（材料学专业论文）超细ceo2磨料的超光滑表面化学机械抛光性能与机理研究.pdf

一 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：竹桶 日期：z 口牟年月2 驴日 - 超细c e 0 2 磨料的超光滑表面 化学机械抛光性能与机理研究 s t u d yo nt h ec h e m i c a l - - m e c h a n i c a lp o l i s h i n gp r o p e r t i e s a n dm e c h a n io f 一s u r f a i gultrafineau m e c l l a m s mo is u p e r - s m o o t hs u r f a c eu s i n nt r af i u eg c e r i u md i o x i d ea b r a s i v e 姓 2 0 0 4 年4 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着超大规模集成电路( u l s i ) 器件特征尺寸的减小和集成度的提高，要 求作为衬底材料的单晶硅片抛光表面可接受的分辨率必须达到纳米级，即表面达 到超光滑。在硅晶片的化学机械抛光( c m p ) 中，磨料自身的性质，比如尺寸、 形貌、粒度分布以及自身的硬度是影响抛光表面质量的重要因素。 本课题通过均相沉淀法分别制备了单分散的5 9 m 棒状、0 3 岬球状以及 1 0 n m 球状c e 0 2 超细粉体，并采用雾化工艺制备了1 0 n m 球状a 1 2 0 3 超细粉体， 并作为磨料配制成不同p h 值的抛光液对硅晶片进行抛光，用原子力显微镜 ( a f m ) 观察抛光表面的微观形貌。研究了不同形貌和粒径的c e 0 2 磨料对硅晶片 的抛光效果，并在相同的抛光条件下比较了1 0 n m 球状c e 0 2 、a 1 2 0 3 和s i 0 2 磨料 对硅晶片的抛光效果。 实验结果表明，使用纳米c e 0 2 磨料最终在1 肛r t l ) 【1 岫的范围内得到了微观 表面粗糙度尺口值为o 0 8 9n m 的超光滑表面。与纳米a 1 2 0 3 和s i 0 2 磨料抛光后表 面相比，使用纳米c e 0 2 磨料抛光的硅晶片表面具有更低的表面粗糙度值，而且 抛光表面的微观起伏更趋向于平缓。通过实验证明了c e 0 2 系列超细粉体对硅晶 片具有良好的抛光效果，抛光后硅晶片具有亚纳米量级表面粗糙度的超光滑表 面。 本文还详细地分析了软质层对材料去除过程的影响，认为软质层的存在一方 面增加了单个纳米磨料所去除材料的体积；另一方面对基体材料有保护作用，减 小了纳米磨料嵌入基体材料的深度。并首次考虑了纳米磨料在抛光条件下所发生 的自身变形，这个变形量相当于一部分抵消了纳米磨料嵌入基体材料的切削深 度，而这个切削深度最终决定了抛光表面的粗糙度。由分析指出这个变形量与纳 米磨料的硬度成反比，硬度低的纳米磨料由于自身变形量大，导致纳米磨料的切 削深度小，抛光后表面的粗糙度值低。这就解释了在相同的条件下不同硬度的纳 米磨料为什么具有不同的抛光表面粗糙度，并从上述两个方面进一步完善了 c m p 中的接触力学模型。 关键词：超细c e 0 2 磨料；超光滑表面；抛光；软质层；变形 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fu l s it e c h n o l o g y , t h ed e g r e eo fi n t e g r a t i o ni sg e t t i n gh i g h e r a n dt h er e q u i r e dc h a r a c t e r i s t i cs i z ei sb e c o m i n gs m a l l e r t h ed e m a n d so ft h ep o l i s h e d s i l i c o nw a f e r sq u a l i t yb e c o m eh i g h e rt o o t h ep o l i s h e ds u r f a c ea c h i e v e su l t r a - s m o o t h t h er e s o l u t i o no ft h ep o l i s h e ds i l i c o nw a f e rs u r f a c em u s tr e a c ht ot h el e v e lo f s u b n a n o m e t e r c h e m i c a l - m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) i sw i d e l yu s e di nt h eu l s i i n d u s t r y i nt h ec m p o fs i l i c o nw a f e r t h ep