硬脆材料的化学机械抛光机理研究

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,简称CMP)技术是目前唯一可提供全局平面化的超精密表面加工技术,加工后无表面和亚表面损伤。该技术广泛应用于光学元件、微机电系统、集成电路芯片等表面的处理,可达到纳米级的表面粗糙度和微米级的面形精度。目前的研究主要集中在化学机械抛光工艺上,抛光机理尚未形成统一的学说。针对硬脆材料(Si、SiC)的CMP技术进行综述,介绍了CMP技术的发展现状,并对加工过程中存在的材料去除机理做了可能性解释,最后对CMP技术的发展和研究重点做了预测和建议。     

《2018-2019机械工程学科发展报告(机械制造)》——机械制造学科标志性研究进展

正在精密与超精密加工领域,清华大学路新春等建立了大尺寸表面纳米级平坦化的加工原理与方法,发明了系列大尺寸超薄硅片纳米级无损伤抛光关键技术,研制开发出12英寸"干进干出"化学机械抛光(CMP)装备与成套工艺,实现了IC制造大尺寸晶圆表面的纳米级平坦化及纳米级缺陷控制。整体技术达到国际先进水平,已在中芯国际等企业实现批量应用,打破了国外高端微电子超精密抛光装备长期垄断的局面。     

化学机械抛光中的纳米级薄膜流动

在简述化学机械抛光技术的基础上,提出化学机械抛光过程中,受载的粗糙峰和被抛光的晶片表面之间存在一纳米量级的薄流体膜,形成了纳米级薄膜流动系统。指出对纳米级流动规律进行研究将有助于了解化学机械抛光的作用机理,其中,在极薄的膜厚情况下的温度场分析是一项迫切任务。     

陶瓷球混合轴承中陶瓷球的高表面完整性精密加工

主要介绍了动压浮起平面研磨、浮动抛光、磁流体浮动抛光以及化学．机械抛光等陶瓷球的高表面完整性加工方法，不仅得到了理想的光滑表面，而且无加工变质层和表面损伤，满足了生产上对陶瓷球轴承的使用要求。     

计算机硬盘基片的亚纳米级抛光技术研究

随着计算机磁头与磁盘间隙的不断减小,硬盘表面要求超光滑(亚纳米级粗糙度)。化学机械抛光技术是迄今几乎唯一的全局平面化技术。研究了抛光液特性与计算机硬盘基片的化学机械抛光性能间的关系,结果表明,抛光后表面的波纹度(Wa)、粗糙度Ra)以及材料去除量强烈依赖于抛光液中磨粒的粒径、磨粒和氧化剂的浓度等因素。借助对抛光后表面的俄歇能谱(AES)分析,对其化学机械抛光机理进行了探讨。     

硅片低损伤磨削砂轮及其磨削性能

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题,研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性,设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料,二氧化硅为添加剂,氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺,分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤,进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明,采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra1nm,亚表面损伤仅为深度30nm的非晶层,远好于金刚石砂轮磨削硅片,接近于CMP的加工水平,实现了硅片的低损伤磨削加工。     

TiO_2纳米颗粒在单晶硅表面的吸附

为了实现亚纳米级超光滑表面的加工,建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统,同时研究了加工过程中纳米颗粒与工件表面间的相互作用机理。首先,对实验所用锐钛矿TiO_2纳米颗粒及单晶硅工件表面进行表征测量。然后,用第一性原理的平面波赝势计算方法研究了纳米颗粒胶体射流加工中TiO_2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量。最后,开展了TiO_2纳米颗粒及单晶硅工件表面间的吸附实验。实验结果表明:胶体中的OH基团在TiO_2团簇表面及单晶硅表面分别发生化学吸附,在TiO_2纳米颗粒及单晶硅表面吸附过程中形成了新的Ti-O-Si键及化学吸附的H_2O分子。红外光谱实验结果显示:TiO_2纳米颗粒与单晶硅界面间存在新生成的Ti-O-Si键。这种界面间的相互作用证实了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程可实现材料去除的化学作用机理。     

金属加工机械制造业关键技术分析——超精密加工技术

１．技术概要机械制造技术在提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，其精度从微米级提高到亚微米级，乃至纳米级。就目前的加工技术而言，超精密加工技术是为了获得零件加工的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度均优于亚微米级的综合技术措施，并向纳米级加工发展。纳米级加工是指零件加工的尺寸精度、形状精度和表面粗糙均为纳米级（＜１０nm，即＜０．０１μm）。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨（机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等）以及超精密特种加工（电子束、离子…     

