（材料加工工程专业论文）大尺寸氟化钙晶体光学加工工艺研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原自b 性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文大尺寸氟化钙晶体光学加工工艺研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外。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。 作者签名：骥迦年山坐日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盈卫薮：竺尘年上月丝日 v 导师签名! 生丛年王月丛8 摘要 随着晶体生长技术的成熟和完善，大尺寸c a f 2 晶体作为当前综合光学性能最优 良的人工晶体之一应用价值同益凸显但是其表面超光滑加工技术还有待完善n 本 文以由2 0 0 m m c a f 2 晶体为研究对象，以化学机械抛光技术为重点内容，以c a f 2 晶体 材料去除率理论模型为基础，通过大量的实验对其抛光工艺进行了系统研究。 首先采用单因素实验法。研究了抛光垫、抛光液等加工辅料的特性参数，以及主 要抛光工艺参数对大尺寸c a f 2 晶体化学机械抛光过程的影响作用得到了晶片抛光 质量隧各参数变化的规律曲线，然后以正交实验法对主要抛光工艺参数进行了工艺优 化实验，得到了各工艺参数的最佳范围值最后在上述实验研究的基础上，确定了大 尺寸c b f 2 晶片的最优抛光工艺条件，并通过测定晶片样件加工实验的结果认为该工 艺条件能够得到较为理想的抛光效果。 关键词：大尺寸氟化钙化学机械抛光抛光工艺 a b s t r c t a l o n g w i t ht h ec r y s t a lg r o w t ht e c h n o l o g yg e t t t h gm o r em a t u r i t ya n dp e r f e c t ，l a r g es i z e c a f 2c r y s t a l ，w o r k e da so n eo ft h em o s te x c e l l e n ta r t i f i c i a lc r y s t a l sw i t hc o m p r e h e n s i v e o p t i c a lp m p e a i e s ，m a k e sm o r ep r o m i s i n gu s a g ec o m p a r e dw i t ht h a t 、i t su l t r a - s m o o t h p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ys t i l lr e m a i n sd r o p p i n gb e h i n d1 1 1 i 3p a p e re n g a g e si nr e s e a r c h i n gt h e s u r f a c et e c h n o l o g yf o rd a 2 0 0 m mc a f 2c r y s u d ，e s p e c i a l l yt h ee h e m i n a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g t e c h n o l o g yb a s e do nt h ec a f ：c r y s t a lt h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mm o d e l ，p o l i s h i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u 曲al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n “ f i n a l l yb a s e do i lt h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i n g ，t h eb e s tp m c e s s i n nt e c h n i c a lc o n d i t i o n h a sb e e nc o n f i r m e du s i n gt h ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ec a l lg e tt h ei d e a lp o u s h i n gr e s u l tb y c h e c k i n gt h ep o l i s hq u a l i t yo f t h ec r y s t a ls a m p l e k e yw o r d s ：l a r