o l i s h e ds u r f a c eq u a l i t yi sg r e a t l ya f f e c t e db y t h ea b r a s i v e sp r o p e r t i e s ，s u c ha ss i z e ，s h a p e ，g r a n u l a r i t ya n d h a r d n e s s ，e t a 1 u l t r af i n ep o w d e r so fc e 0 2w i t hd i f f e r e n ts h a p ea n ds i z e ，a n ds p h e r i c a ln a n o - a 1 2 0 3w e r e p r e p a r e dv i ah o m o g e n o u sp r e c i p i t a t i o na n dw e r ec o l l o c a t e di n t op o l i s h i n gs l u r r yw i t hd i f f e r e n tp h f o rc h e m i c a l - m e c h a n i c a lp o l i s h i n go fs i l i c o nw a f e r t h ep o l i s h i n ge f f e c to fd i f f e r e n ta b r a s i v e sw a s s t u d i e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) t h ed i f f e r e n tp o l i s h i n ge f f e c to fn a n o s i z ec e r i u m d i o x i d e ，a l u m i n aa n ds i l i c o no x i d ea b r a s i v e su n d e rt h es a m ep o l i s h i n gc o n d i t i o nw a ss t u d i e d r e s u l t ss h o w e dt h a tas u p e rs m o o t hs u r f a c ew i t har o u g h n e s so fo 0 8 9 n m 承a ) w i t h i nlg m x lg mw a so b t a i n e du s i n gc e r i u md i o x i d ea b r a s i v e s t h es u r f a c er o u g h n e s so f t h es i l i c o nw a f e rp o l i s h e db yn a n o - c e 0 2w a sl o w e rt h a nt h a tp o l i s h e db yt h en a n o 一舢2 0 3 a n dn a n o - s i 0 2 a tt h es a m et i m e ，i t ss u r f a c eu n d u l a t i o nw a ss m a l l e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w e dt h a tu l t r af i n ec e 0 2p o w d e r sh a da l le x c e l l e n t p o l i s h i n ge f f e c t t h ei n f l u e n c eo ft h es o f tl a y e ra n dt h ed e f o r m a t i o no ft h ea b r a s i v e sw e r e c o n s i d e r e df o rt h ef i r s tt i m e t h es o l i d - s o l i dc o n t a c tm o d ew a sm o d i f i e dt h r o u g ht h e s e t w oa s p e c t s t h ee x i s t i n go ft h es o f tl a y e ri n c r e a s e dt h em a t e r i a lr e m o v e db yas i n g l e a b r a s i v eo n o n eh a n da n dd e c r e a s e dt h e c u t t i n gd e p t ho ft h e a b r a s i v e s t h e d e f o r m a t i o no ft h ea b r a s i v e sc o u n t e r a c t e dp a r to ft h ec u t t i n gd e p t ho