纳米CeO2抛光料对硅晶片进行化学机械抛光的研究

通过自制纳米CeO2超细粉体,并配制成抛光液对硅片进行化学机械抛光,研究了纳米CeO2抛光料对硅片的抛光效果,解释了纳米级抛光料的化学机械抛光原理.实验结果表明:由于纳米抛光料粒径小,切削深度小,故材料去除采用塑性流动方式.使用纳米CeO2抛光料最终在1μm的范围内达到了微观表面粗糙度Ra为0.124nm的超光滑表面,满足了产品的要求.     

应用在线电解修整磨削和磁流变光整加工组合工艺进行碳化硅的纳米加工

利用在线电解修整镜面磨削和磁流变光整加工技术对化学气相沉积碳化硅反射镜进行纳米级精度的加工。首先进行在线电解修整磨削，使反射镜面高效率加工成形，并获得较好的形状精度和表面质量；然后利用磁流变技术进行光整加工，以减少反射镜的亚表面损伤，提高表面质量，并通过修正加工，显著提高了工件表面的形状精度。对化学气相沉积碳化硅进行了一系列的加工试验，高效率地得到Rq=2．4nm（均方根偏差）的表面粗糙度和21．2nm的形状精度，并且对在线电解修整镜面磨削与磁流变光整加工所生成的表面特性进行了分析比较。     

无磨料化学机械抛光的研究进展

无磨料化学机械抛光(AFP)技术克服传统化学机械抛光(CMP)易产生凹陷、腐蚀和微观划痕等表面损伤的特点,成为解决半导体晶片上Cu膜表面平坦化的重要技术;AFP已广泛用于铜大马士革层间互连及其他材料的加工.综述了AFP技术的研究现状,指出了AFP急待解决的技术和理论问题,并对其发展趋势进行展望.     

基于电化学加工方法的铝基超疏水表面制备技术研究

鉴于金属铝表面存在微米级的晶界和纳米级的位错,在外加电场和电解液的作用下,晶界位错处因具有更高的位能会使得阳极优先溶解,进而形成微纳米结构相结合的粗糙表面,提出一种新的铝基超疏水表面的电化学制备方法,实验研究了其加工质量、加工效率和加工条件之间的关系,结果显示电化学加工方法能够在铝基底上制备出多阶层微/纳米结构,可用作超疏水表面基底。电化学加工比化学刻蚀法有更好的可控性,同时比光刻等方法更经济。所加工表面经过低表面能材料修饰后呈现超疏水的特性,与水滴的接触角达到167°,滚动角小于3°。     

单晶硅片化学机械抛光的表面损伤研究

通过模拟化学机械抛光的工况条件,对不同化学作用的单晶硅片表面进行纳米划痕实验,利用现代分析仪器与技术,对抛光后单晶硅片的表面和亚表面损伤进行研究。结果表明:在一定的工况参数条件下,机械作用和化学作用匹配时,可以获得高的材料去除率和无表面层及亚表层损伤的高质量的抛光表面。在化学机械抛光过程中,机械作用的加强可以提高材料去除率,但作用力增至一定值之后,抛光后表层和亚表层损伤将逐渐加大;化学作用可以增加机械作用下的材料去除率,但抛光表面在化学反应作用下会产生表面损伤。通过调整机械参数如压力和速度等可以控制摩擦化学反应中的反应热,从而实现机械作用对摩擦扩散化学的控制,调控单晶硅片的超精密抛光中化学物质的使用,实现环保型绿色抛光。     

微机械加工技术发展概况（二）

微机械加工技术发展概况（二）鲍敏杭复旦大学电子工程系，传感技术国家实验室上海市２００２３３７表面平整化技术表面平整化技术是为大规模集成电路开发的一种工艺技术。它是利用化学机械抛光方法将因金属化加工而变得起伏的硅片表面变得平整，为进一步加工提供更好的...     

