郭世璋

（邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，邯鄲 056001）

1 實(shí)驗(yàn)方案

拋光實(shí)驗(yàn)采用沈陽(yáng)科晶公司生產(chǎn)的拋光機(jī)，可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍為1～120r/min。拋光液采用沈陽(yáng)科晶公司生產(chǎn)的50nm顆粒的SiO2酸性?huà)伖庖?。拋光?duì)象為45#鋼和不銹鋼圓片各1片。

圖1 CMP拋光實(shí)驗(yàn)方案示意圖

顆粒的收集采用圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)潛水泵1將拋光液經(jīng)過(guò)磁環(huán)3過(guò)濾之后送至拋光盤(pán)上的拋光墊7和工件5之間，帶有拋光產(chǎn)物的回流的拋光液經(jīng)過(guò)磁環(huán)10進(jìn)行磨粒收集后回到原處。磁環(huán)3主要作用時(shí)過(guò)濾潛水泵1可能磨損產(chǎn)生的鐵磁性顆粒，防止與拋光產(chǎn)物中的鐵磁性顆粒相混淆，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失真。磁環(huán)10的作用是收集拋光產(chǎn)物中的鐵磁性磨粒。因?yàn)閽伖庖罕旧韼в蓄w粒，為了將拋光液自帶顆粒和拋光產(chǎn)物磨粒分開(kāi)，磁環(huán)是個(gè)很好的選擇工具。

收集到顆粒之后，將磨粒用丙酮清洗至燒杯中，然后倒入旋轉(zhuǎn)式鐵譜分析儀中進(jìn)行制譜，制譜之后晾干放到顯微鏡下面觀察磨粒的形狀，進(jìn)行分析。

方案中同時(shí)關(guān)注拋光前后工件表面形貌的變化，這在Wkyko形貌分析儀上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析包括拋光前后工件表面形貌的變化對(duì)比分析與收集的產(chǎn)物磨粒的鐵譜分析。

由于本次實(shí)驗(yàn)后45#鋼表面迅速變黃變暗，說(shuō)明表面已經(jīng)嚴(yán)重被氧化腐蝕，其表面質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果不再可信，同樣的道理，它的磨粒也因?yàn)橄嗤牟牧隙桓g，鐵譜分析失真。

所以本次實(shí)驗(yàn)只對(duì)不銹鋼圓片進(jìn)行表面形貌測(cè)量，對(duì)比分析和鐵譜分析。不銹鋼圓片拋光前后的二維表面形貌分別如圖2和圖3所示。從圖中可以看出拋光之后，表面質(zhì)量大大提高。從直觀的圖像上看，拋光前到處是劃痕和凹坑，拋光之后劃痕消失了，剩下淺淺的零星的幾個(gè)凹坑。從具體的軟件分析數(shù)據(jù)看，Ra從358.65nm下降到了46.51nm，Rq從490nm下降到57.2nm，Rt和Rz也從幾個(gè)微米下降到了半個(gè)微米左右。

圖2 拋光前的表面形貌

圖3 拋光后的表面形貌

本次試驗(yàn)結(jié)果中的凹坑應(yīng)該是拋光之前沒(méi)有完全消失的特深的坑而不是實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的。如果是拋光過(guò)程中，坑的分布應(yīng)該比較均勻。因?yàn)閺那懊娣治鲋?，材料不斷被磨平的過(guò)程，如果是之后產(chǎn)生的凹坑，也是首先經(jīng)過(guò)完全平面階段再產(chǎn)生凹坑，這時(shí)候，由于拋光條件的均勻性，凹坑的分布應(yīng)該是均勻的。

圖中凹坑沒(méi)有完全消失，一方面是因?yàn)椴讳P鋼材料本身比較難去除，另一方面是初始表面質(zhì)量太差，拋光時(shí)間夠長(zhǎng)到足以磨平掉所有的凹坑。

