高端塑料模具钢S136表面CMP精细加工工艺研究

摘要

模具型腔表面粗糙度不仅影响成型器件美观，且对产品性能有很大影响。随着高端塑料模具钢对表面质量要求越来越严苛，当前抛光技术局限性越来越大已难以满足其要求。探索一种新抛光技术使高端塑料模具钢在获得超光滑表面的同时获得全局平坦化很迫切并具有重大现实意义。化学机械抛光(CMP)作为当前能获得全局平坦化技术，在超大规模集成电路中广泛应用且抛光材料能获得理想抛光性能。本文以应用最广泛的高端塑料模具钢S136钢为例，来探讨采用CMP技术使其获得优良抛光性能的工艺参数组合并分析其材料去除机制和化学抛光机理。
　　本文采用X射线衍射，扫描电子显微镜，原子力显微镜等检测手段来表征抛光性能，以均方根粗糙度(RMS)和材料去除速率(MRR)评价抛光性能。文中研究了影响CMP性能最重要的参数，包括抛光液酸碱性、下压力、抛光机转速、磨料粒子种类。首先以单因素变量法来确定上述参数的大致分布水平。结果表明，压力与转速对S136钢抛光性能的影响呈现相似规律，随着压力转速的增大，MRR均增大，在参数值较小范围内，MRR对压力和转速的关系都可用改进的Preston方程来表达且由此方程预测的数值与实验测定值的误差在2％以内，当压力转速值进一步增大时，Preston方程失效;抛光液酸碱性对抛光性能有巨大影响，在酸性抛光液体系中，S136钢能获得更好的抛光性能;针对不同的磨料种类，最大的MRR和最小的RMS不能在同一个磨料中获得，经过综合考虑，选取SiO2作为最佳磨粒。
　　确定了各参数的大致分布水平后，采用正交实验法提出最佳抛光工艺参数，并进行实验验证。分别以MRR和RMS为评价指标，通过XRD分析、SEM分析、AFM分析进行结果验证。结果表明，原始S136钢RMS值为68.31nm，经最佳工艺参数抛光后，其RMS值为2.87nm, MRR值为173.26nm/min，与其他参数组合相比较，最佳工艺参数在获得最小表面粗糙度同时获得了最大的材料去除速率，这证实了以上正交实验结果所得出数据的有效性和可靠性。由指标关系图分析了各因素对抛光性能的影响程度大小。
　　最后，本文详细探讨S136钢CMP过程材料的去除机制和化学抛光机理，并对抛光缺陷的形成原因进行分析。对于S136钢的CMP过程，最为关键和核心的是使化学作用和机械作用之间取得平衡，所有参数变化和组合的本质是影响机械作用和化学作用的匹配平衡程度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 塑料模具钢简介

1．2．1 塑料模具钢基本要求

1．2．2 塑料模具钢分类及应用

1．3 S136钢简介

1．4 抛光在模具钢中的作用

1．5 塑料模具钢抛光现状

1．5．1 电化学抛光

1．5．2 超声波抛光

1．5．3 超声电解复合抛光

1．5．4 磁流变抛光

1．6 化学机械抛光方法的提出

1．6．1 CMP基本原理

1．6．2 CMP抛光机

1．6．3 CMP抛光垫

1．6．4 CMP抛光液

1．7 本论文研究意义、目的和内容

第2章 实验内容及方法

2．1 试样的制取

2．2 本实验整体实验方案

2．3 抛光液的配制

2．3．1 酸性抛光液体系

2．3．2 碱性抛光液体系

2．4 抛光性能的表征指标

2．4．1 表面粗糙度

2．4．2 材料去除速率(MRR)

2．5 数据分析方法与检测手段

2．5．1 最小二乘法确定最优直线

2．5．2 正交实验方案设计

2．5．3 X射线衍射分析(XRD)

2．5．4 扫描电子显微镜分析(SEM)

2．5．5 原子力显微镜分析(AFM)

2．6 本章小结

第3章 S-136钢GMP工艺参数试验探究

3．1 引言

3．2 酸性抛光液体系对CMP的影响

3．3 碱性抛光液体系对CMP的影响

3．4 单因素变量参数分析

3．4．1 转速对CMP抛光性能的影响

3．4．2 压力对CMP抛光性能的影响

3．4．3 磨料粒子种类对CMP性能的影响

3．5 正交实验的参数整体优化

3．5．1 实验方案设计与实验结果

3．5．2 实验结果分析

3．6 最佳工艺参数实验验证分析

3．6．1 表面粗糙度和材料去除速率分析

3．6．2 X射线衍射分析(XRD)

3．6．3 扫描电子显微镜分析(SEM)

3．6．4 原子力显微镜分析(AFM)

3．7 本章小结

第4章 材料去除机制与化学反应机理

4．1 CMP材料去除机制分析

4．1．1 基于接触力学理论的CMP材料去除机制内容和模型建立

4．1．2 基于流体动力学理论的CMP材料去除机制内容和模型建立

4．2 S136钢CMP抛光化学反应机理

4．2．1 S136钢动力学过程分析

4．2．2 S136钢化学反应过程分析

4．3 抛光缺陷分析

4．3．1 S136钢表面孔洞形成分析

4．3．2 S136钢CMP表面划痕分析

4．4 本章小结

第5章 全文结论与后续研究工作

5．1 全文结论

5．2 后续研究工作说明

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

作者简介