g es i z ec a f 2c r y s t a l c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gp o e s h i n g p r o c e s s i o n 目录 摘要 a b s t r c t 耳录一 第一章绪论 1 1 1 选题的背景及意义 一1 12 氟化钙晶体加工工艺的研究现状及分析2 13 本课题研究的主要内容6 第二章大尺寸氟化钙晶体加工工艺的特点分析7 2 1 氟化钙晶体的特性 7 22 化学机械抛光技术的研究现状8 2 3 大尺寸氟化钙晶体化学机械抛光工艺的特点1 1 第三章氟化钙晶体化学机械抛光技术的理论模型1 3 3 1 化学机械抛光技术的理论发展和分类 一1 3 3 2 化学机械抛光技术的实体接触理论模型1 6 3 3 化学机械抛光技术材料去除率模型的建立 1 7 34 化学机械抛光技术的机理1 9 第四章加工辅料对抛光质量的影响规律一2 1 4 1 抛光垫对抛光质量的影响一2 1 4 2 抛光粉对抛光质量的影响 2 7 4 3 抛光液对抛光质量的影响 2 9 第五章工艺参数对抛光质量的影响规律及优化 3 2 5 1 工艺参数对抛光质量的影响 3 2 5 2 抛光工艺参数的优化 3 5 5 3 实验结果 4 0 第六章结论及展望一4 5 6 1 大尺寸氟化钙晶体化学机械抛光工艺研究的结论 4 5 6 2 大尺寸氟化钙晶体化学机械抛光中存在的问题及研究展望4 6 致谢 4 7 参考文献 4 8 第一章绪论 11 选题的背景及意义 光电信息产业作为本世纪最具活力的朝阳产业正咀前所未有的增长速度蓬勃发 展，其产业规模的太小业已成为评价一个国家经济发展水平和综合国力的重要指标： 其技术水平的高低更是成为一个国家核心竞争能力的体现。而作为光电技术发展基础 的光学材料种类繁多其中单晶材料早就以其优良的综合性能占据了重要的地位特 别是克服了数量、尺寸等限制的高质量的人工单晶更是以其卓越的、不可替代的科学 应用价值受到各国学者的亲睐，c a f 2 晶体无疑是其中的佼佼者。c a f 2 晶体作为一种重 要的人工晶体自1 9 3 6 年采用坩埚下降法首次生长成功以来】咀其优异的机械性 能、相对稳定的物化性能等逐步成为目前综合光学性能最优良的人工晶体之一，历经 近百年的实践检验已成功应用于诸多领域可作为透镜、棱镜、窗口材料等，其应用 的广泛性可见一斑。 另外，伴随着晶体生长技术的发展、成熟和完善，高纯度、大尺寸的c a f 2 晶体 己被公认为集成电路制造业中光刻曝光系统透镜材料的唯一首选，是其应用研究的热 点之一。这是因为：一方面目前在光电信息产业蓬勃发展的形势下，作为电子信息产 业基础的集成电路制造业发展势头依然强劲且整体呈现出如下趋势：大型化、特征尺 寸微细化、集成度高密集化：这就对集成电路的制造技术提出了更高的要求，尤其是 光刻曝光技术的分辨率口h ”，另一方面，减小曝光系统的波长是提高分辨率的有效手 段。作为集成电路制造业中的关键工艺，光刻曝光技术持续发展，曝光波长不断减 小，已从近紫外延伸到深紫外，其曝光极限也一再突破世人的预期，目前正在研究的 1 5 7 r i m 光刻技术将逐渐成为光刻曝光技术的主流。然而在1 5 7 r i m 波长下，曝光系统 一直以来使用的石英透镜却使得光的透过率非常低，这一致命的缺点使得石英透镜己 不能够满足1 5 7 r i m 光刻技术的要求：而具有立方结构的c a f 2 晶体以其优异的紫外透 过性( 15 7 r i m 波长透过率) 9 0 ) ，高的短波而 受性、无双折射现象等光学特性使其 脱颖而出，在下一代深紫外光刻技术曝光系统透镜材料的选择中具有了不可替代的优 势地位f 4 h ”。 电子信息技术的发展选择丁c a f 2 晶体，同时也对其加工表厦的质量提出了更高 的近乎苛刻的要求：纳米级的粗糙度、亚微米级的平整度、高完整性的表面口“。由 于c a ：2 晶体本身质地相对较软，内部存在残余的生长应力、加工过程中易产生划痕 等缺陷，加之本课题研究的对象为由2 0 0 m m 的大尺寸c a f ：晶体，在实现其超光滑表 面加工的同时还要尽可能确保加工表面的平面度、加工面间的平行度等导致其加工 难度剧增。惟其如此也更加体现了本课题对大尺寸c a f ：晶体加工工艺研究的意义和 价值，具体来讲其研究的必要性主要表现在咀下几个方面。 】研究表明大尺寸c a f 2 晶体紫外波段的光学特性如高透过率、高激光耐受性等都 与其表面的加工质量密切相关h ”。所以，寻求一套较为合理的加工工艺满足 高品质c 峨晶体材料光学元件的精密加工，是目前要着手解决的当务之急。但是 在其切割、抛光等加工工序中用到的加工辅料种类多、工艺参数复杂、其间存在 相互作用，而且加工过程中各工序对温度、湿度、振动等环境影响因素敏感口) _ ”“，造成了加工工艺的重复性差；同时随着晶体加工技术机械化、自动化程度的 日益提高c a f 2 晶体加工技术的水平也提高到了前所未有的高度，新工艺取代旧 工艺势在必行。 2据统计：目前我国的晶体加工能力居世界前列但是技术水平相对较低【i “。