金 龍

（大慶石化建設(shè)有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）是一種集成電路的設(shè)計(jì)工藝，利用化學(xué)與力學(xué)的配合作用，對(duì)單晶硅、石英玻璃等硬脆性物質(zhì)進(jìn)行高精度、高質(zhì)量、低損耗的加工，目前在半導(dǎo)體、光學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

1 一種適合于高精度高硬度的研磨工藝

CMP（Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機(jī)械拋光）技術(shù)是日本茨城周立波博士的研究小組首先利用軟研磨工具與工件間的固—固相化學(xué)反應(yīng)，減輕了研磨過程中物料的脫除困難，然后利用研磨工具進(jìn)行研磨，達(dá)到高質(zhì)量、低損耗、高精度的研磨工藝。從相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，CMP 技術(shù)可以使單晶硅、石英玻璃、藍(lán)寶石等具有較高的平整性和表面粗糙度。

本文主要研究硬脆性物質(zhì)去除機(jī)理、軟磨料磨具和新的復(fù)合技術(shù)。CMP 技術(shù)在面型和表面品質(zhì)方面已經(jīng)取得了很好的效果，但目前尚不清楚軟研磨與零件之間固—固相反應(yīng)的臨界點(diǎn)，因此CMP 在高品質(zhì)、低損耗等方面還沒有得到應(yīng)用。

另外，CMP 磨削工具軟研磨劑的硬度比被加工的硬脆材料的硬度要小，因此磨損速率高，使得其處理效率不能適應(yīng)設(shè)備的不斷發(fā)展。通過對(duì)固—固相作用機(jī)制的研究，發(fā)現(xiàn)軟磨料與工件間的相互作用機(jī)制，從而打破了被處理物料的限制，研制出能夠改善CMP 加工效能的新技術(shù)，從而有效克服了CMP 研磨過程中存在的問題。

本文主要闡述CMP 在材料去除機(jī)理、磨削工藝、綜合工藝等方面的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展，對(duì)CMP 材料去除機(jī)理的分析方法進(jìn)行總結(jié)，并分析工藝參數(shù)、磨料磨削性能、磨削工藝參數(shù)、磨削工藝、混合工藝等因素對(duì)CMP 磨削質(zhì)量和效率的影響，并總結(jié)目前CMP工藝中的問題，對(duì)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 CMP 材料去除機(jī)理

在使用常規(guī)的高硬度磨料研磨時(shí)，所處理的物料以脆化為主。已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在應(yīng)力控制在0.02%～0.03%的情況下，大部分的脆物質(zhì)呈現(xiàn)出塑性態(tài)。為了可以高品質(zhì)的加工，一般會(huì)使用較細(xì)的研磨顆粒和較小的切深度來達(dá)到較高的研磨效果。而在切削時(shí)，由于材料的塑性變形，會(huì)在切削加工的表面上生成并堆積，從而使零件發(fā)生變形，因此不能得到完整的零件。目前已有學(xué)者提出，可以在消除金屬表面位壘能量的情況下，突破金屬表面原子點(diǎn)陣，打破金屬間的化學(xué)鍵能，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬基體中金屬的脫除。

盡管對(duì)粉體進(jìn)行加熱，其化學(xué)反應(yīng)類似于研磨，但其靜溫過程并未充分反應(yīng)出研磨顆粒與工件之間的化學(xué)力學(xué)效應(yīng)。另外，RAJENDRAN 等采用緊密約束的量子化動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)CeO2研磨顆粒進(jìn)行CMP 處理時(shí)的表面力學(xué)特性及化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了研究（圖1）。通過該方法可以達(dá)到脫除該物質(zhì)的目的，并且得出結(jié)論：Ce 有+3 和+4 的價(jià)態(tài)，易于生成CeO2和Ce2O3。

圖1 二氧化硅顆粒在氧化硅CMP 工藝中的分子動(dòng)態(tài)模擬

從以上的結(jié)果可以看出，研究者們對(duì)CMP 的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、磨削溫度場(chǎng)、磨削壓力等方面進(jìn)行了較為全面的試驗(yàn)，并通過分子動(dòng)態(tài)模擬等方法，對(duì)磨削中物料與磨料、添加劑發(fā)生的原子交換作用進(jìn)行初步探討，從而了解固—固相化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的特定的臨界條件和反應(yīng)機(jī)理。對(duì)比表明，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)改善CMP的處理效果具有重要的指導(dǎo)意義。但是，當(dāng)前的分子動(dòng)力學(xué)模擬仍是采用單一的研磨顆粒來進(jìn)行，單一的刻劃測(cè)試還無(wú)法精確地反映出砂輪特性、加工參數(shù)和裝備狀況，因此當(dāng)前的數(shù)值模擬只能作為輔助參考，其仿真技術(shù)及固—固相反應(yīng)的測(cè)試技術(shù)還有待改進(jìn)。

3 CMP 加工工藝

化學(xué)機(jī)械研磨是一種復(fù)合的化學(xué)與力學(xué)綜合的工藝，其中存在著由研磨顆粒擠壓、摩擦、剪切等及固—固相化學(xué)反應(yīng)等多種因素，從而對(duì)其工藝品質(zhì)和工藝效果產(chǎn)生一定的影響。許多學(xué)者從研磨過程中的工藝條件和研磨工具自身的性質(zhì)，來探討其對(duì)CMP 研磨品質(zhì)和研磨效能的作用。

