磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种新型的磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在辅助磁场的作用下,实现了一种磨粒尺寸与硬质抛光盘微观形貌依赖性小、材料去除率较高的抛光工艺。建立直径8 mm、高度不等的稀土钕铁硼永磁体以点阵形式组合形成的4类辅助磁场。仿真计算表明,柱状下凹磁极的磁场磁力HdH/dz分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。对磁性微球在抛光系统中的受力分析表明,磁性微球受到的磁力有助于复合磨粒从近抛光区域进入抛光区域,磁性复合磨粒能以二体磨损的方式划擦去除加工表面。以表面粗糙度Ra 0.5μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加辅助磁场前后,硅片的材料去除率从66 nm/min提高到179 nm/min,硅片表面粗糙度由抛光前Ra 405.860 nm减小到Ra 0.490 nm。     

利用复合磨粒抛光液的硅片化学机械抛光

为了提高硅片的抛光速率,利用复合磨粒抛光液对硅片进行化学机械抛光.分析了SiO2磨粒与聚苯乙烯粒子在溶液中的ζ电位及粒子间的相互作用机制,观察到SiO2磨粒吸附在聚苯乙烯及某种氨基树脂粒子表面的现象.通过向单一磨粒抛光液中加入聚合物粒子的方法获得了复合磨粒抛光液.对硅片传统化学机械抛光与利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光进行了抛光性能研究,提出了利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光技术的材料去除机理,并分析了抛光工艺参数对抛光速率的影响.实验结果显示,利用单一SiO2磨料抛光液对硅片进行抛光的抛光速率为180 nm/min;利用SiO2磨料与聚苯乙烯粒子或某氨基树脂粒子形成的复合磨粒抛光液对硅片进行抛光的抛光速率分别为273 nm/min和324 nm/min.结果表明,利用复合磨粒抛光液对硅片进行抛光提高了抛光速率,并可获得Ra为0.2 nm的光滑表面.     

静电层层自组装复合磨粒及抛光液的抛光性能研究

利用静电层层自组装原理,通过PDADMAC在聚合物粒子表面改性和吸附不同层数的SiO2磨粒,制备n-SiO2/BGF复合磨粒及其抛光液。分析了交替吸附PDADMAC和SiO2磨粒的BGF微球表面Zeta电位的变化,利用TEM表征了不同层数的n-SiO2/BGF复合磨粒SiO2磨粒的吸附情况。分析了聚合物表面磨粒的吸附层数、游离磨粒浓度、聚合物粒径对复合磨粒抛光液抛光的影响。抛光实验表明:3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液的材料去除率最高,为368.8nm/min;复合磨粒抛光液中的聚合物粒子为1～2μm、游离磨料SiO2的质量分数为5%时,材料去除率取得较大值。经3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液抛光后的硅表面,在10μm×10μm范围内,表面粗糙度从0.3μm降至0.9nm,峰谷值小于10nm,表明复合磨粒抛光液对硅片具有良好的抛光效果。     

硅片硬质抛光盘化学机械抛光工艺参数优化试验研究

在二氧化硅抛光液中加入聚合物微球,对硅片进行了复合粒子硬质抛光盘化学机械抛光试验.应用田口法对玻璃盘表面粗糙度、聚合物微球粒径、聚合物微球质量分数3个影响硅片材料去除率的因素进行了优化分析,得到以材料去除率为评价条件的最优抛光参数.对玻璃盘表面粗糙度和聚合物质量分数对硅片材料去除率的具体影响进行了实验分析,验证了上述结论.结果表明:玻璃盘的表面粗糙度与聚合物微球的粒径相适应和聚合物微球质量分数适中时,可以获得较高的抛光效率.     

利用复合磨粒抛光液的硅片化学机械抛光工艺参数优化试验研究

为提高硅片抛光速率,提出利用复合磨粒抛光液对硅片进行化学机械抛光.分析SiO2磨粒与某种氨基树脂粒子在溶液中的相互作用机制,观察SiO2磨粒吸附在氨基树脂粒子表面的现象.通过向单一磨粒抛光液中加入聚合物粒子的方法获得了复合磨粒抛光液.应用田口法对SiO2磨粒质量分数、氨基树脂粒子质量分数以及抛光速度三个影响硅片材料去除率的工艺因素进行了优化分析,得到以材料去除率为评价条件的优化抛光工艺参数.试验结果表明:利用5wt%的SiO2磨料、3wt%的氨基树脂粒子形成的复合磨粒抛光液,在抛光盘和载样盘的转速均为50r/min以及抛光压力为22kPa的工艺条件下,对硅片进行抛光的抛光速率达到353nm/min.     