为了 解决这一矛盾，我国从国外引进了许多先进的技术设备，但是仍存在着不能够大 批量、长期稳定生产的现象，究其原因设备、技术、工艺等因素不容忽视。技 术作为设备、方法和工艺的集合体，其中设各和方法的通用性较强，而工艺则是 过程与参数的结合涉及人、机、料、法、环等多种因素，每种因素的变化都有 可能反作用于晶体的加工，从而影响工件加工的质量。这就要求我们因时因地的 去研究适合的加工工艺与之相辅助，以达到提高c a f 2 晶体加工水平的目的。 鉴于c a f 2 晶体拥有的广泛使用性，以及当前并不完善的加工工艺体系，对其进行深 入研究更具有学术意义和实用价值。 12 氟化钙晶体加工工艺的研究现状及分析 c a f 2 晶体加工的最终目的就是要取得面型精度、尺寸精度、表面光洁度等均符合 使用要求的光学元件，其典型的工艺流程如下：切割一研磨( 铣磨) 一精磨、抛光一 清洗一镀膜，其中晶体的切割、抛光是晶体加工的关键工序，是c 如晶体加工 的质量控制点，应予重点关注。虽然c 桥2 晶体加工工艺过程简单，但是由于晶体加 工工艺参数繁多，导致工艺研究工作复杂多变，要想建立一套较为合理的工艺体系有 相当的难度，所以在进入本课题的研究工作之前非常有必要对国内、外晶体加工技术 的研究现状进行调查、研究，以总结经验，确定本课题研究的重点。 1 2 1 晶体切割工艺的现状及分析 晶体的切割是c a f 2 晶体进入正式加工流程的首道关键工序，其切割精度( 如： 切割表面的平面度、面间的平行度、切片厚度误差等) 直接影响晶片粗磨( 或铣 磨) 、精磨等工序加工余量的确定、加工效率的高低。不仅如此晶体切割工艺方法选 择的不恰当极易造成切口宽、创伤深等加工缺陷，使得晶体材料在切割过程中的浪费 极大，加工成本升高。但是随着晶体用量的增大，晶片厚度的逐渐减小，晶圆直径的 不断增大，晶体切割技术的研究已得到应有的重视，而且经过长期的技术积累形成了 三种主要的晶片切割方法可供选择：外圆切割、内圆切割、线切割h ” 。 1 2 1 1 晶体切割设备的发展概况 外圆切割是最早开发成功的晶体切片技术，早在1 9 世纪中叶外圆切割设备即由 欧洲凡研制成功并应用于晶体的切片加工1 1 4 - u 5 i 此后在该技术的基础上产生了内凰 切割工艺，统称为圆片锯切割技术。到上世纪7 0 年代束内、外圆切割技术已相当 成熟，8 0 年代末达到鼎盛时期，众多的多功能数控圆片锯切割机形成了商品化的生 产能力，但是生产厂商主要集中在瑞士、日本、德国等少数几个国家。圆片锯内、 外圆切割机分为卧式和立式两种结构，其典型的代表机型为t s 系列和t s k 系列切 割机【1 6 1 。在1 9 9 8 年由日本公司研制生产的t m s 3 0 0 型内圆切割机可控制切片的弯 曲度、切片厚度而且机床体积小成为内圆切割机的标志性产品】同时外圆切割 的技术在加工深度方面也有了突破性进展德国在1 9 9 7 年生产出了直径达5 米的圆 盘锯片，成为外圆切割技术的里程碑i n j 。 切捌蛙、 圈1 - l 多线切割丁二作原理见圈”图1 2 多线切割设备的外形目” 线切割技术始于上世纪七十年代，八十年代进入实际应用，九十年代中期以后特 别是近十年以来在太阳能硅片、蓝宝石基片等产业发展的带动下，多线切割技术逐 步走向成熟。其典型结构为：走线系统、供砂系统、进给系统、冷却润滑系统等，其 中走线系统是设备的核心l j ，其意义在于能够保证锯丝在朝一个方向运动时始终保持 恒定的拉力，该系统最早是在1 9 9 3 年由同本人小岛正康研制成功的设备切割加工 的原理如图1 - 1 。由于多线切割设备系统复杂，其设计、制造技术主要由少数几家公 司掌握：瑞士的m e r y e rb u r g e r 公司和h c t 公司、日本的n t c 公司以及t a k a t o t i 公司等1 1 9 h 2 0 l 。在计算机技术发展的推动下，未来多线切割设备将向着大型智能化、 高精度、高速度的趋势发展，其外形可参见图1 - 2 t ” t 2 0 】。另外，作为多线切割领域的 又一关键技术：固着磨料金刚石锯丝的研制工作也取得了骄人的成绩：美国c r y s t a l s y s t e m 公司设计制造出了泪滴形截面的锯丝口”：磨料的固着也由单纯依靠较弱的分子 问作用力或者机械镶嵌的工艺方法( 如：电镀法、树脂粘结法、机械镶嵌法等) 发展 为钎焊法，钎焊工艺是在高温下使钎料与金刚石形成化学冶金结合，其结合强度与上 述三种方法相比显著提高 2 ”。采用固着磨料锯丝取代散粒磨料切割液使得多线切 割技术的设备体系、加工工艺体系大为简化、切割成本大为降低，为多线切割设备拓 展了新的更广泛的应用领域。 在国内切割设备的研制工作起步较晚，开始于7 0 年代在引进、吸收、改进、 创新的基础上，到上世纪未国内圆片锯切割设备的制各技术己相当完备，国产设备 的加工能力可覆盖中2 0 0 m m 以内的所用晶体产品的切片加工，极限切片加工直径可 幽 达巾3 0 0 m m t t 3 j 。