（机械电子工程专业论文）硬盘盘片化学机械抛光材料去除机理的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 在计算机硬盘技术中，随着硬盘存储器容量及存储密度的快速上升，对磁头磁盘的 表面质量要求也越来越高，化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 是目前 唯一对磁头磁盘表面进行全局平面化的最有效的技术，在实践中已经得到了广泛应用。 c m p 技术是化学腐蚀作用和机械磨损作用相互结合的技术，c m p 过程的精确控制在很 大程度上取决于对其材料去除机理的认识和理解，但是目前对c m p 的材料去除机理、 材料去除非均匀性形成机理、c m p 过程变量和技术等方面的许多问题还没有完全弄清 楚，在很大程度上人们还是依赖于经验或半经验的手段控制c m p 过程。 本文简介了c m p 技术的基本工作原理及研究现状，着重介绍了c m p 的材料去除机 理，根据c m p 系统各变量对c m p 材料去除的作用性质及使用的理论对c m p 的材料去 除机理从机械作用和化学作用两方面分别进行研究。对c m p 过程中机械作用的研究主 要通过分析抛光垫、研磨颗粒和被抛光表面两两之间的接触情况，建立了抛光垫凸起的 变形分别为塑性变形和弹性变形时c m p 机械作用的去除模型，并用m a t l a b 软件对该 模型进行模拟获得了抛光压力、抛光垫与被抛光工件间的相对运动速度及抛光液中的颗 粒浓度三个过程变量对c m p 材料去除速率的影响。对c m p 过程中化学作用的研究着重 研究了c m p 的抛光工具为轨道工具时c m p 化学去除速率的影响因素，通过分析c m p 化学作用去除模型中抛光垫与被抛光工件的相对运动关系以及抛光液的流动规律，得出 了相对运动速度随被抛光表面半径及抛光垫轨道速度的变化关系、抛光垫表面上液体压 力的分布情况及化学物质氨基乙酸的浓度分布情况，并在此基础上重点分析了氨基乙酸 浓度和抛光垫的轨道速度两个变量对化学去除速率的影响；最后在该化学去除模型中综 合考虑机械去除作用，简单分析了机械作用与化学作用的相互作用对c m p 总的材料去 除速率的影响。 本文的研究成果将为提高硬盘表面加工质量，精确控制c m p 过程及其终点检测提 供重要的理论依据，使c m p 过程更加稳定且易于实现自动化控制。 关键词：化学机械抛光，材料去除速率，机械去除，化学去除 山东建筑大学硕士学位论文 m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mo fc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n go ft h e s u b s t r a t ef o rh a r dd i s kd r i v e s z h a n gj i a n ( m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys h ib a o j u n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs t o r a g ea n dd e n s i t y , t h es u r f a c er o u g h n e s so ft h ed i s ka n d d i s kh e a ds h o u l db ei m p r o v e ds t e pb ys t e p c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) i st h eo n l y e f f e c t i v et e c h n o l o g yf o rg l o b a lp l a n a r i z i n gt h a th a sb e e nu s e dw i d e l yi np r a c t i c e c m pi st h e t e c h n o l o g yt h a tc o m b i n i n gt h em e c h a n i c a la b r a s i o nw i t hc h e m i c a lr e a c t i o n t oag r e a te x t e n t ， a c c u r a t ec o n t r o lo fc m pp r o c e s sd e p e n d so nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h em a t e r i a lr e m o v a l m e c h a n i s mi nc m p h o w e v e rt h ec m pm e c h a n i s ms u c ha sm a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m ， f o r mm e c h a n i s mo ft h em a t e r i a