基于响应曲面法的YG8硬质合金刀片化学机械抛光工艺参数优化

为了快速确定YG8前刀面抛光的最佳工艺参数,提高加工效率和精度,利用响应曲面法对YG8硬质合金刀片抛光工艺进行优化试验研究。通过单因素试验确定抛光转速、抛光压力、磨粒粒径和磨粒浓度的水平,并对4个工艺参数进行中心复合设计试验。建立了材料去除率RMR和表面粗糙度Ra的预测模型,基于响应曲面法优化工艺参数获得最佳工艺参数为抛光转速65.5 r/min、抛光压力156.7 kPa、磨粒粒径1.1 μm、磨粒浓度14%,此时得到了最小表面粗糙度预测值Ra=0.019 μm,材料去除率RMR=56.6 nm/min。试验结果表明,基于响应曲面法的材料去除率与表面粗糙度预测模型准确有效。     

单晶硅同质互抛实验研究

以材料的去除率和表面粗糙度为评价指标设计对比实验,验证了硬脆材料互抛抛光的可行性,得到了抛光盘转速对硬脆材料互抛的影响趋势和大小。实验结果表明：当抛光压力为48 265 Pa（7 psi）、抛光盘转速为70 r/min时,自配抛光液互抛的材料去除率为672.1 nm/min,表面粗糙度为4.9 nm,与传统化学机械抛光方式的抛光效果相近,验证了硬脆材料同质互抛方式是完全可行的;互抛抛光液中可不添加磨料,这改进了传统抛光液的成分;采用抛光液互抛时,材料去除率随着抛光盘转速的增大呈现先增大后减小的趋势,硅片的表面粗糙度随着抛光盘转速的增大呈先减小后增大的趋势。     

无抛光垫化学机械抛光技术研究

应用双电层理论分析了SiO2磨粒与聚苯乙烯粒子在溶液中的ζ电位及粒子间的相互作用机制,观察到SiO2磨粒吸附在聚苯乙烯粒子表面的现象.分析了基于复合粒子抛光液的无抛光垫化学机械抛光技术特点及其材料去除机理.比较试验表明,基于复合粒子抛光液的硅片无抛光垫化学机械抛光具有与传统化学机械抛光相接近的材料去除率和硅片表面粗糙度值,并可避免工件塌边现象的产生.     

CeO_2/SiO_2复合磨粒抛光性能及机制研究

为提高硅片抛光质量与效率,利用均相沉淀法制备CeO2/SiO2复合磨粒,配制绿色环保水基型抛光液对硅片进行化学机械抛光,研究pH值、抛光时间、抛光速度、抛光压力等抛光工艺参数对硅片抛光性能的影响。结果表明:随抛光液pH值增加,材料去除率相应增大;材料去除率在一定时间范围内随抛光时间增加而下降;材料去除量随抛光速度、抛光压力的增加均先增大后减小。推测CeO2/SiO2复合磨粒抛光机制为由于水合作用,在硅片表面形成一层易于磨削的软质层。     

CeO2/SiO2复合磨粒抛光性能及机理研究

为提高硅片抛光质量与效率,利用均相沉淀法制备ＣｅＯ２／ＳｉＯ２ 复合磨粒,配制绿色环保水基型抛光液对硅片进行化学机械抛光,研究ｐＨ值、抛光时间、抛光速度、抛光压力等抛光工艺参数对硅片抛光性能的影响。结果表明：随抛光液ｐＨ值增加,材料去除率相应增大;材料去除率在一定时间范围内随抛光时间增加而下降;材料去除量随抛光速度、抛光压力的增加均先增大后减小。推测ＣｅＯ２／ＳｉＯ２复合磨粒抛光机制为由于水合作用,在硅片表面形成一层易于磨削的软质层。     

磁场作用下磁性抛光液体的抛光特性及实验研究

介绍了一种基于旋转磁性抛光液体的抛光技术。磁性抛光液体在磁力搅拌器的作用下产生旋转运动,利用外加强磁场作用增大磁性液体的粘度和剪切屈服应力,当加工工件放入磁性抛光液体中,磁性抛光液体与之相接触的工件表面发生磨削,从而达到对工件表面的光整加工。实验详细研究了磁性抛光液体抛光后工件的抛光区内表面粗糙度与抛光时间和位置之间的关系,实验结果表明:旋转磁性抛光液体抛光可以用于对工件进行超光滑加工,抛光时间越长,各处粗糙程度越接近,表面粗糙度越好,并且表面粗糙度比单独用研磨抛光膏的效果好。     