其中幽第4 5 研究所设计制造的w q 一5 0 2 a 型全自动外圆切割机及 q p 1 0 8 型卧式内圆切割机均为国内领先的大直径切片设备，而且自动化程度高 i l l i 。但是在多线切割技术方面我国仍处于起步阶段，技术水平与发达国家相比有着 较大的差距，所生产的多线切割设各在精度和尺寸上与国外无法媲美。 1 2 1 2 三种晶体切片技术的特点分析 外圆切割技术为提高生产效率，适应大直径工件切割的加工要求，不断进行技术 创新，研制成功了多刀外圆切割机，此类设备可满足单刀、多刀的顺切、逆切、双向 切割等切片加工工艺要求设各操作简便。其切割原理为：在薄锯片的外圆周上固着 金刚石磨科，并使其在高速旋转的状态下完成晶片的切割任务。但是。外圆切割技术 在实际应用的过程中表现出了相当的局限性，主要体现在切割锯片的制造工艺、装夹 方式及运动模式等方面。可简单总结如下h 1 3 l 【“1 ： l - 薄锯片装夹完成之后作为切割刃口的外圆周始终处于无约束的自由状态，使其 轴向摆幅加大而且无法控制，不利晶体的精密切割。 2 随着加工晶体外径尺寸的增大锯片直径亦随之增大，如此势必造成锯片刚性下 降，刃口的摆动量增加，影响切片质量。 3高速旋转的薄锯片在受到切割晶体的冲击压力时，容易发生变形或者侧向摆动， 使得晶片的切割过程受阻。 上述种种最终导致切片的平面度变差、切面创伤加深要改善切片质量就要增大锯片 的刚性即增加锯片的厚度，又必然使得切口变宽，造成晶体浪费，形成了一对难以平 衡的矛盾。故此由于外圆切割设备自身的缺陷，近年来该切片技术已处于被淘汰的边 缘。 】、上刀环 3 、内圆锯片 5 、下刀环 2 、张紧螺钉 4 、张紧环 6 、连接螺栓 图1 3 内圆锯片张紧结构示意目1 内圆切割机的工作原理和设备结构与外圆切割机基本相似其关键的改进在于内 圆切割机薄锯片的刃口为锯片内圆周，而在锯片外圆周上均匀密布许多小孔便于与设 备刀架连接，给锯片装夹方式的改进提供足够的空间。内圆锯片的张紧方法主要有两 种：液压张紧法、机械张紧法比较而言机械张紧法有如下优点：锯片张紧力更大、 张紧更可靠、锯片刚性更好该方法经美国gsk a c h a j i a n 等人的改进之后。优势更加 明显：锯片安装精度更高且操作便利，在切割压力作用下锯片无偏转现象。切片精度 提高】。如此一柬，外圆切割技术的主要缺陷均得到解决使得晶片的切割质量显著 提高。到目前为止，内圊切割技术仍是一种广泛使用的切片质量稳定、成本低廉的晶 片加工的主要方法。改进后的锯片装夹结构可参见图i - 3 。 多线切割技术的原理就是通过金属丝的高速往复运动将磨料带入到晶体的加工区 域内在研磨作用下最终将晶体切割成一定厚度晶片的加工方法。在切片加工方面具 有切割效率高( 一次切片数最多可达5 0 0 0 片) 、损耗低、成片率高、平面度好等特 点。因此多线切割技术一股用于大批量厚度固定的切片加工生产中，而且由于多线切 割技术在国内发展的时间短，设各昂贵，应用范围并不广泛，仅有少数太阳能硅片、 l e d 用蓝宝石基片的生产企业和实力雄厚的科研机构引进了多线切割设备，对其切割 工艺的研究并不完善。 综上分析，外圆切片技术已经没落，不具有研究价值：虽然多线切割技术是大批 量切片生产的主流技术但是由于实验条件的限制。目前还不具备工艺实验研究的能 力；作为引用于中小批量切片生产的内圆切片技术以其切片厚度跳帧灵活、设备操 作简便等优点成为c a f 2 晶体切片加工的首选，但是内圆切割工艺已发展的相当成 熟，研究的必要性不大因此c a f 2 晶体切片工艺不是本课题研究的重点。 1 2 2 晶体抛光工艺的现状及分析 c a f 2 晶体的抛光是其加工的关键工序，直接决定了加工晶片的表面质量。由于 c a f ! 晶体材料自身性质的特点，其抛光加工难度大，而且大尺寸c a f 2 晶体的抛光在 国内尚属新的研究课题，可资借鉴研究的参考文献较少，应在综合比较现有众多的抛 光技术方法的基础上，选择优势技术进行大尺寸c a f 2 晶体抛光工艺的研究。 所谓的抛光技术简言之即为加工表面的平坦化技术，其基本要求为：无划痕、无 点缺陷、r m s 小。当前抛光技术的新丁艺、方法层出不穷，且各有所长。依据不同的 标准可将其分类如下：1 、以抛光界面的接触形式可分为接触抛光、非接触抛光、准 接触抛光：2 、按照抛光机理可分为机械抛光、化学抛光、激光抛光、复合法抛光。 下面就各类抛光方法的抛光原理、技术特点分别做简单分析1 2 _ l ”j 。 i机械抛光包括低速抛光和高速抛光，因其抛光形式灵活、几乎可用于所有类型产 品的抛光加工，具体的工艺方法有：浴法抛光、液体喷射抛光、散粒磨料抛光、 磁流变抛等。机械抛光的基本原理为：工件表面的材料，在相对较硬磨料的连续 冲击、剪切等机械作用下被有效去除。古法散粒磨料抛光法是其典型的代表，以 此为基础衍生发展，形成了许多抛光新技术：在抛光介质类型、磨料供给方式等 方面做了有益的探索，而且配备了在线检测系统、抛光过程控制系统、抛光后清 洗系统等抛光辅助设备，形成了一个设备体系完善、自动化程度较高的抛光体 系。但是单纯的机械抛光对大尺寸c a f 2 晶体材料而言，抛光后表面粗糙度较差， 难以胜任超光滑表面抛光的重任。 