lr e m o v a ln o n u n i f o r m i t ya n di n f l u e n c i n gl a wo ft h ep r o c e s s v a r i a b l eo nm a t e r i a lr e m o v a lh a sn o tb e e nu n d e r s t o o dc o m p l e t e l y t h ec o n t r o lo fc m p p r o c e s s m a i n l yd e p e n d so nt h es e m i e m p i r i c a lo re m p i r i c a lm e a n s i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ea n dt h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti nc m pa r ei n t r o d u c e da n d s u m m a r i z e d ，e s p e c i a l l yt h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mo fc m et h em a t e r i a lr e m o v a l m e c h a n i s mo fc m pi ss t u d i e db ym e c h a n i c a la n dc h e m i c a lr e m o v a lm e c h a n i s ma c c o r d i n gt o t h eu s en a t u r ea n dt h et h e o r yo fc m p s y s t e mv a r i a b l e s i nt h es t u d yo fm e c h a n i c a lr e m o v a l m e c h a n i s mt h em a t e r i a lr e m o v a lm o d e la c c o m m o d a t i n gb o t hp l a s t i ca n de l a s t i cd e f o r m a t i o n o fp a da s p e r i t yi sp r o p o s e db ya n a l y z i n gt h ec o n t a c to ft h ep o l i s h i n gp a d ，a b r a s i v ep a r t i c l e s a n dt h ep o l i s h e ds u r f a c e t h em o d e li ss i m u l a t e db ym a t l a bt op r e d i c tt h ee f f e c to ft h r e e v a r i a b l e ss u c ha sp r e s s u r e ，r e l a t i v ev e l o c i t yb e t w e e np a da n dt h ep o l i s h e ds u r f a c ea n dt h e a b r a s i v ec o n c e n t r a t i o no nc m pm a t e r i a lr e m o v a lr a t e i nt h es t u d yo fc h e m i c a lr e m o v a l m e c h a n i s mt h ef a c t o r se f f e c t i n gc m pm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea r em a i n l ys t u d i e dw h e no r b i tt o o l i su s e di nc m p t h ei n f l u e n c eo ft h er a d i u so ft h ep o l i s h e ds u r f a c ea n dt h ep a do r b i ts p e e do n t h er e l a t i v ev e l o c i t yb e t w e e np a da n dt h ep o l i s h e ds u r f a c ei si n v e s t i g a t e db ya n a l y z i n gt h e r e l a t i v em o t i o nb e t w e e np a da n dt h ep o l i s h e ds u r f a c e t h el i q u i dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n d g l y c i n ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h