介电泳效应磨粒流抛光中的电极形态

针对薄壁陶瓷工件内表面抛光，提出一种基于介电泳效应的磨粒流抛光方法。将非均匀电场布置于陶瓷工件外表面，极化磨粒，实现陶瓷工件内表面高效抛光。仿真分析发现:电极间隙比为2时，SiC磨粒具有最好的介电泳效应，参与抛光的磨粒最多。陶瓷工件初始内表面粗糙度值Ra为(208±5)nm时，抛光10 h后，无介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为51 nm，有介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为23 nm。     

磷化铟的动态磁场集群磁流变抛光工艺实验

为实现磷化铟高质量表面的绿色加工,使用动态磁场集群磁流变抛光对单晶磷化铟进行正交抛光实验,研究各工艺参数（抛光盘转速、工件转速、磁极转速和偏摆速度）对抛光速率及抛光表面粗糙度的影响。利用回归分析法建立反映材料去除率及表面粗糙度与抛光工艺参数关系的回归方程。结果显示：在抛光工艺参数中,工件转速对材料去除率影响最大,偏摆速度影响最小;对表面粗糙度影响最大的是抛光盘转速,磁极转速影响最小;在优化工艺参数（抛光盘转速40 r/min、工件转速500 r/min、磁极转速30 r/min、偏摆速度200 mm/min）下对单晶磷化铟抛光3 h后,表面粗糙度由Ra33 nm降至Ra 0.35 nm,材料去除率为2.5 μm/h,表明采用动态集群磁流变抛光的方法加工单晶磷化铟,可以得到高质量加工表面;建立的材料去除率及表面粗糙度回归模型,拟合优度判定系数分别为0.984 2和0.937,表明利用回归分析法建立的磷化铟磁流变抛光的材料去除率及表面粗糙度回归模型,能够有效地预测磷化铟集群磁流变抛光效果。     

Si_3N_4陶瓷的剪切增稠抛光

利用剪切增稠抛光技术(Shear-thickening polishing,STP)对Si_3N_4陶瓷圆柱工件进行的超精密加工,考察所制备的含有金刚石磨粒的抛光液流变行为,分析Si_3N_4陶瓷的金刚石基剪切增稠抛光液的STP特性,研究Si_3N_4陶瓷圆柱工件的加工效率、表面质量及圆度误差精度。结果表明:含有金刚石磨粒的抛光液具有非牛顿幂律流体的剪切增稠性质,当剪切速率(g(5))不断提高时,储能模量(G′)、耗能模量(G″)均呈现出一定的增长趋势,耗散因子(n′)不断降低;Si_3N_4陶瓷的STP加工为持续微切屑"柔性抛光"过程;抛光液中的金刚石磨粒粒径为0.2μm时,工件抛光的材料去除率相对较大,且MRR理论值与试验值的平均误差约为11.7%,表明在抛光区域内STP材料去除模型具有一定的有效性;工件经60 min的STP后,材料去除率由初期4.20μm/h下降到4.00μm/h,表面粗糙度R_a由107.2 nm降至26.5 nm;抛光120 min后,材料去除率会减小至3.85μm/h,表面粗糙度可降至R_a 6.5 nm;由初始圆度误差RONt 1.418mm下降至RONt 0.360mm,实现了Si_3N_4圆柱高效超精密抛光。     

有机碱对铜CMP材料去除率作用的实验研究

分别使用几种有机碱作为络合剂、SiO2水溶胶为磨料、H2O2为氧化剂,复配后分别进行相同工艺参数的抛光试验。试验结果表明:乙二胺强络合作用明显,对铜的去除率最大可以达到850.8 nm/min,表面粗糙度Ra=13.540°A;二羟基乙基乙二胺和二乙醇胺去除率较低,本试验中最大分别为71.8 nm/min和25.1 nm/min。乙二胺适合用于碱性环境下的ULSI铜抛光液,材料去除率较高的原因是有效的强络合作用与抛光参数相匹配以及化学作用和机械作用动态平衡的结果。     