2化学抛光的原理是利用被抛光工件表面的微凸峰、谷在一定成分的抛光液中化学 反应速度不同( 溶解速度有差别) 达到材料去除的目的。该方法的优点是：设备 简单、可抛光复杂工件属于典型的非接触式抛光，表面变形小抛光质量较好。 但是对于不同的被抛光材料而言化学抛光液配方的优化工作量巨大而且对化学 抛光反应原理认识的不完善导致对其过程控制、反应产物的去除等技术仍存在相 当大的研究发展空间。而且单纯的化学抛光所形成的表面其平面度、抛光一致 性、平行度都比较差也难以完成大尺寸c a f 2 晶体超精密抛光加工的任务。 3 复合法抛光是将化学作用和机械作用有机结台而形成的抛光方法，其中化学机械 抛光法便是典型的复合抛光技术，其加工原理可归结为如下两个过程嘲口q ； ( 1 ) 抛光液通过化学作用在被加工晶体的表面形成一层部分软化的氧化物薄 层， ( 2 ) 在抛光垫与磨料的机械磨销作用下经过反复的研磨将软化层去除，新裸露 的基体表面再次被氧化、去除。两过程无限循环直到抛光结束。 该技术综合了化学抛光和机械抛光的优点，加工精度可达纳米级，已广泛应用于 集成电路制造、晶体材料加工等领域中，取得了大量的研究成果。 综上分析可知，作为公认的全局平坦化技术，化学机械抛光技术能够满足大尺寸 c a f 2 晶片光学加工精度的抛光要求，成为本课题研究的重点内容。而且在长期的抛光 加工生产实践中积累了大量的实验数据和经验，涉及到抛光加工的各类工艺参数 如：各类加工辅料的性质参数；抛光压力、转速等过程工艺参数；温度、机械振动等 环境因素等对各种材料、工件抛光质量的影响规律，对于大尺寸c a f 2 晶体化学机械 抛光工艺实验研究方案的确定、工艺参数范围的选择都有借鉴意义和指导作用。 1 3 本课题研究的主要内容 大尺寸c a f 2 晶体化学机械抛光技术是本课题研究的重点其主要研究内容包 括： 1首先采用单因素实验法研究抛光垫、抛光液等加工辅料性质参数对大尺寸c a f 2 晶 片抛光过程的影响作用，并建立抛光垫压缩比、孔隙率、粗糙度；抛光液p h 值、磨料种类、粒度等参数与晶片抛光质量变化的规律曲线。 2 在实验研究抛光工艺参数：抛光压力、抛光液流量、抛光盘转速、抛光头摆动等 对大尺寸c a f 2 晶片抛光质量影响规律的基础上，以正交实验法对上述工艺参数进 行优化，确立大尺寸c a f 2 晶片抛光加工的最优工艺组合。 3以最优抛光工艺条件对大尺寸c a f 2 晶片的样件进行抛光加工，测定抛光质量，评 价本课题工艺实验研究的效果。 第二章大尺寸氟化钙晶体加工工艺的特点分析 21 氟化钙晶体的特性 c a f 2 晶体材料加工性能的优劣除了与所选择的工艺方法和技术装备有关之外t 还 受到材料自身结构及性质的影响，比如；c a f 2 晶体热膨胀系数大而热导率很低热量 扩散速度慢，易产生残余生长应力；要不断地进行热处理，以尽量避免加工过程中出 现晶体边缘的破损或者晶体的整体断裂；氟化钙晶体硬度低同时在加工过程中对温 度因素敏感，在较小的温差下就会产生变形，极易引起抛光痕迹的残留造成晶体表 面的抛光质量难于保证：氟化钙晶体的解理性也会影响晶体的切割、研磨和抛光等加 工过程，所以要求加工面与解理面之间的夹角不宜过大 7 1 1 2 “。故此，充分了解c a f 2 晶 体的性质对其加工具有一定的指导意义。 2 1 1 氟化钙晶体的结构特点p 0 1 c a f 2 晶体属于立方晶系的面心立方晶格结构，晶格常数a = 54 5a 。单个晶胞内 台有4 个c f + 和8 个f ，其中c a 2 + 位于立方晶胞的角顶点和面中一t l , 上，f - 填充所有 四面体空隙。在( 1 1 1 ) 晶面方向上，每隔一层c a 2 + 就有两层相邻的f ，其间的结合力晟 弱是为c a f 2 晶体的解理面。c a f 2 晶体的空间点阵结构如图2 - 1 所示： c a 2 一 图2 - 1c a f ，晶体结构 2 1 2 氟化钙晶体的光学性质 众所周知c a f 2 晶体作为种生产历史悠久应用领域广泛的传统人工晶体咀 其优良的机械性能和相对稳定的化学性能业已成为目前综合光学性能最为优良的光 功能材料。一般来讲晶体材料的光学性能主要体现在材料的光谱透射范围、光学色散 性以及双折射性能等方面上据此可以对c a f 2 晶体材料的光学性能做一简单的介 绍。就其透光范围来讲可从深紫外一宜延伸到中红外，典型的波长范围为】： o1 5 0 - 1 0 p m ；其折射率低，在上进波长范围内其折射率为16 9 2 1 1 3 0 0 2 ，为了更直观 的了解c a f 2 晶体的折射率、透过率的性质可参见图2 2 、圈2 - 3 。另外氟化钙晶体 还具有吸收系数低、抗损伤闽值高、相对色散大等特点，随着碌材料的纯化工艺、晶 体生长方法和技术设备的更新及完善，大尺寸、高纯度的c a f ! 晶体更是成为用于制 造深紫外波段镜头的首选材料。 被长( 皿)锭长( n - ) 圈2 0 ；瓦化钙典型透过率曲线 闰2 4 折射率随波长的变化情况 2 1 3 氟化钙晶体的物化性质 氟化钙晶体的物理、化学性质是影响其加工质量的直接因素，对于晶体的生长过 程以及后续的加工都会产生一定的影响。