es l u r r yf l u i dm e c h a n i c s o n i i 山东建筑大学硕士学位论文 t h i sb a s et h ee f f e c to ft h eg l y c i n ec o n c e n t r a t i o na n dt h ep a do r b i ts p e e do nt h ec h e m i c a l r e m o v a lr a t ei sm a i n l yd i s c u s s e d a n df i n a l l yt h em e c h a n i c a lr e m o v a li sa c c o m m o d a t e di nt h e c h e m i c a lr e m o v a lm o d e lt oa n a l y z et h ee f f e c to ft h er e c i p r o c i t yo fm e c h a n i c a lr e m o v a la n d c h e m i c a lr e m o v a lo nt h et o t a lc m pm a t e r i a lr e m o v a lr a t e t h ea c h i e v e m e n to ft h i sp a p e rc a np r o v i d et h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lg u i d ef o rc m p t e c h n o l o g y , w h i c hc a ni m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo fd i s ka n dc o n t r o lc m pp r o c e s sa c c u r a t e l y t om a k ec m p p r o c e s sa u t o m a t e da n d s t a b i l i z e d k e yw o r d s ：c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，m e c h a n i c a l r e m o v a l ，c h e m i c a lr e m o v a l i u 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：丕盈立一日期籼f 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：羔整螬l 一日期主霉芦二笪一 导师 签名： 辨 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章一绪论 1 1c m p 技术的应用与发展 计算机的核心部件有c p u 和硬盘，硬盘是由磁头和硬质盘片组成的磁记录系统，硬 盘的读写是由磁头和磁盘间的高速旋转运动实现的，随着硬盘磁存储密度的快速上升， 磁头与磁盘介质之间的距离进一步减小，对磁盘表面质量的要求也越来越高，另外磁头、 磁盘的表面粗糙度、波纹度和纳米划痕会影响磁头的飞行稳定性和表面抗腐蚀性，这就 要求在硬盘盘片的抛光中制造出能够使磁头浮动高度更小、表面光滑度更优、没有表面 缺陷( 凸起划痕和凹坑) 的表面，为了满足磁头磁盘的表面粗糙度和波纹度的要求，近 年来采用了化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，简称c m p ) 技术对硬盘盘片 表面进行精加工 1 1 。 c m p 并不是一项新技术，已经被应用于玻璃抛光很多年，c m p 技术最早出现是在 军事上，二战中德国曾把它用在望远镜镜片的抛光上。2 0 世纪8 0 年代中期，为满足光 刻工艺的平坦化要求，由i b m 公司利用s t r a s b u r g h 公司生产的抛光机在e a s tf i s h k i l l 工 厂进行工艺开发，1 9 8 8 年i b m 开始将c m p 工艺用于4 m bd r a m 器件的制造 2 1 。1 9 9 0 年i b m 公司便将其c m p 技术工艺转让给m i c r ot e c h n o l o g y 公司，不久又与m o t o r o l a 公 司联合，1 9 9 1 年i b m 将化学机械抛光技术成功应用到6 4 m bd r a m 的生产中，这标志 着c m p 技术广泛应用的开始，之后各种逻辑电路和存储器以不同的规模走向c m p ，c m p 技术从实践中发展起来。尽管c m p 技术有着广泛的应用，且从应用中发展出来，但c m p 技术还是一门黑箱技术，现在尚缺乏理论上深入的研究，人们需要利用经验或半经验的 数据来优化c m p 过程中的各个参数。 1 1 1c m p 技术的基本原理 c m p 技术的基本原理如图1 1 ，将待抛光工件在一定的压力及抛光液( 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，借助抛光 液中磨粒的机械磨削及化学氧化剂的化学腐蚀作用来完成对工件表面的材料去除，并获 得光洁表面【3 】。