一般情況下，單一的軟研磨工藝很難實(shí)現(xiàn)固—固相化學(xué)反應(yīng)，需要在CMP 特殊的研磨工藝中加入合適的促進(jìn)固—固相化學(xué)反應(yīng)的助劑，降低研磨物料與工質(zhì)之間的反應(yīng)門檻，從而有利于固—固相化學(xué)反應(yīng)。CMP 的特殊磨料、添加劑、磨料的種類、磨料的構(gòu)造等因素，直接關(guān)系到磨料的最終加工效果和產(chǎn)品的品質(zhì)。

相關(guān)學(xué)者研制的CMP 型氯化鎂粉砂輪比用樹脂型的金剛石砂輪提高了產(chǎn)品的表面品質(zhì)，降低了亞表層的破壞，并將其原因歸于在常溫和常壓下進(jìn)行的交聯(lián)，使氯化鎂粉砂輪的空隙比樹脂砂輪大（圖2），因而獲得了較好的研磨結(jié)果。SASAKI 等分別對(duì)節(jié)段形和環(huán)形CMP 砂輪進(jìn)行了研磨試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)節(jié)段形砂輪對(duì)物料的脫除性較好（圖3）。此外，WANG 等研制出一種非粘接性磨料研磨工具（研磨料的品質(zhì)百分比分別為100%及99.5%），目的在于改善藍(lán)寶石研磨工藝中的物料去除速度，并用試驗(yàn)證明，無(wú)粘結(jié)劑CMP 磨具的物料去除速度明顯高于常規(guī)的粘結(jié)劑CMP 磨具（圖4）。結(jié)果表明，研磨工藝中的燒成工藝對(duì)研磨工藝的物料脫除量有很大的影響。

圖2 不同結(jié)合劑的CMP 砂輪

圖3 不同形狀的CMP 砂輪

圖4 無(wú)結(jié)合劑磨料磨具

因此，根據(jù)不同的工件選用適當(dāng)?shù)难心┖椭鷦?，可以有效改善CMP 的生產(chǎn)效果，而研磨機(jī)自身的制造技術(shù)也會(huì)對(duì)其性能造成一定影響。所以不僅要對(duì)研磨過程中物料與各種研磨料之間的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入探討，還要充分利用化學(xué)—力學(xué)的相互影響來對(duì)研磨過程進(jìn)行優(yōu)化，包括組織配方、幾何結(jié)構(gòu)、制作過程等因素對(duì)研磨過程的影響，進(jìn)而改善CMP 的加工品質(zhì)和生產(chǎn)效果。

4 結(jié)論與展望

化學(xué)機(jī)械磨削工藝的理論探討與工藝優(yōu)選尚處在理論探討與工藝優(yōu)選的階段，化學(xué)機(jī)械磨削工藝參數(shù)及專用軟磨料磨削工藝參數(shù)的開發(fā)目前存在諸多問題，主要包括3 個(gè)方面。

（1）研磨機(jī)制。了解CMM 研磨過程中物料的清除機(jī)制對(duì)于提高工藝的生產(chǎn)效率和確保工藝的品質(zhì)至關(guān)重要。由于化學(xué)機(jī)械拋光中物料的脫除是一種物理與化學(xué)相結(jié)合的工藝，需要從化學(xué)與力學(xué)兩方面來探討其脫除機(jī)制。根據(jù)已有的結(jié)果可以看出，化學(xué)效應(yīng)在一定程度上可以減弱被處理物質(zhì)的原子阻擋能，也可以產(chǎn)生柔軟的反應(yīng)層，但是對(duì)于化學(xué)的影響，大多數(shù)人認(rèn)知還只是對(duì)中間體和分子的動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)于非晶物質(zhì)和某些產(chǎn)品的反應(yīng)條件和形成機(jī)制還沒有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

（2）軟研磨工具。為了使CMP 的優(yōu)點(diǎn)由扁平型到更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到更好的加工效果，進(jìn)而減少制造費(fèi)用，需要對(duì)磨具制造的工藝條件、磨具磨損的機(jī)制的影響進(jìn)行深入研究。

（3）處理過程。盡管目前的CMP 技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到高品質(zhì)的表面處理，但是它是一個(gè)力學(xué)與化學(xué)交互的過程，為了達(dá)到較少的傷害或不損壞工件，兩者之間需要達(dá)到一個(gè)相對(duì)的均衡。

在CMM 研磨中，除目前急需解決的主要技術(shù)問題之外，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

（1）處理的目標(biāo)多種多樣。由于目前有關(guān)CMP 的主要研究對(duì)象是單晶硅、石英玻璃等硬性、易碎的非金屬材料，只要對(duì)其化學(xué)機(jī)制進(jìn)行深入了解，其應(yīng)用領(lǐng)域可以擴(kuò)展到工程陶瓷、硬質(zhì)合金、復(fù)合材料等。

（2）擴(kuò)大處理更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的適用范圍。目前，化學(xué)磨削技術(shù)多用于平面化和光電子設(shè)備的磨削，因此只要對(duì)化學(xué)反應(yīng)閾值、磨料磨具進(jìn)行足夠的了解，就可以將其加工范圍擴(kuò)大到曲面、三維、微觀結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)零件的超精細(xì)制造，有利于提高化學(xué)磨削工藝的品質(zhì)。

（3）研制智能型CMP 研磨系統(tǒng)的資料庫(kù)。通過對(duì)化學(xué)機(jī)械研磨機(jī)制的研究，可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)條件、物理機(jī)械屬性變化、材料去除、磨料磨具的磨耗進(jìn)行預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)機(jī)械研磨工藝的智能化分析與判斷。