c a f 2 晶体的化学性质比较稳定，在普通的溶 剂中( 如：水、有机溶剂、稀无机酸等) 溶解度极小，但是能与浓酸产生化学反应而 且高温下极易水解口”。其物理性质总体上讲：本身的质地相对较软、强度低、膨胀系 数大，具体参数可见表2 - 1 。 表2 - ic a r 2 晶体的物理性质”1 1 3 2 1 物理性质参数值单位物理性质参数僮单位 化学式c a f 熔点1 4 2 3 透过渡段 0 1 3 - 9 i n n沸点2 5 0 0 晶体密度 3 1 8 g e m 3热辐射系数0 8 熔融密度 25 9 4 g e m 晶体传热系数 1 0 w m - 2 k 1 莫氏硬度 4 熔体传熟系数 5w m 2 k - 1 泊松系数 o 2 8 比热( 2 7 3 k ) o 8 8 j g o k - 。 杨氏模量8 98 g p a 热膨胀系数( 室温) 1 8 x 1 0 4 k - 。 剪切模量 3 3 7 7g p a 介电常数i m h z ) 67 6 体积模量 8 2 7 1g p a 晶体热导率( 室温) 97 1w m q k 。1 注：本表中所列性能参数均特指氟化钙晶体( 1ii ) 方向 22 化学机械抛光技术的研究现状 化学机械抛光技术是在加工实践经验的基础上逐步发展、完善起来的，早在1 9 6 5 年该方法由w a l s h 与h e r z o g 首先提出，该技术的实际应用直到1 9 9 1 年爿由i b m 公司 首倡完成此后得以快速发展到目前为止己成为首选的全局平面化技术。加工体系 包括：抛光机、加工辅料及附属设备，工作原理示意图可参见图2 - 4 。作为c m p 技术 的三个基本要素；抛光垫、抛光液、抛光机的发展水平在一定程度上决定了c m p 技 术的现状。 圈2 4 化学机械抛光原理示意圈9 1 成功地将化学机械抛光技术应用到c a f 2 晶体的加工上，是近十几年来因为高精 密元件的需要而不断发展起来的。 2 2 1 化学机械抛光设备简介 抛光设备为工件的化学机械抛光加工过程提供了一个基本场所其基本构造为抛 光盘、抛光头、在线检测装置及其附属系统。设备形式分为单头、双头和多头抛光 机，设备结构主要有：旋转式、轨道式和线性抛光机p 。尽管当前抛光设备的种类繁 多，但是基本由美国的a m 公司和日本的e b a r a 公司所垄断，抛光设备在满足抛光加 工基本要求的前提下( 如；表面精度( 0l g m ，抛光速率为0 3 0 5 删m i n 等) 设备 的平坦化能力是衡量抛光设备性能的一个关键因素p l ，故此要求抛光设备在抛光过程 中能够及时的响应材料的抛光状态。以防止在抛光过程中出现过抛或抛光不足的情 况，这就对设各的在线检测能力提出了更高的要求。常用的在线检测技术主要有：光 学检测、力学检测、电机电流检测技术其中采用光学原理检测是目前晟具发展前景 的在线实时终点检测技术1 ”h ”】。在计算机自动控制技术发展的推动下抛光设备的 设计、制造呈现出如下趋势；设各的集成、抛光头的改进、多工序加工等，如此引发 的抛光设备的最新发展就是所谓的干进干出工艺p j ，即：将化学机械抛光工艺与清洗 工艺集成在一起，使抛光、清洗、干燥、装片等工序在一台设备上完成，缩短了加工 工艺流程、提高生产效率。 2 2 2 化学机械抛光渡的研究现状 目前抛光液的典型组成为抛光粉和含量币等的各种化学调节剂，作为能够同时提 供化学反应能力和机械磨销作用的载体抛光液在c m p 中扮演着关键角色。目前世 界范围内所使用的抛光液均由少数几个公司供应：r o d e l 、c a b o t 和b a i k o w s k i ，配方 处于完全保密状态，其研究成果和进展情况鲜有文献资料报道”l 。 为了能够早日打破国外公司的技术垄断和限制在c m p 研究热潮的推动下国 内一些科研机构相继投入了抛光液的研究工作。抛光粉作为抛光液中的重要组份已 研制出几种典型产品：钻石粉、氧化铝粉、氧化铈粉、氧化锡粉、二氧化硅等应用较 片晶 垫头 冀糌厶i f ；送输 台 液液作膜光光乙_ 被抛抛 广【3 1 1 3 6 】。其中s i 0 2 抛光液研究的壤为成熟抛光选择性、分散性较好，可配制高浓度 抛光液，磨料制各方法较多，如：沉淀法、烧结法等。一般情况下二氧化硅磨料以胶 体的形式加入到抛光液中与其它磨料配合使用，以增加抛光液中磨料的分散稳定性t 而且二氧化硅磨料的粒径一般为纳米级，单独使用时抛光速率较低，多用于光抛阶 段：a i ：0 3 抛光液磨料硬度大、抛光速率高但在使用过程中稳定性差磨料易团聚造 成晶片表面划伤严重。且抛光后不易清洗；c e 0 2 磨料以其独特的物化性质表现出了较 强的抛光能力，良好的抛光选择性井可明显降低晶片表面的损伤但是制备用于精 抛的高纯度的c e o ：抛光粉成本高，限制了该抛光液的适用范围。复合磨料制备技术 的核心理念就是对纳米级的传统膳料粒子的微光结构、形貌等进行优化设计，以此改 变抛光界面上的接触形式来提高其抛光能力。