人们称这种c m p 为游离磨料c m p ，在c m p 中由于选用比工件软或者与 工件硬度相当的磨粒，在化学反应和机械作用的共同作用下从工件表面去除极薄的一层 材料，因而可以获得高精度、低表面粗糙度、无加工缺陷的工件表面。 山东建筑大学硕士学位论文 一抛光穰袖堪袭置 抛光涟( 装科 一* 光垫 图11 典型c m p 过程的示意图 在化学机械抛光时，首先是存存于工件表而和抛光垫之i a j 的抛光液中的氧化剂、催 化剂等与工件表面材料进行化学反应，在工件表面产生一层化学反应薄膜，然后由抛光 液中的磨粒和由高分子材料制成的抛光垫通过机械忭h 将这一层化学反应薄膜去除掉， 使工件表面重新裸露出来，然后再进行化学反应，这样在化学成膜和机械去膜的交替进 行中完成1 二件表面抛光，凼此c m p 技术是化学作片】和帆械作用相结台的技术。 112 c m p 技术的特点 传统上的抛光按作用方式可分为两类：化学抛光和机械抛光，化学抛光是指通过抛光 液中的化学成分与被抛光材料发生腐蚀而将材料表面粗糙度降低的过程；机械抛光是指 通过抛光液中的研磨介质与材料表面粗糙部分进行充分接触，从而降低材料表面粗糙度 的过程 。单纯的化学抛光精度较高，抛光产生的破坏深度较浅，但抛光速度慢，平行 度平整度及抛光一致性较差，容易产生抛光雾斑。单纯的机械抛光抛光一致性好，被抛 光材料表面平行度好，但精度较低，产生的破坏深度较深，抛光速度慢，还容易产生机 械损伤。而c m p 技术兼有化学抛光和机械抛光的优点，实现了对抛光材料的全局平面 化平整，从而极大地提高了抛光质量和生产效率、降低了生产成本，c m p 也是目前唯一 可以实现全局平面化的平坦化技术，图12 为c m p 技术与其他抛光技术的比较口 。 山东建筑大学硕士学位论文 化掌机陂糟光 翻化 馔护爱鬣j i 蚀 蝰泠玻璃 疆啊琏玻璃目漉 淀毒；卜腐蚀吨霸 化学气相灞 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 01 0 0 0 0 i 爨暖墙l 嚣1鞴 1 1 0 两哪 化 化 图1 2c m p 技术与其他平坦化技术的比较 1 1 3c m p 技术的三大要素 c m p 技术所采用的设备及消耗品主要包括：抛光机、抛光液、抛光垫、后c m p 清 洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等，一个完整的c m p 工 艺主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成，其中抛光机、抛光液和抛光垫是c m p 工艺的三大关键要素，其性能和相互匹配决定c m p 能达到的表面平整水平。 抛光机是c m p 的基础，大多数由抛光底盘、抛光头、在线检测装置及其它部件组 成，大多数的生产型抛光机都有多个抛光头，以适应不同材料的需要，c m p 抛光机目前 正在由单头抛光机、双头抛光机向多头抛光机发展，结构逐步由旋转抛光结构向轨道抛 光结构和线性抛光结构方面发展。 抛光液一般由超细固体颗粒研磨剂( 如纳米s i 0 2 、a 1 2 0 3 粒子等) 、表面活性剂、稳 定剂、氧化剂等组成，抛光液在c m p 过程中的作用主要有以下四个方面：( 1 ) 抛光液 同时提供机械作用和化学作用，抛光液中的化学物质主要提供化学腐蚀作用，抛光液中 的研磨颗粒与抛光垫的机械特性共同提供机械磨削作用；( 2 ) 抛光液作为抛光垫和被抛 光材料之间的润滑薄膜可以减少两者之间的摩擦；( 3 ) 抛光液在c m p 过程中带走被抛 光材料和抛光垫摩擦产生的热量；( 4 ) 抛光液随抛光垫的旋转在流动的过程中带走被抛 光材料表面上c m p 的副产物。抛光不同的材料需要不同的抛光液，s i 0 2 ，a 1 2 0 3 和c e 0 2 是应用最广泛的研磨颗粒。抛光液的化学成分及浓度、研磨颗粒的种类、大小、浓度、 抛光液的粘度、p h 值、流速等对c m p 过程中的材料去除速度都有影响。 抛光垫表面是一层具有多孔性结构的高分子材料，传统上抛光垫都是由聚氨酯泡沫 山东建筑大学硕士学位论文 体或是注入聚亚氨酯的毛毡做成的，可以满足化学钝性的要求。抛光垫在c m p 过程中起 着储存抛光液以及将抛光液中的研磨颗粒送入片子表面并去除磨削的作用。抛光垫的机 械性能，如硬度、弹性和剪切模量、毛孔的大小及分布、可压缩性、粘弹性、表面粗糙 度以及抛光垫使用的不同时期对抛光速度及最终平整度起着重要作用。 1 1 4c m p 过程的输入输出变量 c m p 系统是一个多输入多输出变量的动态过程，c m p 过程变量多而复杂且具有交 互作用，c m p 过程变量的变化会直接影响到被抛光工件和抛光垫之间的关系及c m p 的 材料去除机理。c m p 系统的输入变量主要有设备过程变量、被抛光工件自身变量、抛光 垫变量、抛光液变量等，输出变量主要有被抛光工件的表面质量、被抛光工件的表面材 料去除率、被抛光工件表面的材料去除非均匀性等，如图1 3 所示。 