在實(shí)驗(yàn)中確實(shí)收到了鐵磁性?huà)伖獠牧系哪チ?，圖4系列是顯微鏡下譜片上的磨粒形狀照片。從圖中可以看出，磨粒大小不等、形狀各異，又豬肝形，薄片形，條形，球形等，這些磨粒一個(gè)很大的共同特點(diǎn)是具有較大的面積周長(zhǎng)比，甚至具有很好的圓度。這與計(jì)算采用的幾何模型形狀較為吻合。

圖4 拋光過(guò)程中產(chǎn)生磨粒的形態(tài)

收集到了鐵磁性磨粒本身說(shuō)明CMP過(guò)程材料去除不完全是化學(xué)腐蝕作用，因?yàn)榛瘜W(xué)腐蝕的產(chǎn)物為易溶物或者非鐵磁性磨粒。同時(shí)由前面的計(jì)算可知，流體摩擦剪切力為幾十兆帕，而一般的硅材料的剪切模量為GPa數(shù)量級(jí)，所以流體摩擦剪切不能直接去除掉材料，材料去除是三體磨損與化學(xué)作用相結(jié)合或者摩擦剪切與化學(xué)作用相結(jié)合，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有觀察到劃痕，材料去除可能是摩擦剪切與化學(xué)作用的綜合作用。

2.2 分析討論

本文的分析結(jié)果表明，CMP過(guò)程材料的去除是流體潤(rùn)滑的流體剪切作用和化學(xué)反應(yīng)的綜合結(jié)果。拋光液中的某些成分（酸、堿或者其他氧化劑）與被拋光表面材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成很薄的剪切強(qiáng)度很低的化學(xué)反應(yīng)膜，反應(yīng)膜在潤(rùn)滑過(guò)程中流體產(chǎn)生的剪切力作用下被去處，從而露出新的表面，接著又繼續(xù)反應(yīng)生成新的反應(yīng)膜，如此周而復(fù)始的進(jìn)行，使表面逐漸被拋光修平，實(shí)現(xiàn)拋光的目的。

CMP過(guò)程中材料的去除與流體摩擦力的大小和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果緊密相關(guān)。從前面的數(shù)值計(jì)算分析中，流體潤(rùn)滑最大剪應(yīng)力增大另外一個(gè)重要的因素包括：拋光液中分散劑等有機(jī)高分子添加劑引起拋光液的粘度增加?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程中形成的顆粒狀或者多孔的反應(yīng)膜具有比較高的比表面積，可以起到催化劑的作用，加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

材料去除的過(guò)程可以簡(jiǎn)化理解如圖5所示。由理論計(jì)算得知，膜厚小的地方剪應(yīng)力大、膜厚大的地方剪應(yīng)力小而且剪應(yīng)力最大值隨膜厚呈指數(shù)衰減。假設(shè)能剪切材料時(shí)中心膜厚為h，當(dāng)拋光墊中的顆粒第一次經(jīng)過(guò)粗糙峰表面時(shí)，粗糙峰下降h1，工件表面變得相對(duì)平坦一些，拋光墊整體往下運(yùn)動(dòng)?h1，然后顆粒第二次經(jīng)過(guò)粗糙峰，繼續(xù)剪切粗糙峰，粗糙峰下降h2，墊下降……，如此循環(huán)直到將所有的粗糙峰材料去除掉。因?yàn)楣ぜ砻娲植诙葹?個(gè)n左右的光滑表面，這個(gè)尺度與顆粒半徑相比（幾十納米至微米級(jí)顆粒）是很小的，顆粒每次經(jīng)過(guò)粗糙峰剪切的粗糙峰縱向尺寸也很小，切下來(lái)的材料應(yīng)該具有較大的面積周長(zhǎng)比。因此，從示意圖中，工件達(dá)表面平坦過(guò)程并沒(méi)有劃痕產(chǎn)生的可能。

圖5 材料去除過(guò)程示意圖

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了CMP過(guò)程，得出了流體潤(rùn)滑摩擦剪切在化學(xué)腐蝕軟化作用輔助下去除材料的機(jī)理，解釋工件被拋光表面全局平坦化而沒(méi)有劃痕的現(xiàn)象。

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