ft h ea b r a s i v e s t h ec u t t i n gd e p t hd e t e r m i n e dt h er o u g h n e s so ft h ep o l i s h e ds u r f a c e t h ed e f o r m m i o n a m o u n tw a si np r o p o r t i o nt ot h eh a r d n e s so ft h ea b r a s i v e s t h a tw a st h er e a s o nw h y t h ea b r a s i v e sw i t hd i f f e r e n th a r d n e s sh a dd i f f e r e n tp o l i s h i n ge f f e c t k e yw o r d s ：u l t r af i n ep o w d e r so fc e 0 2 ，u l t r a - s m o o t hs u r f a c e ，p o l i s h i n g ，s o f t e rl a y e r , d e f o r m a t i o n i i 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 引言_ 1 1 2 超光滑表面的应用2 1 2 1 软x 射线光学系统2 1 2 2 超大规模集成电路( v l s i ) 衬底材料2 1 2 3 激光陀螺反射镜一3 1 2 4 高能激光反射镜3 1 2 5 高密度波分复用器3 1 3 超光滑表面的抛光方法3 1 3 1 直接接触抛光4 1 3 2 非接触抛光5 1 3 3 准接触抛光7 1 4 化学机械抛光( c m p ) 系统过程参数及其消耗品8 1 4 1 化学机械抛光( c m p ) 工艺过程参数对抛光质量和抛光速率的影 响_ 。8 1 4 2 化学机械抛光( c m p ) 设备及其消耗品1 0 1 5 c e 0 2 磨料的应用现状1 2 1 6 本课题的意义及研究内容1 3 第二章超细c e 0 2 粉体的制各1 5 2 1 实验试剂及仪器15 2 2 单分散c e 0 2 粉体的制备1 5 2 2 1 实验原理15 2 2 2 实验方法15 2 2 3 粉体性能的表征1 6 2 3 h m t 均相沉淀法制备纳米c e 0 2 粉体19 i i i 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 实验原理。1 9 2 3 2 实验方法一1 9 2 4 纳米a 1 2 0 3 粉体的制备2 0 2 5 本章小结2 0 第三章超细c e 0 2 磨料的抛光性能实验2 1 3 1 舡m 棒状c e 0 2 磨料抛光试验。2 1 3 20 3 a m 球状c e 0 2 磨料抛光试验2 4 3 3 纳米c e 0 2 a 1 2 0 3 s i 0 2 磨料抛光试验2 6 3 4 本章小节3 0 第四章纳米磨料的化学机械抛光模型与机理。3 2 4 1 引言3 2 4 2 软质层的形成以及对材料去除的影响3 3 4 3 纳米磨料的硬度对抛光表面粗糙度的影响3 5 4 3 软质层以及磨料的硬度对材料去除率的影响4 5 4 4 本章小结4 6 第五章结论。4 7 参考文献4 9 致 谢。5 3 硕士期间发表论文情况5 4 i v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 精密和超精密加工技术、制造自动化是先进制造技术的两大领域，精密工程、 精细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是未来制造技术的基础。超精密 加工是- - n 新兴的综合性加工技术，它集成了现代机械、光学、电子、测量及材 料等先进技术成就，使得目前的加工精度达到了0 0 1 m 级，极大地改善了产品 的性能和可靠性。超光滑表面加工技术是超精密加工体系的一个重要组成部分， 在国防工业、信息产业民用产品的制造中占有非常重要的地位且有着广泛的市场 需求，具有良好的发展前景。 科技的进步极大地推动了技术的发展，随着光学领域和微电子学领域及其相 关技术的发展，对所需材料的表面质量的要求越来越高。大规模或超大规模集成 电路对所用基片( 通常为硅、锗等材料) 的表面精度提出了很高的要求；短波段光 学的发展尤其是强激光技术的出现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻，从 此产生了超光滑表面的概念，并出现一系列用于进行超光滑表面加工的技术和方 法。所谓超光滑表面主要是针对被加工表面的粗糙度而言的，它具有以下主要特 征：表面粗糙度小于l n m ( r a ) 、尽可能小的表层和亚表层损伤、表面残余应力 极小、晶体表面具有完整的晶体结构。 超光滑表面加工的对象是晶体、陶瓷等硬脆性材料。