图1 3c 系统输入及输出变量 1 1 5c m p 的抛光工具 根据c m p 过程中抛光垫的运动形式可以将c m p 的抛光工具分成三类：线形抛光工 具、旋转抛光工具和轨道抛光工具三种【6 1 。在线性抛光工具中被抛光工件以本身中心为 圆心旋转的同时抛光垫以直线运动形式经过被抛光工件；在旋转工具中抛光垫和被抛光 工件都以同样的旋转中心同时做旋转运动，在这种旋转工具中抛光液首先被输送到抛光 山东建筑大学硕士学位论文 垫的中心区域然后在抛光垫旋转产生的离心力的作用下充满被抛光工件与抛光垫间的整 个间隙，这是工业中最常见的抛光工具；在轨道工具中被抛光工件还是以自身的中心为 圆心旋转，而此时抛光垫的中心绕着另一个轨道旋转，且这个两个旋转中心间存在一个 偏移量，所以在轨道工具中抛光垫上每个点的线速度都是相等的，轨道工具中抛光液传 输系统与上两种都是不同的，抛光液通过抛光垫下面均匀分布的输入孔直接输入到被抛 光工件与抛光垫间的间隙。 1 2c m p 技术的研究现状 尽管c m p 被认为是获得光滑无损伤表面的最有效方法，并且己经广泛应用于集成 电路芯片、计算机硬磁盘、微型机械系统( m e m s ) 、光学玻璃等表面的平整化，但目前 对c m p 的材料去除机理、材料去除非均匀性形成机理、过程变量和技术等方面的许多 问题还没有完全弄清楚，而抛光过程变量的微小变化会直接影响到抛光系统三大要素： 被抛光工件、抛光液和抛光垫之间的依赖关系，从而影响到c m p 的表面材料去除率、 材料去除均匀性及表面质量的变化等r 7 1 。国外在c m p 理论与技术方面的研究已经取得了 一定的进展，而我国国内在c m p 理论与技术方面的研究不多，研究起步较晚，主要生 产商基本上是全套引进国外技术，包括c m p 设备、抛光液配方及抛光液中的纳米磨粒 等。 目前c m p 的抛光液通常使用球形纳米级颗粒来加速切除和优化抛光质量，如胶体 s i 0 2 粒子，改变了抛光液的流变性能，可以用微极性来表征这类流体的流变性能。张朝 辉掣8 】给出了考虑微极性效应的c m p 运动方程，并进行了数值求解，数值模拟结果表明， 微极性将提高抛光液的等效粘度，从而在一定程度上提高其承载能力，加速材料去除。 这在低节距或低转速下尤为明显，体现出尺寸依赖性。抛光液研究的最终目的是找到化 学作用和机械作用的最佳结合，以致能获得去除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选 择性高的抛光液，目前抛光液的研究以i l d ( i n t e r 1 e v e ld i e l e c t r i c a ll a y e r ) c m p 、金属 c m p ( 如钨c m p ) 为主，随着集成电路工艺的发展，研究的重点正转移到用铜做层间引线 的领域上来，铜c m p 作为微型器件的主要加工工艺，各国均在加紧工艺研究【9 1 。周国安 【1 伽等分析了铜c m p 的材料去除过程、影响因素及抛光液的重要作用，讨论了酸性和碱性 两种铜抛光液的组成和一些组分的功能，指出了今后抛光液的研究方向。另外在c m p 过 程中抛光不同的材料所需的抛光液组成、p h 值也不相同，在镶嵌钨c m p t _ 艺中典型使 用铁氰酸盐、磷酸盐和胶体s i 0 2 或悬浮a 1 2 0 3 粒子的混合物，溶液的p h 值在5 0 - - - 6 5 之间； 山东建筑大学硕士学位论文 抛光氧化物的抛光液一般以s i 0 2 为磨料，p h 值一般控制在p h 1 0 ；而金属的c m p 大多选 用酸性条件，以保持较高的材料去除速率】。 抛光垫的机械性能，如硬度、弹性和剪切模量、毛孔的大小及分布、可压缩性、粘 弹性、表面粗糙度以及抛光垫使用的不同时期对抛光速率及最终平整度起着重要作用。 张朝辉等【1 2 】建立了一个初步的二维流动模型来考虑抛光垫的弹性、孔隙参数、粗糙度对 抛光液流动性能的影响，并通过数值模拟得出了它们对压力分布和膜厚等的作用。s h i 等【1 3 】建立了用软抛光垫抛光时的抛光速率方程，认为抛光垫的硬度对抛光均匀性有明显 的影响。s i k d e r 等【1 4 】采用一种通用的微摩擦计对抛光垫在压力下的形变行为进行研究并 分析了抛光垫的机械粘弹性能及表面形貌。c h e n 等【l5 】研究了抛光垫修整过程中的特征， 从试验数据推导了抛光垫的磨损速率方程，得出了为达到均匀的抛光垫形貌所需要遵守 的设计准则。c m p 中抛光垫的主要研究方向是改进抛光垫材料、提高其抛光性能、延长 其使用寿命从而减d , 2 n 工损耗。 1 3 课题来源、意义及研究内容 1 3 1 课题来源与意义 c m p 技术被认为是目前唯一能实现全局平面化的平坦化技术，在研磨颗粒的机械磨 削和抛光液中化学氧化剂的化学腐蚀相互作用下实现被抛光工件表面的高质量要求，在 集成电路芯片、计算机硬磁盘、微型机械系统、光学玻璃等表面的平整化中已经得到广 泛应用。然而c m p 系统是一个多输入多输出变量的动态过程，c m p 的过程变量多而复 杂且具有交互作用，c m p 过程变量的变化会直接影响到被抛光工件和抛光垫之间的关系 及c m p 的材料去除机理。