不同径向位置之间的平均磁场差值可以减小至0.019 T。实验结果表明,通过优化工艺参数后,加工表面粗糙度的变异系数相较于对照组平均下降了约37%。对照组在抛光后的不均匀情况与数值计算结果中的磁轨迹强度径向分布规律相吻合,在小转速比下表现为中心光滑、边缘粗糙的分布规律,在大转速比下表现为边缘光滑、中心粗糙的分布规律。在偏心距为115 mm、转速比为223∶60的优化工艺条件下,抛光硅片的粗糙度变异系数最小达到0.309,平均粗糙度为Sa 4.19 nm。结论 对比实验结果与数值模拟结果可知,磁轨迹强度数值模型能有效优化集群磁流变抛光工艺参数,有利于加工轨迹与磁轨迹特征的匹配,改善了工件抛光后的加工不均匀性。     

铜化学机械抛光材料去除机理研究

本文根据铜CMP过程中表面材料的磨损行为,建立了铜CMP时的材料去除率构成成分模型,并通过材料去除率实验,得出了各机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率及其作用率:当np=nw=200r/min时,有最佳材料去除率,此时单纯的机械作用率为9.2%;单纯的化学作用率为仅为2.1%,抛光垫的机械与化学交互作用率为5.08%;磨粒的机械与化学交互作用率为83.6%。通过对实验结果进行分析,可得如下结论:硅片化学机械抛光中,一定的参数下有一个最优的抛光速度;在最优的速度下,机械与化学之间交互作用达到平衡,这时可获得最高的材料去除率;硅片化学机械抛光过程是一个多变的动态过程,仅仅通过增加机械作用或化学作用不能获得理想的材料去除效果。本文的研究结果可为进一步研究硅片CMP时的材料去除机理提供理论参考依据。     

雾化施液抛光硅片位错的化学腐蚀形貌分析

目的研究硅片经雾化施液抛光技术加工后存在的位错缺陷。方法应用化学腐蚀法、光学方法分析硅片不同部位的位错腐蚀形貌、位错密度及其分布,通过单因素实验研究雾化参数对位错形貌和位错密度的影响规律。在相同的工艺参数下,和传统抛光进行对比实验。结果雾化抛光硅片的平均位错密度为1.2×104/cm2,边沿处的位错密度小于其他区域。在相同的工艺参数下,雾化施液CMP的抛光液消耗量约为传统CMP的1/10,但硅片的位错腐蚀形貌和位错密度明显好于传统抛光,且蚀坑分布均匀分散,没有出现位错排等严重缺陷。通过增大雾化器的出雾量能有效改善硅片表层的位错缺陷。结论相对于传统抛光,雾化施液抛光技术能更加高效地去除硅片的位错缺陷。     

基于响应面法的单晶硅CMP抛光工艺参数优化

为提高单晶硅化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)的表面质量和抛光速度,通过响应面法优化CMP抛光压力、抛光盘转速和抛光液流量3个工艺参数,结果表明抛光压力、抛光盘转速、抛光液流量对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响依次减小。通过数学模型和试验验证获得最优的工艺参数为:抛光压力,48.3 kPa;抛光盘转速,70 r/min;抛光液流量,65 mL/min。在此工艺下,单晶硅CMP的材料去除率为1 058.2 nm/min,表面粗糙度为0.771 nm,其抛光速度和表面质量得到显著提高。      

磁流变抛光技术的工艺试验

本文研究了利用自行配制的水基磁流变抛光液和抛光样机,进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验,试验中所用工件为直径12mm的BK7玻璃零件,其初始表面粗糙度的均方根值为RMS1．41nm,经抛光后得到理想的表面粗糙度的均方根值为RMS0．61nm的玻璃工件,结果表明：随着磁流变抛光磁场强度的增加,抛光去除效率逐渐提高,但表面粗糙度的值随之降低;抛光盘转速的提高能促进抛光效率的提高,降低表面粗糙度值;抛光盘与工件间的间隙的减小有利于提高抛光效率但同时使表面粗糙度变差。     

粗糙度和尖峰高度对粗糙铜晶圆表面化学反应动力学参数的影响

根据液固化学反应特性和欧几里得有效面积公式,建立了适用于粗糙晶圆表面的化学反应动力学方程,得到了不同晶圆表面的化学反应速率常数和化学机械平坦化(CMP)前后晶圆质量差。根据晶圆表面不同位置的lg(RMS height)lgx拟合直线斜率和截距的平均值,得到了每个晶圆表面的分形维数与尺度系数,进一步得到了铜膜化学反应分级数。通过分析晶圆表面分形维数对化学反应动力学参数的影响,可以得出： 当表面分形维数为2.917时,铜膜的化学反应分级数为1,此时铜膜的络合反应过程中的所有瞬时反应数量达到最小值。最后的验证试验表明： 晶圆表面分形维数越大,CMP后尖峰消除量越大,即铜膜表面化学反应速率越快;晶圆表面分形维数越小,CMP后粗糙度下降越明显,即铜膜表面化学反应均匀性越好。     

Tribological approaches to material removal rate during chemical mechanical polishing

In this study, the effect of the friction and wear of a polishing pad on the material removal rate of a silicon oxide wafer was investigated during chemical mechanical polishing (CMP) with ceria slurry. Further, the effect of surface properties of the polishing pad, such as surface roughness and hardness, on the variation in the material removal rate was examined. From a tribological viewpoint, the in-situ friction force was monitored during the CMP process, and wear of the polishing pad was controlled by different types of conditioners. After CMP, the pad surface roughness was measured by optical profiling and scanning electron microscopy. Experimental results showed that the material removal rate was almost linearly proportional to the friction force between the pad and the wafer surface, irrespective of the properties of the pad. Experiments on the dependency of the pad wear rate on the material removal rate showed that the material removal rate increased with a decrease in the pad wear rate. Experiments and pad characterization confirmed that such a correlation was attributed to the pad surface roughness and the friction force.     

磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺及机理

为提高光电晶片的磁流变抛光效率并实现其超光滑平坦化加工,提出其磁流变变间隙动压平坦化加工方法,研究不同变间隙条件下蓝宝石晶片的材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化,并分析磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明:通过蓝宝石晶片对磁流变抛光液施加轴向低频挤压振动,其抛光压力动态变化且磁流变液产生挤压强化效应,使抛光效率与抛光效果显著提升。在工件下压速度为1.0 mm/s,拉升速度为3.5 mm/s,挤压振动幅值为1 mm条件下磁流变变间隙动压平坦化抛光120 min后,蓝宝石晶片的表面粗糙度R_a由 6.22 nm下降为0.31 nm,材料去除率为5.52 nm/min,相较于恒定间隙磁流变抛光,其表面粗糙度降低66%,材料去除率提高55%。改变变间隙运动速度可以调控磁流变液的流场特性,且合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高工件的抛光效率和表面质量。      

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。     

Combined ultrasonic vibration and chemical mechanical polishing of copper substrates

This paper introduces an ultrasonic, vibration-assisted, chemical mechanical polishing (UV-CMP) method and an ultrasonic, vibration-assisted, traditional diamond disk (UV-TDD) dressing method. A copper substrate is polished by traditional CMP and UV-CMP. UV-CMP combines the functions of traditional CMP and ultrasonic machining (USM) with small-amplitude, high-frequency tool vibration to improve the fabrication process and machining efficiency. The removal rate of the copper substrate, torque force, and polished surface morphology of CMP and UV-CMP are compared. The polishing pad is also dressed by traditional diamond disk (TDD) and UV-TDD. The pad cut rate, torque force, and pad surface profiles of TDD and UV-TDD are also investigated in experiments. Experimental results reveal that UV-TDD can produce twice the pad cut rate and reduce torque force compared to TDD. Consequently, a dressing time reduction by half is expected, and hence, the diamond life is extended. It is found that the removal rate of the copper substrate polished by UV-CMP is increased by approximately 50-90% relative to that of traditional CMP because in UV-CMP, a passive layer on the copper surface, formed by the chemical action of the slurry, will be removed not only by the mechanical action of CMP but also by ultrasonic action. In addition, the surface roughness improves and the torque force reduces dramatically. This result suggests that the combination processes of CMP/USM and TDD/USM are feasible methods for improving polishing and dressing efficiency.     

Mechano-chemical polishing of silicon wafers

Rapid progress in recent IC fabrication industry has increased the demand of tight specification of non-uniformity (NU) and surface polishing in silicon wafer planarization. Chemical–mechanical polishing (CMP) is currently the most popular method for IC wafer planarization. However, the sub-surface damage problem caused by hard abrasives and chemical waste problem of CMP have decreased the throughput and increased the cost of IC fabrication. This study is to investigate the mechano-chemical polishing (MCP) of silicon wafers by slurry of soft abrasives, BaCO₃ and through experiments to verify that the solid phase chemical reaction (SPCR) is the main reaction process involved in MCP. A planarization mechanism with compliance has been designed and tested through MCP experiments. Experimental results of MCP of silicon wafers have achieved the average of surface roughness improvement ratio (SRIR) to 99% and the surface roughness R_a=0.633 nm measured by atomic force microscope (AFM). The material removal rate (MRR) has been calculated and the significant influence of slurry weight percent and polishing pressure have been found. The NU has also been estimated for evaluation of MCP parameters. The sub-surface damage of silicon wafer has not yet been found in experimental results and hence the MCP process of silicon wafers has been verified to become a green or environment-friendly technology of silicon wafer planarization.     

单晶碳化硅的电磁场励磁大抛光模磁流变抛光

目的 研发一种高精高效单晶碳化硅表面抛光技术。方法 采用电磁场励磁的大抛光模磁流变抛光方法加工单晶碳化硅，利用自制的电磁铁励磁装置与磁流变抛光装置，进行单因素实验，研究电流强度、工作间隙和抛光时间等工艺参数对单晶碳化硅磁流变抛光加工性能的影响，并检测加工面粗糙度及其变化率来分析抛光效果。结果 在工作间隙1.4 mm、电流强度12 A的工艺参数下，加工面粗糙度值随着加工时间的增加而降低，抛光60 min后，加工面粗糙度值Ra达到0.9 nm，变化率达到98.3%。加工面粗糙度值随通电电流的增大而减小，随着工作间隙的增大而增大。在工作间隙为1.0 mm、通电电流为16 A、加工时间为40 min的优化参数下抛光单晶碳化硅，可获得表面粗糙度Ra为0.6 nm的超光滑表面。结论 应用电磁场励磁的大抛光模盘式磁流变抛光方法加工单晶碳化硅材料，能够获得亚纳米级表面粗糙度。     

Process state estimation in chemical mechanical polishing (CMP) by inverse analysis of in-process data

This study proposed a new technique for model-based estimation of the dynamic process state in chemical mechanical polishing (CMP). There is an uneven distribution of material removal efficiency the wafer surface, which further changes with processing time. Considering Preston's law, the linear relationship between the polishing force and material removal rate was modeled. Inverse analysis was conducted to identify motor torques of the CMP machine, material removal rate profile, and model parameters to estimate the dynamic process state in CMP. Moreover, the uneven distribution of the material removal efficiency and its dynamic variation were experimentally verified.