超光滑表面主要应用于 现代武器惯导仪表的精密陀螺的平面反射镜、激光核聚变反射镜、大规模集成电 路的基片、计算机磁盘、磁头和蓝宝石红外探测器窗口的透镜等。超光滑表面的 加工手段有抛光和超精密机械加工等，而抛光应用的最为广泛。磨料作为抛光介 质在材料的去除过程中发挥极其重要的作用，对于超精密抛光而言，使用超细粉 体作为磨料已经是必然的发展趋势。 而目前国内对于超细粉体的概念尚无严格的统一定义，国外定义比较严格并 被较多采用的是粒径小于3 p m 的粉体被称之为超细粉体。由于粉体粒径分布范 围很宽，粒径的表示方法也各不相同，根据我国超细粉体技术领域的现状和国情， 在国内一般认为粒径小于3 0 p m 的粉体为超细粉体。 江苏大学硕士学位论文 1 2 超光滑表面的应用 1 2 1 软x 射线光学系统 软x 射线的波长范围为1 - 3 0 n m ，所有的材料对该波段的光都有强烈的吸收 作用，因此光学系统多为反射式。多层膜反射镜是软x 射线光学系统的关键器 件，反射率是这种元件最重要的指标。多层膜反射镜的镜面反射与d e b y e w a l l e r 因子成正比，其反射率可写成如下形式乜1 ： r = 尺。= r 。e x p i - - ( 4 n c r i i nb ) 2i 其中r 为实际反射率，为表面绝对光滑时的理想反射率，d 为d e b y e w a i l e r 因子，九为入射波长，0 为掠入射角，o 为镜面粗糙度的均方根值。为提高多层 膜镜的反射率，一般要求o l i 1 0 ，因此，必须采用表面粗糙度小于l n m ( r m s ) 的超光滑反射镜口1 。另一方面，x 射线多层膜的周期厚度为纳米级，普通光滑表 面会造成各膜层沉积厚度的不均匀，并相互交错，从而影响反射率。为此，多层 膜反射镜的基板必须采用超光滑表面。 为获得较好的成像质量，考虑到x 射线散射，软x 射线光学系统对元件的 表面粗糙度提出了更为严格的要求。例如，工作于1 2 5 n m 波段的显微镜及工作 于“水窗波段”的同种显微镜都选用了粗糙度为0 1 n m ( r m s ) 的超光滑表面。 1 2 2 超大规模集成电路( v l s i ) 衬底材料 随着半导体工业沿着摩尔定律的曲线急速下降，驱使加工工艺向着更高的电 流密度、更高的时钟频率和更多的互联层转移。在集成电路中，1 6 m b 器件的特 征尺寸为o 5 9 m 量级，6 4 m b 为0 3 5 p , m ，2 5 6 m b 为0 2 5 p , m ，1 g 为0 1 5 9 m ，不 久将达到0 0 7 9 m 4 1 。由于超大规模集成电路器件特征尺寸的减小和集成度的提 高，为了保证v l s i 的o 1 p , m 量级的线宽尺寸精度，要求作为衬底材料一一单晶 硅片的抛光表面可接受的分辨率达到纳米级，这就对抛光表面粗糙度提出了更高 的要求。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 激光陀螺反射镜 高精度的激光蛇螺对提高飞机、导弹等的控制精度与性能至关重要，而激光 反射镜基片更是成功研制高精度陀螺的关键技术。这就要求反射镜基片具有很低 的损耗，很高的反射率，反射率要达到9 9 9 9 以上。由于镜面散射会导致激光 陀螺的性能降低，因此陀螺激光反射镜要求最大限度地减少背向散射，而表面粗 糙度是引起散射的主要原因。因此要获得高反射率的激光陀螺反射镜，必须首先 加工出a 量级的超光滑光学表面嘲。 1 2 4 高能激光反射镜 在高能激光系统中，光学元件需承受极高的辐照强度，如激光核聚变用激光 束的功率密度大于1 0 1 2 w ，c m 2 ，连续波超音速氧碘激光器( c o i l ) 的输出功率可 达兆瓦级。普通反射镜因难以承受如此强的辐照，表面会被烧灼而损坏，因此必 须提高反射镜的抗激光损伤阈值。镜面散射是造成表面破坏的重要原因，而散射 源于镜面的表面粗糙度及亚表面损伤【6 1 ，因此只有使用表面粗糙度小于l n m ( r m s ) 超光滑表面才能提高反射镜的抗激光损伤阈值。 1 2 5 高密度波分复用器 高密度波分复用器( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u t i p l e x e r ，d w d m ) 是光纤 通信中最重要的被动元件之一，其基本功能是利用分合波原理，让不同波长的 信号在同一根光纤中传输。单一光纤的传输容量为2 5 g b s ，采用8 通道的d w d m 元件，便可以使单一光纤通信的传输容量提高到2 0 g b s 。只有采用极高反射率 的平面反射镜，才能将每一带宽小于2 n m 的8 个信号分开。因此，超光滑高反 射镜的制造便成了d w d m 元件的关键技术之一【7 。 1 3 超光滑表面的抛光方法 对各种超光滑表面的抛光加工手段来说，在j n - r 过程中工件和抛光盘之间的 接触的状态可分为三种类型：直接接触、准接触和非接触。在各种抛光方法中的 接触状态均只属于其中一种，并在抛光过程中基本保持不变。 