，但是由于该技术尚存在多项技术 难题，未能进入实际应用。 2 2 3 化学机械抛光垫的研究现状 抛光垫是化学机械抛光技术中影响晶片平面度、抛光速率等加工质量指标的关键 性部件。其主要功能就是：存储、传输抛光液、及时排除抛光残余物、传递抛光机械 载荷以维持抛光所必须的机械、化学环境”j 【删j _ 4 0 j 。但是实际抛光过程中由于抛光 垫随抛光盘旋转产生的离心力以及抛光压力的作用使得抛光液在抛光垫中的分布是不 均匀，导致抛光过程的不均匀。所以，选择合适的抛光挚材料、设计台理的抛光垫组 织结构、表面结构是抛光垫制造技术研究的重点。 正螺旋对数型负螺旋对数型同心环型同格型 圈2 - 5 抛光垫表面沟槽常见形状简圈”1 j - 4 2 j 聚氯酯抛光以其优良的机械性能、稳定的化学性能、独特的表面微孔结构成为 化学机械抛光技术高抛工艺中应用虽广的抛光颦之一。同时为了兼顾晶片抛光的平面 度和抛光效率的要求，设计开发了“上硬下软”的两层复合结构的抛光垫 4 ”。研究人 员不仅从抛光垫的组织结构上进行改进创新，而且对抛光垫的表面结构进行了深入研 究其主要的成果就是在抛光垫表面上开槽。表面沟槽开设的方法主要有州：机械铣 削加工、热压法加工等，利用激光刻蚀加工抛光垫表面沟槽是近年来兴起的一种新的 工艺方法，抛光垫表面沟槽的形式有螺旋形、网格形、同心圆形、放射形等，如图2 - 5 ：沟槽截面主要以矩形、u 形、v 形居多形貌见图2 - 6r 2 1 4 。h 4 2 1 。 2 3 渐变深度沟槽 尊深度沟槽 正倾角淘槽负倾角沟槽 图 6 抛光垫表面沟槽的剖面结构简图4 。】 采用游离磨料抛光的传统c m p 技术在不断得到完善发展的同时也表现出了许多 不足：抛光过程涉及到大量有相互作用的工艺参数、某些材料的工件抛光后清洗难度 大等。鉴于此固结磨料抛光垫制各技术得以研究发展。上世纪束，3 m 公司率先对 该技术进行了研究此外韩国学者也进行了相关技术的研究，其中心工作就是以牯附 有磨料的抛光垫取代传统化学机械抛光技术中的游离磨料和抛光垫。完成抛光过程 【6 】【4 ”。但是加工过程中使用固着磨料抛光垫时，工件表面易产生划痕等缺陷，而且存 在着生产工艺复杂、磨料固着强度较低等制造缺陷。故此当前该项技术并未取得优势 发展地位。 总之随着国内c m p 技术的进步，抛光垫、抛光液等消耗品的需求量将会持续 快速增长实现国产化势在必行。这不仅可以带来丰厚的经济效益，更可以带动高端 c m p 技术的研发。 23 大尺寸氟化钙晶体化学机械抛光工艺的特点 通过对c a f 2 晶体加工工艺研究现状和化学机械抛光技术笈展现状的分析，结合 c a r 晶体自身结构特性，可以预见大尺寸c a f 2 晶体的抛光加工有如下的难点： c a f 2 晶体本身的物理和化学性质决定了晶体的质地软，易产生抛光痕迹；而且晶体退 火工艺的好坏对晶体内部的质量影响较大：抛光过程中去除速率的不稳定与晶体内部 的应力均匀性有很大关系： 由于需要加工的晶体直径较大，必然表现出与小直径晶体加工不同特点。中2 0 0 r n m 的 晶片抛光加工面积大抛光加工时间势必延长，不仅造成了加工表面的平面度不易保 证，而且长时间的抛光加工会引起晶片温度的变化，影响抛光质量这是大直径c a f 2 晶片抛光加工最与众不同的特点。 由于需要加工的晶体直径较大，对抛光加工的可靠性、稳定性提出了更高的要求，以 尽可能的减少返修，提高生产效率，这也使得大尺寸c a f 2 晶片加工的难度加大。 为了应对上述问题在抛光工艺实验研究中首选高速抛光，在确保抛光表面粗糙 度的前提下兼顾较高的材料去除率咀缩短加工时问限制温升。以抛光液的连续供 给替代喷射供给以此加强抛光过程中的冷却能力，防止温升过大造成晶片爆裂。选 用硬度较高的聚氨酯抛光垫，改善晶片抛光表面的平面度，在相对封闭的环境里实施 抛光，最大限度地避免环境灰尘的影响。 除了在硬件设备上优选以外，在实验参数的选取上也力求缩短抛光加工的时间， 控制温升咀达到理想的抛光效果。更详细的工艺措施将在随后的章节中介绍。 第三章氟化钙晶体化学机械抛光技术的理论模型 由上述化学机械抛光技术的发展现状可知，国内外众多科研机构在大量实验研究 的基础上极大地推动了该技术的发展，取得了丰硕的研究成果，同时对化学机械抛光 技术的机理进行了深入的分析，已形成了多种理论成果使我们对化学机械抛光技术 有了一个全局性的认识。为了能够有效地利用现有的理论研究成果指导本课题实践研 究工作，有必要对其内容及建立的过程做一简单的综述。 31 化学机械抛光技术的理论发展和分类 化学机械抛光技术的理论是建立在多学科交叉研究基础之上的，研究工作的复杂 性是不言而喻的，研究人员不仅要有丰富的实践经验，能够熟练掌握各种工艺参数对 抛光过程的影响作用，而且要具有扎实的多学科的理论知识( 如：化学、流体力学、 摩擦学等) ，能够对抛光过程的实验现象给出合理的科学解释这具有相当的难度， 为了使研究工作有序的开展，科研人员总结出了几种得到普遍认同的抛光机理建模方 法如：唯像学法、接触力学法、流体动力学法等，以此为基础形成了多种以机械作用 或化学作用为基础的抛光机理模型，其分类见图3 - l 。 