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化学■表面工程超精密加工：化学机械抛光与抛光液


伴随着微电子技术、信息技术、航空航天技术 ， 生命科学 和材料科学等高技术领域的飞速发展 ， 先进制造技术也在不断进步 。
先进制造技术的进展主要表现在两个方面 。 其一是追求高效率、高速度和向自动化无人化生产发展 ， 这导致了计算机程序控制 ， 数控技术(NC) ， 柔性制造系统(FMS) 和计算机集成制造系统(ClMS)技术的发展 。
其二是追求高精度、高质量 ， 向超精密加工和微细加工方向发展 。超精密加工技术的发展主要体现在两个方面:其一是超精密加工所能达到的极限加工精度越来越高 ， 由微米级、亚微米级 ， 直至纳米级 ， 正向原子级加 工精度逼进 ， 在短短十几年内使产品加工精度提高了1~2个数量级 ， 极大地改善了产品性能和可靠性 ， 其二是超精密加工已进入国民经济和人民生活各个领域 ， 致使批量生产所达到的加工精度也在不断提高 。 例如磁带录相机的磁头是超精密加工的典型零件 ， 年产量数千万件 。
计算机硬磁盘基片是超精密加工的又一个代表 ， 年产量达数亿件 ， 加工精度的提高将决定磁盘的存储容量和信息交换的快慢 。 其基本材料可以采用微晶玻璃 ， 需要在制造过程中进行研磨抛光 ， 从而提高表面光洁度 ， 最终提高存储密度 。 抛光工艺需要抛光液 。 咱们就专门说抛光液 。
1 CMP简介
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing ， 简称CMP）技术的概念是1965年由Monsanto首次提出的 。 CMP工艺的基本原理是将待抛光工件在一定的压力下及抛光液(由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液)的存在下相对于一个抛光垫作旋转运动 ， 借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面的材料去除 ， 并获得光洁表面 。 抛光装置 ， 平台在电机的带动下以角速率wp转动 ， 抛光垫粘在平台上 ， 抛光片通过载膜附着在载盘上 ， 载盘在卡盘的带动下 ， 以角速率wc转动 ， 方向与平台相同 。 同时 ， 机械压力通过卡盘 ， 载膜和载盘将被抛光片压在浸满抛光液的抛光垫上 ， 在抛光垫的卡盘、载盘和被抛光片转动的作用下 ， 被输送到抛光垫上的抛光液均匀的分布到抛光垫上 ， 在被抛光片和载盘之间形成一层液体薄膜 ， 这层膜起质量传输和传递压力的作用 ， 抛光液中的化学成分与被抛光片发生化学反应 ， 将不溶物质转化为易溶物质（化学反应过程） ， 然后通过机械摩擦将这些易溶物从被抛光片表面去掉 ， 被流动的液体带走（机械去除过程） ， 这两个过程的结合就可以实现化学机械抛光 ， 用这种方法可以真正使被抛光片表面实现全局平面化 。

化学■表面工程超精密加工：化学机械抛光与抛光液
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圆晶片化学机械抛光示意图

化学■表面工程超精密加工：化学机械抛光与抛光液
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化学■表面工程超精密加工：化学机械抛光与抛光液
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2 CMP作用机制
CMP作用机理可以从宏观和微观两个角度进行理论解释 。 从宏观上来说 ， 可以解释如下 ， 将旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的弹性抛光垫上 ， 而抛光液在晶片与底板之间连续流动 。 上下盘高速反向运转 ， 被抛光晶片表面的反应产物被不断地剥离 ， 新抛光液补充进来 ， 反应产物随抛光液带走 。 新裸露的晶片平面又发生化学反应 ， 产物再被剥离下来而循环往复[1] ， 在衬底、磨粒和化学反应剂的联合作用下 ， 形成超精表面 。 要获得品质好的抛光片 ， 必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡 。 如果化学腐蚀作用大于机械抛光作用 ， 则会在抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹；反之 ， 机械抛光作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层[2] 。
为了进一步了解CMP作用的本质 ， 近年来国内外有很多关于CMP作用微观机理的研究 。 清华大学王亮亮等[3]的研究表明 ， CMP中主要是低频、大波长的表面起伏被逐渐消除 ， 而小尺度上的粗糙度并未得到显著改善；当颗粒直径在10～25 nm的范围时 ， 粒径和粗糙度不存在单调的增减关系；桔皮的产生主要是抛光液中碱浓度过高所致 。 而北京交通大学张朝辉等[4]根据Lei[5]提出的CMP作用中纳米流体薄膜理论 ， 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 。 同时 ， 陈杨等[6]的研究也表明了相似的观点 ， 材料的去除首先源于化学腐蚀作用 。 一方面 ， 在抛光过程中晶片表面局部接触点产生高温高压 ， 从而导致一系列复杂的摩擦化学反应[7-8]；在抛光液中的碱性组分和纳米磨料颗粒作用下 ， 硅片表面形成腐蚀软质层从而有效地减弱磨料对硅片基体的刻划作用 ， 提高抛光效率和抛光表面质量 。 另一方面 ， 根据Preston公式 ， NRR=QwNV（其中 ， NRR为材料去除率；Qw为被抛光材料的密度；N为抛光有效磨料数；V为单个磨料所去除材料的体积 ， 包括被去除的硅基体的体积V1和软质层的体积V2） ， 软质层的形成导致V增大（即化学腐蚀作用可促进机械磨削作用） ， V1减小 ， 从而有利于减小切削深度、增强塑性磨削和提高抛光表面质量 。 因此 ， 在抛光液质量浓度相同的条件下 ， 采用纳米磨料抛光不仅有利于减小切削深度、提高抛光表面质量 ， 同时由于有效磨料数N的急剧增大 ， 还有利于提高抛光效率 。 应该指出的是 ， 软质层的厚度同抛光条件有关就纳米级磨料而言 ， 相应的软质层的厚度一般处于几纳米至十几纳米之间；而由于CMP是机械去除和化学去除相互作用的过程 ， 因此难以通过静态化学腐蚀测量软质层的硬度 。 忽略抛光垫和其它一些因素的影响 ， 抛光液的流动特性对CMP的行为有很大的影响 。 一般抛光液磨粒为圆形的纳米级粒子 ， 利用微极性流体可以模拟粒子的微旋运动对抛光性能的影响 。 张朝辉等[9]研究的模拟结果表明微极性将增加承载能力 ， 从而有利于提高抛光速率 。 这一特性在低节距或低转速下更为显著 ， 体现出尺寸依赖性 。


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