江苏大学硕士学位论文 1 3 1 直接接触抛光 直接接触抛光是指抛光盘和工件在抛光过程中直接发生接触，依靠抛光磨料 的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用来去除材料。浴法抛光、t e f l o n 法抛光等 都属于这种接触方式。 在传统抛光设备和方法的基础上，r d i e t z 提出的浴法抛光【8 】改变了抛光液 的供给方式，采用浸液抛光，使抛光盘和工件的接触更柔和，在熔石英上获得了 粗糙度为0 3 n m ( r m s ) 的超光滑表面。 在浴法抛光的基础上，a j l e i s t n e r 9 】等人使用了聚四氟乙烯( t e f l o n ) 抛光 模。与沥青抛光模相比，t e f l o n 抛光模不仅可以有利于保持工件的面形精度，而 且可以在许多材料上加工出粗糙度小于0 4 n m ( r m s ) 超光滑表面，同时还可以有效 地降低材料表面的波纹度和亚表面损伤。 过去，硬脆性材料的加工基本上是利用硬质磨料的机械作用为主的抛光，这 直接影响工件表面质量而且存在亚表层损伤，导致产品性能和加工成品率降低。 而化学抛光又会造成形状精度降低。为了克服上述缺点，产生的机械化学抛光n 们 是利用固相反应的加工方法。通过使用软质抛光磨料于适当的抛光液一起，在工 件与磨粒的接触点上，由于磨擦产生的高温高压，在极短的接触时间内发生固相 反应，并由摩擦力去除反应物，实现纳米级微小单位的材料去除。 水合抛光【1 0 】( h y d r a t i o np o l i s h i n g ) 也是一种利用界面反应的加工方法。在 加工过程中工件与抛光盘产生相对摩擦，在局部真实接触点产生高温高压，激活 工件表层上的原子或分子，同时用过热水蒸气分子和水作用其表面，使之在界面 上形成水合层，再利用抛光盘的摩擦力去除工件表面的水合层，从而实现镜面加 工。其主要特点是不使用磨料和加工液，加工装置与普通抛光机相同，在水蒸气 环境中进行加工。 河西敏雄( t k a s a i ) 提出的进行式机械化学抛光( p m a c ，p r o g r e s s i v ea n d c h e m i c a l ) ，能自动地从抛光初始的直接接触变化为非接触，从而将机械去除作用 移至化学去除作用【l 。实现p m a c 抛光的关键在于变化工件表面和抛光盘之间 的接触状态，可以通过改变抛光液的供给方式或抛光液的粘度，随时调整间隙来 实现。也可以通过使用一种不同硬度的材料作为样件，利用两者之间的不同加工 量进行间隙调整。采用后一种方法时，可在普通抛光设备上实现p - m a c 抛光。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 非接触抛光 非接触抛光是指使工件与抛光盘在抛光是不发生接触，仅用抛光液冲击工件 表面，以获得完美晶体结构和精确面型的加工表面的抛光方法。e e m 、浮法抛 光等都属于这种接触方式。该方法的去除量为几个到几十个原子，可用于加工功 能晶体材料元件( 强调表面的晶格完整性) ，也可用于加工光学元件( 强调高面 形精度和极低的粗糙度值) 。 日本大阪大学森勇藏( y m o r i ) 等人发展的弹性发射加工【1 2 i ( e e me l a s t i c e m i s s i o nm a c h i n i n g ) 技术，采用浸液工作方式，利用在工件表面高速旋转的聚氨酯 小球带动抛光液中粒度为几十纳米的磨料，以尽可能小的入射角冲击工件表面， 使工件表层材料被弹性的去除。e e m 以原子级的加工单位来去除工件材料，工 件表层无塑性变形，不产生晶格转位等缺陷，对加工功能晶体材料极为有利。 日本的y n a m b a 等技术人员为加工抛光磁头材料，提出了浮法抛光【1 3 i ( f l o a t p o l i s h i n g ) 工艺。使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，将抛 光液覆盖在整个抛光盘表面上，使抛光盘及工件高速旋转，在两者之间抛光液呈 动压液体状态，并形成一层液膜，再利用液膜里的磨料高速冲击工件表面，从而 实现材料的去除。该工艺可获得的表面粗糙度小于0 1 n m ( r m s ) ，平面度小于m 2 0 的超光滑表面。浮法抛光类似于e e m 抛光法，不同之处在于浮法抛光使用的是 硬质锡盘作为磨具，而e e m 法抛光以聚氨酯胶轮作为磨具。 渡边纯二( w a t a n a b ej u n j i ) 利用动压轴承的原理开发了动压浮离抛光【1 4 】 ( h y d r o d y n a m i c t y p ep o l i s h i n g ) 技术，通过在抛光盘沿其圆周方向制有若干倾斜 平面，利用抛光盘转动时产生的液动压，使工件浮离抛光盘表面，通过浮动间隙 中的抛光料微粒对工件进行抛光。因为没有摩擦热和磨具磨损，标准面不会变化， 因此可重复获得精密的工件表面。 