固结磨料抛光垫图案优化及抛光垫性能评价

摘要

随着光学、光电子学、数码产品和IC产业的蓬勃发展,各种具有超光滑表面的功能性硬脆性材料的需求日益增多,对精密、超精密加工技术也提出了更高的要求,化学机械抛光(CMP)技术是一种基于分子量级的材料去除以获得高精度和高表面质量完整性的加工技术。然而,传统游离磨料CMP存在着诸如加工效率低、成本高、污染严重、工艺可控性差等缺点,由此固结磨料化学机械抛光(FA-CMP)技术应运而生。
　　 本文通过数学建模对固结磨料抛光垫表面结构进行优化,并通过图形转移法和UV固化工艺制备出了亲水性固结磨料研磨抛光垫(FAP),围绕着FAP,开展了如下工作:
　　 1.建立了FAP的磨损数学模型,探讨了FAP表面的磨损规律,揭示了研磨抛光过程中抛光垫沿径向磨损的不均匀性；分析了化学机械抛光工艺参数以及抛光垫结构参数对FAP的均匀磨损性能的影响,结果表明:增大工件的半径会使最大磨损量增大；增大偏心距会使抛光垫磨损轨迹密度的最大值出现的位置远离抛光垫中心,但最大磨损量却越来越小,在保证工件与抛光垫的内外径都相交的情况下,选择较大的偏心距有利于提高抛光垫的均匀磨损性；选择较大的转速比可以显著改善抛光垫的均匀磨损性。提出了一种对FAP表面结构进行了优化设计的方法以达到较佳的FAP均匀磨损性能,并通过图形转移法和UV固化工艺,以亲水性UV固化树脂作为FAP的基体,将磨粒固结于其中,制备出了具有特殊图形结构的亲水性FAP。
　　 2.以工件材料去除率(MRR)、三维轮廓表面粗糙度(Sa)和工件表面局部平面度作为评价指标,对优化图案后的FAP的加工性能进行评价。实验证明:使用优化图案后的FAP加工单晶硅片可以获得更加优异表面粗糙度和局部平面度；利用FAP加工材料可以获得比用传统游离磨料抛光垫加工高出数十倍的MRR,大大提升加工效率；不管抛光垫表面结构是否经过优化,用FAP进行研磨抛光加工均可以获得比用游离磨料抛光垫更加优异的平面度。
　　 3.总结评价亲水性FAP基体性能的两个指标:溶胀率和铅笔硬度,提出了磨粒保持性的概念并将其作为评价亲水性FAP的一个新的指标；提出了一种用实验测定磨粒保持性的方法:通过实验分析了溶胀率和铅笔硬度对磨粒保持性的影响,研究结果表明:在溶胀率相近的情况下,随着抛光垫湿态铅笔硬度的增加,磨粒保持率呈上升趋势:而在铅笔硬度一定的情况下,随着溶胀率的增大,磨粒保持性也呈增大的趋势.
　　 4.通过对金刚石的表面进行改性处理来探索提高磨粒保持性,取得了较为满意的结果。经过表面改性后的金刚石制成的FAP磨粒保持性比未经过表面改性金刚石制成的抛光垫的磨粒保持性高出数倍。但由于磨粒保持性不是评价抛光垫优劣的唯一指标,实验比较了用改性和未改性的金刚石制成的FAP的加工性能,综合考虑认为改性后的金刚石PDMN56或PDM可以代替未改性的金刚石磨料添加到FAP基体中制成新型FAP,在提高加工效率、加工后工件表面质量以及FAP使用寿命等方面都有积极的作用。
　　 5.结合目前实验室的实际加工条件建立了用FAP研磨抛光时磨粒嵌入工件表面的切深数学模型,提出了当不考虑抛光垫的弹性变形且FAP中添加的磨粒粒径范围在10μm～14μm之间时,磨粒压入工件的最大深度值在0.4μm左右；当考虑抛光垫的弹性变形时,磨粒嵌入工件的深度将普遍减小从而使得加工后工件的表面质量得到明显提高,主要表现在加工后工件表面划痕数量和划痕深度大大减小,表面粗糙度值降低；为了验证模型的正确性,本文通过研磨抛光实验收集了大量磨屑并对其拍摄大量SEM照片,通过图像处理证明了加工产生的磨屑中,91％以上(均值96.5％)的磨屑深度小于0.3μm,非常好地吻合了本文中所建立的切深数学模型。
　　 最后,概括了全文的主要结论,并在此基础上对理论上和技术上尚存在的问题和所要做的进一步工作做出了展望。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 化学机械抛光(CMP)技术

1.2.1 化学机械抛光概述

1.2.2 传统CMP缺点

1.3 固结磨料研磨抛光

1.3.1 固结磨料研磨抛光概述

1.3.2 固结磨料研磨抛光研究现状

1.3.3 固结磨料抛光垫的发展以及出现的问题

1.4 本文研究的主要内容

第二章 固结磨料抛光垫的图案优化

2.1 FAP的磨损数学模型

2.1.1 工件与抛光垫的相对运动分析

2.1.2 抛光垫的磨损

2.2 化学机械抛光加工工艺参数对FAP的均匀磨损性能的影响

2.2.1 偏心距对FAP的均匀磨损性能的影响

2.2.2 工件半径对FAP的均匀磨损性能的影响

2.2.3 转速比对FAP的均匀磨损性能的影响

2.3 具有均匀磨损性能的FAP的优化设计与制备

2.3.1 给定加工参数下FAP的磨损规律

2.3.2 抛光垫优化设计的分区

2.3.3 抛光垫二次模具的制备

2.3.4 硅橡胶模具及优化图案后的FAP的制备

2.4 本章小结

第三章 固结磨料抛光垫图案优化效果评价

3.1 研磨抛光实验设置

3.1.1 研磨抛光平台

3.1.2 抛光垫

3.1.3 研磨抛光液

3.1.4 工件的装夹及卸片

3.2 用三种抛光垫加工后MRR的对比

3.2.1 工件材料的去除率

3.2.2 用三种抛光垫加工的MRR对比

3.3 用三种抛光垫加工后工件表面质量的对比

3.3.1 用三种抛光垫加工后工件表面粗粗度的对比

3.3.2 用三种抛光垫加工后工件表面平面度的对比

3.4 本章小结

第四章 固结磨料抛光垫的磨粒保持性研究

4.1 传统FAP评价指标

4.2 FAP评价指标的选取

4.2.1 溶胀率

4.2.2 铅笔硬度

4.2.3 磨粒保持性

4.3 磨粒保持性的测定方法及结果分析

4.3.1 磨粒保持性测定的实验方案

4.3.2 立体显微镜拍摄的结果

4.3.3 磨粒保持性结果的分析

4.4 提高磨粒保持性的方法探索

4.4.1 抛光垫配方选择

4.4.2 实验结果

4.4.3 改性后金刚石制成的FAP加工效果

4.5 磨粒保持性测定中存在的问题

4.6 本章小结

第五章 研磨加工材料去除机理探索研究

5.1 材料去除机理模型

5.2 切深模型建立

5.2.1 切深模型的建立

5.2.2 切深模型的分析

5.3 材料去除机理实验探索

5.3.1 材料去除机理实验研究方案

5.3.2 材料去除机理实验研究结果

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文

1.学术论文

2.专利

3.科研项目