另外由于c m p 的材料去除机理涉及到摩擦学、接触力学、弹 塑性力学、材料科学、化学及化学反应动力学、物理学等许多学科的知识，目前对c m p 过程中的材料去除机理、材料去除非均匀性形成机理、过程变量和技术等很多本质现象 仍不能进行很好地解释，致使c m p 的过程变量难以控制，在很大程度上还是依赖于实 验数据，这就要求从理论上对c m p 过程中的材料去除机理进行系统的研究，通过建立 c m p 过程中被抛光工件和抛光垫间的相对运动关系、抛光液的流动机理及抛光垫表面上 氨基乙酸的浓度分布等模型来研究c m p 过程中机械作用分量和化学作用分量的c m p 材 料去除速率，通过调整c m p 的过程变量以增大总的c m p 材料去除速率，提高被加工表 面的表面质量，从理论上精确地控制c m p 过程及其终点检测，使c m p 的加工过程更加 稳定且易于实现自动化控制以提高生产率。 山东建筑大学硕士学位论文 本课题受国家自然科学基金重点项目( u 0 6 3 5 0 0 2 ) 和山东省自然科学基金重点项目 ( z 2 0 0 8 f 0 6 ) 资助。 1 3 2 研究内容 本课题主要研究内容是在深入理解c m p 技术基本原理的基础上，研究c m p 技术的 材料去除机理。由c m p 技术的基本原理可知c m p 技术是在抛光液中的化学物质的化学 腐蚀作用和研磨颗粒及抛光垫的机械磨削作用的相互作用下对被抛光工件表面进行材料 去除从而达到被抛光表面的高质量要求的。本课题首先通过分析抛光垫、研磨颗粒和硬 盘盘片两两之间的接触情况，建立了抛光垫凸起的变形为塑性变形和弹性变形两种变形 情况下c m p 机械作用的去除模型，并用m a t l a b 软件对该模型进行分析获得了抛光压 力、抛光垫与被抛光工件间的相对运动速度及抛光液中的颗粒浓度三个过程变量对c m p 材料去除速率的影响关系；接着建立了铜c m p 过程中化学作用的去除模型，在该模型 中选取c m p 的抛光工具为轨道工具分析了抛光垫与被抛光工件的相对运动关系和抛光 液的流动规律，得出了相对运动速度随被抛光表面半径及抛光垫轨道速度的变化关系、 抛光垫表面上抛光液的液体压力分布及抛光液中的化学物质氨基乙酸浓度的分布情况， 在此基础上重点分析了氨基乙酸浓度和抛光垫的轨道速度两个过程变量对c m p 化学去 除速率的影响；最后对该化学去除模型进行修正加入了机械去除分量，简单分析了机械 作用与化学作用的相互作用对总的c m p 材料去除速率的影响。经过三年的努力，完成 了“硬盘盘片化学机械抛光去除机理的研究”的研究工作，学位论文主要包括以下内容： ( 1 ) 搜集和阅读国内外c m p 技术的研究资料，认识到c m p 技术是目前唯一能够 实现全局平面化要求的平坦化技术，总结国内外研究者关于c m p 技术的主要研究成果， 了解c m p 技术的研究现状以及发展动态，指出c m p 技术的未来发展趋势。 ( 2 ) 对c m p 过程中被抛光硬盘盘片、抛光垫以及研磨颗粒两两之间的接触情况进 行分析，建立抛光垫凸起的变形分别为塑性变形和弹性变形两种变形情况下c m p 机械 作用的去除模型，用m a t l a b 软件对该模型进行模拟，分析抛光压力、抛光垫与硬盘 盘片间相对运动速度及抛光液中的颗粒浓度三个过程变量对c m p 材料去除速率的影响。 ( 3 ) 重点分析c m p 抛光工具为轨道工具时c m p 过程中抛光垫与被抛光工件间的 相对运动关系以及抛光液的流动机理，得出抛光垫与被抛光工件相对运动速度的函数表 达式及抛光垫表面上的液体压力分布与氨基乙酸浓度的分布情况。 ( 4 ) 用m a t l a b 软件对化学去除模型进行模拟，分析氨基乙酸浓度和抛光垫轨道 山东建筑大学硕士学位论文 速度两个过程变量对c m p 材料去除速率的影响。 ( 5 ) 综合c m p 过程中的机械磨削作用和化学腐蚀作用，对化学去除模型进行修正 同时考虑机械去除分量的影响，获得氨基乙酸浓度和抛光垫轨道速度对总的c m p 材料 去除速率的影响。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章c m p 材料去除机理的基本理论 c m p 技术是化学作用和机械作用相结合的技术，抛光过程变量多而复杂，且具有交 互作用，因而人们对c m p 材料去除机理的理解程度，直接决定了对c m p 过程控制的难 易程度。c m p 过程变量的变化会直接影响到被抛光工件和抛光垫之间的相互运动关系及 c m p 的材料去除机理，这就使得化学机械抛光的材料去除机理变得复杂且难以控制。例 如，抛光垫的表面粗糙度在抛光过程中会随抛光时间的变化而变化，其粗糙度的变化会 影响到被抛光工件表面的材料去除速率；抛光垫表面磨损的非均匀性也会影响到被抛光 工件表面的材料去除速率；抛光压力不仅影响被抛光工件与抛光垫问的实际接触面积， 而且影响c m p 系统的摩擦进而影响到c m p 过程中的化学反应速度最终影响到c m p 的 材料去除速率。另外由于被抛光工件的表面材料种类多、性质也不同，要实现均匀去除 和有选择的去除较困难。本章首先详细介绍了c m p 去除机理的研究现状及研究c m p 去 除机理用到的相关理论，接着分析了两种典型的c m p 去除模型。 