j g o m l e y 提出的水面滑行抛光( h y d r o p l a np o l i s h i n g ) 是一种非接触化学抛 光，借助流体压力使工件从抛光盘上浮起，利用具有腐蚀作用的抛光液进行加工 【1 1 1 。该方法适用于g a a s 和i n p 等化合物半导体基片的加工。 l b o l l i n g e r 从化学的角度出发，提出了等离子体辅助抛光【1 5 】( p l a s m aa s s i s t e d c h e m i c a l e t c h i n g ) 技术，利用等离子体与工件表层材料发生作用来去除材料。p a c e 技术最大的问题是加工成本高。 江苏大学硕士学位论文 近年来，场效应辅助抛光技术发展很快，利用和控制电、磁场的强弱，使磁 流体带动磨料对工件施加压力，从而获得高面形精度、低表面粗糙度的表面。适 用于高性能功能陶瓷元件材料的加工，也可用于加工复杂工件表面。 n u m e h a r a 发展了m f p 1 6 l ( m a g n e t i cf l u i dp o l i s h i n g ) 技术，将非磁性磨料混入 磁流体并置于磁场中时，由于磁流体中强磁性微粒的作用，磁流体被吸向高磁场 一侧，同时非磁性磨粒与磁流体的运动方向相反，被推向低磁场一侧。磨粒在磁 流体浮力作用下压向旋转的工件而进行抛光。 进村武男( t s h i n m u r a ) 发展了m a f 1 7 ( m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) 技术， 其基本原理是在磁场中( n 极和s 极之间) 填充磁性细微磨料，在磁场作用下形 成磁力抛光刷，工件在其中边旋转边振动，从而实现抛光。该方法不仅可以加工 磁性材料，也可以加工非磁性金属材料，以及陶瓷、硅片等非金属材料。 日本t a n i i l s 等人开发的电泳抛光( m i g r a t i o np o l i s h i n g ) ，是利用胶体磨粒在 溶液中存在的电泳现象进行抛光的加工方法，可用于加工电子功能陶瓷、结构陶 瓷和金属材料，是一种高效高质量的新型抛光方法。 从9 0 年代中期以来，在美国、俄罗斯、德国、日本等国家广泛的开展了激 光抛光研究，在金刚石薄膜上已经得到了纳米级的表面粗糙度。目前，激光抛光 技术正在金刚石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半导体、金属和绝缘体等材料上进 行广泛的应用研究。 激光抛光( l a s e r p o l i s h i n g ) 翱j 用激光与材料表面相互作用来进行加工的，它 遵循激光与材料作用的普遍规律。激光与材料间的作用方式有：热作用和光化学 作用，可把激光抛光分为热抛光和冷抛光。热抛光是利用激光的热效应，通过熔 化、蒸发等过程来去除材料。因此只要材料的热物理性能好，都可以用它来进行 抛光，但由于温度梯度大而产生的热应力大，易产生裂纹，因此热抛光的效果不 是很好。冷抛光是利用材料吸收光子后，表层材料的化学键被打断或者是晶格结 构被破坏，从而实现材料的去除n 们乜叭。在利用光化学作用时，热效应可以被忽略， 因此热应力很小，不产生裂纹，也不会影响周围材料，而且容易控制材料的去除 量，特别适合于硬脆材料的精密加工。u d r e a 等人利用c 0 2 激光器对光纤的端面 进行抛光，得到的l o o n mr a 表面粗糙度控。 激光抛光是一种非接触抛光，不仅能对平面进行抛光，还能对各种曲面进行 6 江苏大学硕士学位论文 抛光。而且对环境的污染小，可以实现局部抛光，特别适用于超硬材料和脆性材 料的精抛，具有良好的发展前景。但目前激光抛光作为一种新技术还处于发展阶 段，还存在着设备和加工成本高、加工过程中的检测技术和精度控制技术要求相 当高等缺点。 1 3 3 准接触抛光 准接触抛光是指在抛光过程中产生的动压使抛光盘和工件之间存在合适的 间隙，典型的以化学机械抛光为代表。 化学机械抛光( c m pc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 最初是由i b m 公司于 8 0 年代中期开发的一项新技术，这是目前能够提供超大规模集成电路制造过程 中全面平坦化乜羽，而且具有低斜率的整体形貌平坦化技术，用这种方法可以真正 使整个硅圆晶片表面平坦化。c m p 技术主要应用于半导体工业中硅圆晶片的最 终加工以及精密光学系统的制造。 c m p 中材料的去除是机械磨削和化学腐蚀的组合，它借助超微粒子的磨削 作用以及浆料的化学腐蚀作用在被加工材料表面形成光洁平坦表面。在加工过程 中，首先通过抛光浆料腐蚀工件的表层材料，再通过抛光垫和抛光磨料的机械作 用去除腐蚀产生的生成物，这样再对暴露出的新鲜表面进行腐蚀。这种化学作用 和机械作用不断的反复进行，以获得超光滑的加工表面。 目前，c m p 技术已经成为半导体工业中的主导技术之一，并在不断地扩展 其应用领域。但目前人们对c m p 技术还缺少定量方面的知识，需要进一步研究 c m p 工艺的过程参数( 包括抛光压力、转速、温度等) 对表面质量的影响、抛 光布磨料加工表面三者之间的相互作用关系，以及抛光浆料的化学性质对抛光 的影响等。