超声波精细雾化抛光石英玻璃的抛光液研制*

为了配制适用于JGS1光学石英玻璃超声波精细雾化抛光的特种抛光液,以材料去除率和表面粗糙度为评价指标,设计正交试验探究抛光液中各组分含量对雾化抛光效果的影响,并对材料去除机制进行简要分析。结果表明：各因素对材料去除率的影响程度由大到小分别为SiO2、pH值、络合剂、助溶剂和表面活性剂,对表面粗糙度影响程度的顺序为SiO2、表面活性剂、pH值、助溶剂和络合剂;当磨料SiO2质量分数为19%,络合剂柠檬酸质量分数为1.4%,助溶剂碳酸胍质量分数为0.2%,表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮质量分数为0.9%,pH值为11时,雾化抛光效果最好,材料去除率为169.5 nm/min,表面粗糙度为0.73 nm;去除过程中石英玻璃在碱性环境下与抛光液发生化学反应,生成低于本体硬度的软质层,易于通过磨粒机械作用去除。使用该抛光液进行传统化学机械抛光和雾化化学机械抛光,比较两者的抛光效果。结果表明：两者抛光效果接近,但超声雾化方式抛光液用量少,仅为传统抛光方式的1/7。     

硬盘巨磁电阻磁头的超精密抛光工艺

硬盘巨磁电阻磁头的抛光可分为自由磨粒抛光和纳米研磨,在自由磨粒抛光中,精确控制载荷和金刚石磨粒的粒径,可以避免脆性去除实现延性去除。通过控制抛光过程中的抛光盘表面粗糙度、金刚石粒径大小及粒径分布和载荷等进行滚动磨粒和滑动磨粒比例的调控,获得较好的磁头表面质量和较高的材料去除率。在自由磨粒抛光阶段,先采用铅磨盘抛光,然后用锡磨盘抛光,以纳米研磨作为最后一道抛光工序对磁头表面进行研磨,获得了亚纳米级粗糙度的磁头表面。用两种工艺制作的纳米研磨盘进行加工,分别获得了0.37nm和0.8nm的磁头表面粗糙度,去除率分别为5.3 nm/min和3.9nm/min。     

分散剂对铜CMP材料去除率和表面粗糙度影响的实验研究

使用5种分散剂，SiO2水溶胶为磨料、H2O2为氧化剂，分别进行抛光实验。结果表明：二乙烯三胺和吡啶2种分散剂相对较好，二乙烯三胺（质量分数0．05％）对铜的材料去除率达到570．20nm／min，表面粗糙度为Rα1．0760nm，吡啶（质量分数0．75％）的材料去除率为373．69nm／min，表面粗糙度为Rα1．5776nm；二乙烯三胺提高了抛光液的碱性并增强了对铜金属的腐蚀作用是材料去除率提高的主要原因，其多胺基的极性吸附和与胶体分子羟基的化学键作用提高了抛光液磨粒胶体表面的zeta电位，较大的分子链有效地提高了磨料粒子间的空间排斥力，故较好的纳米磨料粒子分散性使抛光表面粗糙度降低。     

超声椭圆振动-化学机械复合抛光工具及实验研究

针对硅片的传统化学机械抛光,特别是随着硅片直径不断增大,硅片抛光表面质量和抛光效率成为一个亟待解决的问题。介绍一种超声椭圆振动-化学机械复合抛光新技术,并对抛光机理,抛光工具设计,性能及检测进行了详细论述和说明。在上述研究工作基础上,建立了超声椭圆振动辅助抛光实验系统,并进行了实验研究。实验结果显示,在抛光加工中引入超声椭圆运动后,工件抛光表面粗糙度值由传统抛光法的Ra0.077μm降低到Ra0.032μm,材料去除率最多可提高24%,且工件表面形貌有明显改善。     

集群磁流变平面抛光加工技术

基于磁流变效应和集群原理提出集群磁流变效应平面抛光技术,对磁极排布方式、端面形状及其尺寸的磁场特性进行静磁场有限元分析优化,结果表明,选取圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立"微磨头"组成的柔性抛光膜,能实现加工表面与"微磨头"的实际接触面积最大化。通过设置"微磨头"尺寸及数量与工件的接触状态,对K9玻璃、单晶硅和单晶6H-SiC三种硬脆材料基片加工出弧形抛光带,试验验证集群磁流变效应抛光膜的集群特性。对加工表面与抛光盘表面之间的间隙、加工时间、磁感应强度和转速等集群磁流变平面抛光工艺参数进行试验优化,并采取优化工艺对三种硬脆材料进行30 min抛光,K9玻璃表面粗糙度从Ra0.34μm下降到Ra1.4 nm,单晶硅从Ra57.2 nm下降到Ra4 nm,单晶SiC从Ra72.89 nm下降到Ra1.92 nm,均能获得纳米级粗糙度表面。