2 1c m p 材料去除机理的研究现状 c m p 的材料去除机理涉及到摩擦学、接触力学、弹塑性力学、材料科学、化学及化 学反应动力学、物理学等许多学科的知识，由于对c m p 材料去除机理认识的局限性， 目前在c m p 过程中仍有很多本质现象还不能进行很好地解释，使得c m p 的过程变量难 以控制，在很大程度上人们还是依赖于用实验数据调整c m p 机床，通过经验或半经验 的手段控制c m p 过程及其终点检测，造成被抛光工件的表面质量难以提高，加工过程 不稳定，不易实现c m p 的自动化控制，生产率低等问题。为了更进一步的提高被抛光 工件的表面抛光质量并精确地控制c m p 过程，必须对c m p 的材料去除机理进行深入的 理解和研究，从而为c m p 其它方面的技术研究提供理论基础，因此对c m p 材料去除机 理的研究显得尤为重要和迫切。 众多的研究者已经从化学、物理、机床与控制及终点检测等方面对c m p 的材料去 除机理进行了大量的研究。在c m p 机床研究方面，从最初只有一个简单的机械手系统 ( 用于传输和安装硅片) 的第一代抛光机到目前的干进干出全自动化操作的第三代抛光 机，其复杂程度逐渐增加，生产能力不断提高，用以满足c m p 的生产需求。周国安等【i 6 】 以s i 0 2 、s i o f 、s i o c s p 、s i o c n s p 、s i 2 0 c s o 五种材料为研究对象，根据五种材料抛 光前后的实验数据表面形态图表，判断出抛光后材料粗糙度的走向，指出低介电常数材 料需要完善的工艺及对抛光设备的进一步要求。在硅片终点检测控制方面，研究了基于 山东建筑大学硕士学位论文 化学和物理原理的终点检测装置等。 在化学方面，研制了各种适合于不同抛光对象的抛光液，研究了抛光液的化学成份 对c m p 材料去除率及表面质量的影响，如p h 值、化学性质、氧化剂、缓蚀剂、拟制剂、 表面活性剂、腐蚀剂、各成份的浓度、含量等，应用化学理论与实验，研究了不同抛光 对象的化学反应机理。l e i 1 7 , 1 8 等系统研究了纳米s i 0 2 抛光液对镍磷敷镀的硬盘基片的 化学机械抛光性能，发现抛光液的抛光性能与抛光液中纳米s i 0 2 粒子的粒径及浓度、氧 化剂的用量、抛光液的p h 值、抛光液的流量等均有关，并得出适宜的抛光液组成为： 粒径3 0 n m 和浓度5 - 6 、氧化剂的用量1 - 2 、抛光液的p h 值1 8 、流量不小于3 0 0 m l m i n ， 但是过大的流量对抛光性能没有进一步提高，只会增加成本。朱永华【l9 】等采用纳米s i 0 2 作为抛光磨料在不同抛光液条件下( p h 值、表面活性剂、润滑剂等) 对玻璃基片c m p 去除速率和表面质量的变化规律进行了研究，并利用原子力显微镜和光学显微镜观察了 抛光表面的微观形貌。b a s i m 【2 0 】等发现随着研磨颗粒尺寸及浓度的增加抛光后氧化膜表 面的缺陷增加且抛光机理发生相应变化，因而为了获得满意的抛光结果，必须采取有效 的方法去除抛光液中的大颗粒。m a z a h e r i 等【2 1 】研究了c m p 中研磨颗粒的表面粗糙度对 c m p 材料去除速率的影响，发现相同直径时表面不平磨粒的渗透深度比球形磨粒大，但 去除率比后者小。王相田等【2 2 】研究了分散法制备s i 0 2 浆料时，水溶液p h 值、分散时间、 搅拌速度、分散工艺等与浆料稳定性的关系。s u r e s h 2 3 】分别建立了抛光垫凸起为大小相 等的球形和抛光垫凸起服从高斯分布两种情况下的c m p 模型，模拟结果得出了使c m p 材料去除速率达到最大值时研磨颗粒半径的平均值。 在物理方面，一方面应用接触力学、流体力学、摩擦与磨损等理论研究了c m p 的 材料去除机理，研究了抛光垫材料、物理力学性能、磨粒种类、尺寸与含量等对c m p 材料去除率及表面质量的影响。l e i 2 4 】等在硬盘表面的c m p 中使用了一种氧化铝为核心， 硅为表面的新型磨粒。结果表明相对于在c m p 抛光液中大量使用的高硬度的口一氧化铝 磨粒，使用新型磨粒加工的表面具有更低的平均粗糙度r a ，平均波纹度w a 和更少的微 划痕数量。张建新等【2 5 】以l b 2 m e r 模型为理论指导，对恒液面聚合生长法制备大粒径、 低分散度硅溶胶研磨料的粒径增长阶段进行了机理分析，制得了符合高质量、高效率 c m p 专用的大粒径( 平均粒径为1 1 2 n m ) 、低分散度( 接近于1 0 0 ) 硅溶胶研磨料。另 一方面研究了抛光垫材料、表面结构、抛光垫修整器、修整时间等方面对材料去除率的 影响。张朝辉等 2 6 】通过假定孔质层流体服从达西( d a r c y ) 规律即流动速度正比于压力 梯度而反比于粘度提出了在c m p 中考虑抛光垫特性的三维流体模型，并给出了流动方 山东建筑大学硕士学位论文 程，发现当抛光垫的孔径尺寸较小和其孔质层较厚时有较大的承载能力( 包括载荷与转 矩) ，从而将提高c m p 的材料去除率。t h a h w t a 等【2 7 】考虑抛光垫的可压缩性、多孔性和 抛光液的传输方式建立了c m p 的平面化模型，发现不同抛光垫会影响抛光垫与被抛光 工件间的液膜厚度，进而影响c m p 材料去除速率的大小。