以建立更完善的c m p 理论模型，从而确定最佳的c m p 工艺。 c m p 技术综合了化学抛光和机械抛光的优势，可以得到粗糙度很低的抛光 表面，又可以得到较高的抛光速率，得到的平整度比单纯的化学抛光和机械抛光 高两个数量级，是目前能够实现全面平坦化的唯一方法。工业上化学机械抛光的 方法主要由三种：铬离子抛光、铜离子抛光和s i 0 2 胶体抛光。铬离子、铜离子 化学机械抛光表面平整度较好，曾得到广泛应用，但抛光表面的损伤层较深，因 此目前基本上被s i 0 2 抛光所取代，使用的球形s i 0 2 磨料粒径在1 一1 0 0 m 。此 外也有使用纳米a 1 2 0 3 抛光料的报道旺3 l 。工业上和实验室对纳米粉体的制各广泛 7 程工艺参数以及抛光机械等因素的影响。 1 4 1化学机械抛光( c m p ) 工艺过程参数对抛光质量和抛光速率的影响 为了更好的控制抛光过程，得到更好的表面质量，就需要详细地了解c m p 工艺过程参数所起的作用以及它们之间的相互作用。然而影响作用和机械作用的 因素很多c 2 7 因此在进行化学机械抛光时要综合考虑各种因素，进行合理优化。 1 4 1 1 抛光压力p 抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影响很大。抛光压力的大小会影响晶片 与抛光垫之间的接触方式，从而影响材料的去除方式，进而影响抛光表面质量和 去除率。通常随着抛光压力的增加机械作用增强，抛光速率也增加，但抛光压力 过大会导致抛光速率不均匀、抛光垫磨损增加，以及抛光区域温度升高且不易控 制、出现划痕机率增加，降低抛光表面质量汹3 。 1 4 1 2 相对转速v 工件与抛光垫相对速度也是抛光过程的一个重要变量，它和抛光压力的共同 影响工件与抛光垫之间的接触方式，决定了抛光操作状态。在一定条件下，相对 速度增加，抛光速率增加。如果相对速度过高会使抛光液在抛光垫上分布不均匀， 化学反应速率降低、机械作用增强，从而增大抛光表面损伤：但如果相对速度较 低，则机械作用减小，降低抛光速率汹1 。 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 1 3 抛光温度 一般情况下，随着工作区域温度升高会加强抛光液化学反应能力，使抛光 速率增加。但温度过高会引起抛光液的挥发及快速的化学反应，加重表面腐蚀， 使抛光均匀性降低，抛光质量下降。工作区温度低，化学反应速率低、抛光速率 低、机械损伤严重，因此抛光区应有最佳温度值。通常在粗抛时温度控制在3 8 - - 5 0 ，精抛时温度控制在2 0 3 0 u 训。 1 4 1 4 抛光液浓度、粘度及p h 值 抛光液的浓度主要通过影响有效磨料的数量来影响材料的去除率。一般来 说，随着抛光液浓度的增加，有效磨料的数量随之增加，材料去除率也随之增加， 但当磨粒浓度超过一定值时，材料去除率将停止增加，维持一个常数值【3 l 】。 抛光液粘度也影响抛光液的流动性和传热性。一般来说，抛光液粘度增加， 流动性减小，传热性降低。这会导致抛光液分布不均匀，易造成材料去除不均匀， 降低表面质量。在流体动力学模型中羽，抛光液粘度增加，则抛光液膜最小厚度 增加、液膜在晶片表面产生的应力增加，减少磨粒在硅片表面的划痕，从而使材 料去除增加。抛光液的p h 值对被抛光表面腐蚀软质层的形成、磨粒的分散与溶 解度和悬浮度有很大的影响，从而影响材料的去除率和表面质量r a o 。 1 4 1 5 抛光液的流量 抛光液的流量是影响抛光质量和抛光速率的一个重要因素。如果流量过小， 硅晶片与抛光垫间会缺少足够的薄膜润滑，导致摩擦力增大，使硅晶片表面的温 度分布不均匀，降低抛光表面的平整度。 1 4 1 6 磨料的形状、尺寸及粒径分布 c m p 磨料一般有s i 0 2 、a 1 2 0 3 和c e 0 2 ，分别用于超大规模集成电路制造中 硅晶片、s i 0 2 介质层以及铜布线的化学机械抛光，其尺寸在1 1 0 0 n m 之间。磨 料的形状对抛光表面质量以及抛光速率有很大影响，一般来说磨料为块状或锥形 等不规则形状时，由于磨料本身有棱角，机械作用力大，因而抛光速率较高，但 抛光表面质量较差；而球形磨料的磨料对工件表面的机械作用力相对较小，抛光 表面质量高，抛光速率的不足可以通过增加有效磨料的数量来弥补，所以在硅晶 片的化学机械抛光中磨料基本上选择为球形。一般情况下，磨料的粒径分布越窄 抛光表面质量越好。随着磨粒尺寸增加抛光速率增加，但由于机械作用力的增大 9 太平洋沿线，两家在欧洲，其余在美国c 3 4 目前国内还没生产c m p 设备的厂家。 随着国内超大规模集成制造水平的不断提高，这种矛盾会显得更加突出。c m p 设备目前正在由单头、双头抛光机向多头抛光机发展，结构逐步由旋转运动结构 向轨道和线性运动结构发展，同时更小的设计线宽对c m p 设备也提出了更高的 要求。 1 4 2 2 抛光垫 抛光垫是输送抛光液的关键部件，它的作用是承载抛光液中的磨料粒子，使 其与工件表面发生机械作用，从而实现材料的去除。