图3 - l 化学机械抛光技术材料击除机理分类”“1 机械作用理论以探索晶片表面的材料磨损规律为目的，广泛的研究了抛光液在粗 糙抛光垫表面上的流动性、液膜厚度的分柑、流体动压对抛光压力的影响；抛光界面 上磨粒的存在形式、磨料产生的机械作用形式：抛光垫的磨损程度、体整频率等诸多 因素对抛光过程的影响，形成了一些规律性的认识，并以此为基础建立丁可用于定性 分析或者半定量分析的数学模型。 对于化学机械抛光机理的数学模型来讲最基本的就是p r e s t o n 方程【3 】可用 下式表示： r = k p p x ( 3 1 1 该方程是在工艺实验的基础上以获得的经验数据建立起来的，它从机械抛光的角度 分析了化学机械抛光的过程，认为材料的去除率与抛光压力成正比与抛光垫和被抛 光材料二者之间的相对转速成正比，但是由于方程中的常数k 。与很多的因素有关 ( 如：抛光垫、抛光液的物化性质等) ，使得该方程的内涵过于宽泛到目前为止还 没有真正研究透彻化学机械抛光技术的作用机制，主要用于定性分析。 随着研究的深入开展，科研人员对方程系数的影响因素进行了分类研究，分 离出了抛光垫、抛光液、被抛光材料表面特性等参数对抛光速率的影响，建立了应用 于不同抛光过程及不同抛光材料的数学方程。例如：t s e n g 等人在进行抛光加工数学 模型的研究中充分考虑到工件、磨料、抛光垫三者的硬度对抛光过程的作用建立了 如下模型1 4 5 ； r = c ( 1 m p + 1 7 h 。) p v r 3 i 1 其中c 为常数h 。为磨料硬度，h 。为抛光晶片硬度。 关于硬度对抛光过程的影响台湾的毫微米元件实验童也得到了一个微分形式的 数学模型 4 6 】： 壁=c一i+。)+1edt p p , e。) p v ) 。 ? ( h k +0j i j r w p l 。 其中c 为常数，h k 为抛光垫硬度， l 、0 为晶片表面的硬度e ，为磨料弹性系数， e ，、晶片弹性系数。 r u r m e 等人研究了抛光液在粗糙的抛光垫表面上的流动性、抛光液液膜的厚度分 布、抛光液流体动压对外加抛光压力的影响等因素，导致接触界面上抛光压力的分布 不均对晶片表面材料去除率的影响，得到如下数学模型方程州 ： k2 i - r 3 4 1 其中k 是常数，乙表示晶片表面剪切应力的矢量数。 诸如此类，在p r e s t o n 方程基础上通过对方程的练合影响修正系数细化研究得 到的改进型抛光机理数学方程不胜枚举此处不再赘述。 但是在工业生产中实际进行的化学机械抛光过程中，工件表面的材料去除率并不 能机械的套用p r e s t o n 方程及其改进型数学模型柬简单的研究分析。因为，对于不同 的抛光材料、工艺条件，工件与抛光垫阃的接触形式不同导致抛光接触界面上的机 械作用和化学作用有差异，需应用不同的数学模型对其进行解释，较为典型的主要有 以下几种模型4 7 1 - 1 5 0 】： 】、c o o k 同时考虑抛光粉机械作用和抛光液调节剂化学作用，得到了仅能用于硅片抛 光加工的理论模型。 2 、y u 提出了以抛光垫粗糙度为主要研究对象的材料去除模型。 3 、l u o 等人建立的数学方程： h r r = p 。i x v o l t , d + c e ( 3 5 ) 4 、考虑到抛光液膜产生的动态压力对抛光压力分布的影响，而建立的机械、流体膜 抛光模型： r = a e o o ( 3 6 ) 其中a 为零应力时抛光速率，b 为与被抛光材料相关的常数o 为流体膜应力。 考虑到构成抛光液各组份的含量不同导致不同配方的抛光液在抛光过程中表现 出的机械磨销能力、化学反应效率的差异，建立了综合考虑机械、化学作用的数学方 程：以及r u n n e l s 等人建立的适用于不同工艺条件的数学模型方程式，都或多或少的 受到抛光界面实际接触面积、晶片表面软化层与基体间结合能等难以精确测定的限 制模型精度不佳。 上述以机械作用为主的抛光机理模型对抛光液化学作用考虑的并不十分充分，在 解释抛光过程的本质上还存在一定的局限性，有待完善。对于化学作用机理模型来 讲，在多数情况下其研究工作也是作为一个独立的部分进行，虽然各理论采用的反应 机理不同，但是其反应过程可用如下通式表示口”： a l l + b r ! + u l + n d ( 37 ) 式中个参数的意义如下：m ：晶片表面未被氧化的物质，l ：化学反应形成的氧化物 软化层，扎抛光液中的氧化剂，d ：化学反应过程中的副产物。o 、1 3 、m 、n 为化 学反应系数( 各反应物的摩尔数) k 为化学反应速率参数，其大小由抛光液中氧化 剂的化学性质决定。 由化学作用的过程来看化学腐蚀的一个关键步骤就是在晶片的表面上形成软化 层( 从微观上讲也可称为弱键) 。由于品片的化学机械抛光过程是在特定的碱性抛光 环境下进行的带有一定高速高压色彩的抛光加工过程，根据摩擦化学的理论口：随着 抛光界面上实际抛光接触面积的增大，摩擦力随之增强，在某些接触点上甚至可能产 生局部的高温高压抛光环境抛光液的化学活性增强，导致了一系列