s t a v r e v a 等【2 8 】对比了压缩性不 同的i c l 0 0 0 与i c l 0 0 0 s u b a i v 两种抛光垫，发现可压缩性大的i c l 0 0 0 s u b ai v 抛光 垫表现出更高的片问均匀性和抛光速率。m o y 等【2 9 】分析了钨和氧化物c m p 过程中聚氨 酯抛光垫的降解和磨损。l u 3 0 】等对新的和使用过的聚氨酯抛光垫的物理化学改变进行了 定量研究，发现使用后的抛光垫的物理改变( 如毛孔尺寸、粗糙度等) 比化学改变更大， 且这些改变对抛光垫的c m p 性能影响很大。“等【3 1 】研究了s i 0 2 膜抛光性能与抛光垫在 水中浸泡时间、抛光垫前处理状态、抛光垫表面温度间的函数关系，认为抛光垫的前处 理对于c m p 性能至关紧要。 众多研究成果表明c m p 技术的研究重点是对c m p 材料去除机理的研究，c m p 过程的 精确控制在很大程度上取决于对其材料去除机理的认识和理解。理解c m p 机理的一个重 点就是了解抛光液的流动规律，s u n d a r a r a j a n 等 3 2 】求解r e y n o l d s 方程给出了抛光液的膜厚 和压力关系。c h o 和p a r k 3 3 ，3 4 1 建立了一流动模型来描述硅片c m p 过程，张朝辉等【3 5 】建立 了三维流动模型，并且研究t c m p 中液体的流动规律阳。s t e i n 等【3 7 】研究了金属钨在含 k 1 0 3 的a 1 2 0 3 的抛光液中进行c m p 的动力学过程，发现抛光速率与k 1 0 3 浓度、a 1 2 0 3 浓度、 抛光压力、转速、抛光垫类型均有关，力n - r _ 温度与除k 1 0 3 浓度外的以上因素有关，表明 在a 1 2 0 3 磨粒与钨表面间的化学、物理相互作用很复杂，并且在钨c m p 中起重要作用。 j i n d a l 等【3 列研究了含a 1 2 0 3 和s i 0 2 混合颗粒的抛光液在金属铜大马士革抛光中的效果，得 到了满意的c m p 特性。m u l l a n y 等【3 9 】采用理论和试验方法研究了抛光液粘度的影响，结 果表明抛光液粘度的变化对硅晶片c m p 中的材料去除速率有影响。杜宏伟等【4 0 】通过化学 腐蚀方法研究了l i t a 0 3 晶片化学机械抛光的化学腐蚀机理，研究了l i t a 0 3 单晶化学机械 抛光过程腐蚀作用的主要影响因素及其影响规律，获得了l i t a 0 3 晶片c m p 过程有效的氧 化剂和稳定剂，分析了晶片表面在不同抛光液条件下发生的变化，为进一步探讨化学机 械抛光机理提供了依据。 由c m p 技术的基本原理可知c m p 过程是化学和机械复合作用的复杂过程，因此研 究c m p 去除机理的另一个重点是分析c m p 过程中机械作用与化学作用相互作用对材料 去除速率的影响。苏建修等【4 1 设计了3 种不同的抛光液并进行一系列抛光试验，得到机 械、化学及其交互作用所引起的材料去除率，分析了化学机械抛光时硅片与抛光垫之间 山东建筑大学硕士学位论文 接触形式的判别方法及其抛光机理。结果表明：化学机械抛光中的主要作用为磨粒的机 械作用；材料的去除率主要为磨粒与抛光液交互作用引起的。王永光等【4 2 】通过对表面原 子或分子氧化去除动态平衡模型的分析，应用概率统计方法推导了单个颗粒多分子层薄 膜的非连续去除模型，该模型在特定条件下应用图形分析法找到了化学作用与机械作用 协调的半经验公式，结果表明材料去除率与去除层数呈指数关系，增加化学作用并不能 增大材料去除率，机械化学协调作用时，材料去除速率达到极值。 c m p 过程中合适的工艺条件对c m p 加工性能的影响至关重要，随着具体试验条件 的不同，工艺参数如抛光压力、转速、抛光时间等以不同的方式和程度影响c m p 的材 料去除机理及最终的抛光效果。吴雪花【4 3 通过正交实验分析了c m p 过程中抛光压力、 抛光盘转速、抛光液流量及抛光盘的摆动速度和摆动幅度五个工艺参数，得出了硅片表 面粗糙度和材料去除速率的最优方案；胡波 利用摩擦模拟实验机研究了速度和压力对 硬盘盘片材料去除量的影响。h oc h e n g 等【4 5 】考察了动力学变量在c m p 中对非均匀度的 影响。k i m 等【4 6 】认为c m p 加工变量的变化对不均匀性和去除率与硅片内的从边缘到中心 的厚度变化有明显的影响。当向下的压力( 绝对压力) 达到3 0 0 磅平方英寸时，可以获得 相对较低的不均匀性和e t c 。当转盘速度达到1 0 0 转分钟，在得到高的去除率的同时 也会带来较高的不均匀性和e t c 。王兵【4 7 】等建立了蓝宝石晶片在抛光过程中运动的数学 模型，采用v c 语言对双面抛光：b n - r 进行了运动仿真，分析了不同参数对抛光效果的影 响，获得了最合理的抛光运动参数。李响等【4 8 】讨论了s i c 化学机械抛光方法，分析了c m p 的原理和相关工艺参数对抛光速率的影响，并指出了其发展前景。陈景等【4 9 j 将c m p 技 术引入到镁合金片的抛光中，用自制的抛光液对镁合金片进行抛光实验，分析了镁合金的 抛光机理及抛光中压力