抛光垫的弹性和剪切模量、 可压缩性及粗糙度影响单个磨料上的作用力和有效磨料的数量，从而影响抛光速 率和抛光表面质量c 2 7 。目前市场上抛光垫大部分都是r o d e l 公司的产品。 1 4 2 3c m p 后清洗设备 工件经c m p 加工后，会有少量浆料残留在表面上，从而影响其表面的质量 及下道工序，因而c m p 的后清洗是c m pj j 口- r 的重要部分。c m p 后清洗方法有 湿式化学浴处理、喷射处理、去离子水及n h 4 0 h 擦洗、超声以及两步抛光等方 法，这些方法可单用或组合使用。湿式化学处理台、酸处理器、用p v a 刷加去 离子水擦洗对氧化物c m p 后处理特别有效。稀h f 作为湿式化学浴处理的一部 分可去除大部分粒子和金属玷污，浸泡时使用超声亦可加强清洗效果c 3 4 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 4 2 4 终点检测装置 c m p 设备开发的难点之一就是如何精确控制和检测去除量3 钉，在c m p 工 艺中，必须有性能良好的检测技术，以避免过抛或抛光不足而导致的成品率下降。 终点检测最精确的方法是直接测量膜的厚度，a p p l i e dm a t e r i a l s 公司开发了一种 在线激光干涉仪，安装在压盘上从硅晶片的背面进行监测。l u x t r o n 公司提供了 一种红外线传感器固定在载片台上，并通过无线电与系统控制器相联，由多路传 感器给出抛光加工的已达范围。 1 4 2 5 硅晶片的质量检测 硅晶片表面质量的监测项目主要有：表面粗糙度、平整度、表面缺陷及损伤 情况。 1 ) 表面粗糙度：评价表面粗糙度的测试技术主要有直接测量和间接测量两 种方法。直接的测量方法有触针式轮廓仪( 如各种型号的a l p h a - s t e p 、d e k t a k 和 t a l y s t e p ) ，及光学式轮廓仪( 如w y k o 、t o p o 、z y g o 等) ，及最近发展的是 各种扫描探针显微技术( 如s t m 、a f m 、m f m 、l f m 等) 。a f m 是利用s t m 的 关键部件开发的一种新型扫描探针显微镜，它是将一个探针及其悬臂放置在样品 表面并处于原子分离的位置，使得探针针尖和样品表面的原子呈现原子间势能的 排斥状态。当探针沿表面扫描时，它会沿着表面形貌而起伏，通过测量探针的位 移，就可以描绘出具有原子分辨率的表面形貌。a f m 最突出的优点是对于非导 电材料也能进行粗糙度分析并获得3 d 空间形貌，目前用于观察8 英寸晶片的 a f m 系统已经商品化。间接的测量方法则一般是采用散射测量技术，包括全积 分散射测量、角分辨散射等，使用x 射线干涉仪、差动干涉仪、同轴干涉仪、 双焦干涉仪和光外差干涉仪等【3 6 1 。 2 ) 平整度：小面积高精度的平面度的测量，常用光学平晶观察其干涉条纹 形状来测量平面度误差。面积较大时，平面度测量可将被测表面划定若干条不同 方向的直线，检测其直线度，综合后即可得到该表面的平面度误差。工业上硅抛 光片平面度的测量方法【3 7 】有光干涉法，以及利用电阻位移传感的电阻法。 3 ) 表面缺陷：抛光片的表面宏观缺陷较多，一般有划道、蚀坑、波纹、桔 皮、麻点、雾状，常用激光粒子计数器、t e m 、f t i r 、t x r f ( 全反射x 射线荧 光光谱分析技术) 、c v 法等哪3 检测表面缺陷。硅晶片的加工变质层可通过逐层 江苏大学硕士学位论文 腐蚀，并用电子衍射法进行逐层观察。 1 5 c e 0 2 磨料的应用现状 磨料作为抛光介质在抛光过程中发挥着重要的作用，它不仅影响材料的去除 率，还影响抛光的表面质量。在工业领域中根据不同的用途，广泛应用金刚石、 氧化铝、氧化铁等许多类型的抛光粉，其中从十九世纪末开始大约4 0 年间氧化 铁( 铁红) 一直被使用作为抛光平板玻璃、光学玻璃等的抛光料。事实上，能抛 光玻璃的抛光料多为三价和四价的金属氧化物，如铁、铝、铈、钛、锆、钍和铬 的氧化物等。但能够作为主要抛光料使用的是氧化铁、氧化铈和氧化锆，其中以 氧化铈的抛光效果最好，氧化锆居中，氧化铁最差。稀土抛光粉开发的历史可追 溯到第一次世界大战，美国及加拿大率先使用以氧化铈为主要成分的稀土抛光 粉，用于高射炮的光学瞄准镜等精密军用机器的抛光，取代了传统的氧化铁抛光 粉。稀土抛光粉同氧化铁相比，抛光速度高，作业时污染少，抛光质量高以及常 使用寿命等优点。正是由于以氧化铈为主要成分的稀土抛光粉的开发，使玻璃的 研磨表面精度得到了很大程度的改善，从而使稀土抛光粉在世界范围内被广泛的 应用。 我国从1 9 5 8 年开始研制氧化铈抛光粉，北京有色金属研究总院、长城光学 仪器厂、云南光学仪器厂、江南光学仪器厂和上海光学仪器厂等单位在6 0 年代 开展了较多的研究工作。分别在以混合稀土、氟碳铈矿和纯氧化铈为原料生产各 种规格的抛光粉方面取得了一些成果，为国内稀土抛光粉的生产与应用奠定了基 础。目前我国的