铌酸锂晶片的化学机械抛光质量研究

采用化学机械抛光方法，在新型智能抛光机上用自制的抛光液对铌酸锂晶片进行抛光。结果证明选择适当的参数后可以得到一种超平滑表面，几乎无损伤层，且有较高的面形精度和加工效率。采用扫描探针显微镜(SPM)获得了铌酸锂晶片表面微观形貌，并测定了损伤层，分析了铌酸锂晶片的表面形成机理及其表面加工缺陷和损伤层的成因。     

大尺寸集成电路和硅片表面加工技术

随着半导体技术的发展,特别是大尺寸硅片在集成电路中的应用,对硅片表面平整度及加工精度提出了越来越高的要求.根据当前硅片向直径400mm以上及特征线宽0.07μm发展的趋势,主要介绍以在线电解修整(Electrolytic Inprocess Dressing,ELID)磨削和化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)等复合加工为主的几种硅片表面加工技术,并简要说明其加工机理和应用.     

添加剂对微晶玻璃化学机械抛光的影响

利用自制抛光液对微晶玻璃进行化学机械抛光,研究络合剂、氧化剂、润滑剂种类及添加量对微晶玻璃化学机械抛光材料去除速率和表面粗糙度的影响。结果表明:抛光液中加入质量分数0.2%的EDTA络合剂后,能大幅降低材料表面粗糙度;加入质量分数2%的过硫酸铵氧化剂后能得到较光滑的材料表面和较高的材料去除速率;加入质量分数为0.2%的丙三醇润滑剂后能降低材料表面粗糙度。将EDTA络合剂、过硫酸铵氧化剂丙、三醇润滑剂加入SiO_2抛光液中对微晶玻璃进行化学机械抛光,利用原子力显微镜观察抛光微晶玻璃抛光前后的表面形貌。结果表明,抛光后微晶玻璃表面极为平整,达到了0.12 nm的纳米级光滑表面,且材料去除速率达到72.8 nm/min。     

数字光盘玻璃基片的三步抛光技术

为得到超光滑的数字光盘母盘玻璃基片表面,研究玻璃基片的亚纳米级抛光技术。分别采用2 m、0.3 m超细氧化铈抛光液以及纳米氧化硅抛光液进行三步化学机械抛光(Chemical mechanical polishing, CMP),抛光后最终表面粗糙度Ra达到0.44 nm,为目前报道的数字光盘母盘玻璃基片抛光的最低值。原子力显微镜分析表明,抛光后的表面超光滑且无微观缺陷。通过对玻璃基片CMP中机械作用及化学作用进行分析,对抛光机理进行了探讨。     

化学机械抛光过程低 k/铜表面材料去除机制及损伤机制研究进展*

针对低k介质/铜表面在平坦化加工中极易造成材料界面剥离、互连线损伤和表面不平整等问题,国内外学者对CMP过程中的材料去除机制以及损伤机制开展了大量的研究工作。对集成电路平坦化工艺——化学机械抛光过程中低k介质/铜界面的力学行为和摩擦损伤特性研究进展进行综述,介绍异质表面的材料去除行为及去除理论研究现状;展望了化学机械抛光过程低k介质/铜表面去除机制研究的研究趋势,即通过对异质界面的分子原子迁移行为研究,揭示异质表面的微观材料去除机制及损伤形成机制,最终寻找到异质表面平坦化及损伤控制方法。     

大尺寸硅片超精密磨削平整化加工机理与技术

在中国国家自然科学基金重大项目《先进电子制造中的重要科学技术问题研究》资助下，针对大尺寸硅片化学机械抛光(CMP)和超精密磨削平整化所涉及的“超精抛光中纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技术”，以300mm硅片为代表，归纳报告硅片超精密磨削加工机理、磨削平整化理论、超精密磨削表面/亚表面损伤、磨削加工工艺规律，以及大尺寸硅片超精密磨削平整化加工关键技术的研究进展。 从硅片旋转磨削过程的运动学仿真、硅片磨削过程的分子动力学仿真和硅片材料的脆性 延性转变等3方面研究了硅片的超精密磨削机理。 通过建立硅片旋转磨削过程的运动学理论模型，获得硅片旋转磨削的运动轨迹参数方程、磨纹长度、磨纹数量以及磨削稳定周期等模型，分析了磨纹间距、磨纹密度与磨削表面层质量的关系。在此基础上开发硅片旋转磨削纹理的计算机预测仿真软件对硅片超精密磨削过程进行数字模拟，通过硅片磨削实验对数字仿真结果进行实验验证。