3D打印镍基合金GH3536化学机械抛光机理研究

目的实现无瑕疵的3D打印镍基合金GH3536超光滑镜面,揭示镍基合金GH3536在不同成分溶液下的化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)去除机理。方法采用单因素实验法通过CMP对镍基合金GH3536展开研究。采用电化学测试技术和X射线光电子能谱(X-rayPhotoelectron Spectroscopy,XPS)分析3D打印镍基合金GH3536在不同p H值、不同氧化剂浓度和不同抛光液类型下的溶解与钝化行为。结果当pH值为3~3.5、H_(2)O_(2)质量分数为10%时,可获得最优的材料去除率(MRR为20.24 nm/min)和表面粗糙度(Surface Roughness,其中Ra为0.684 nm,S_(a)为1.699 nm),CMP抛光面可达到超光滑低损伤的镜面效果。根据电化学和XPS测量结果,建立了化学反应方程,确定了去除机理,具体为:在化学机械抛光过程中,镍基合金GH3536表面首先被H_(2)O_(2)氧化成Ni、Fe等氧化物;其次,在酸性H^(+)作用下,氧化物转化为Ni^(2+)、Ni^(3+)和Fe^(3+)等多价离子;最后,多价离子会与柠檬酸发生络合反应生成较软的柠檬酸盐络合物,在CMP抛光中发生去除。结论与传统电化学加工相比,采用CMP加工的3D打印镍基合金GH3536的表面粗糙度更低,表面形貌更好,可用于对面型精度要求较高的镍基合金的超精密加工。基于电化学测试技术和XPS深度剖析的方法有效揭示了镍基合金GH3536的材料去除机理,获得了不同p H值、氧化剂浓度和不同抛光液种类对材料去除机理的影响规律。为获得新型高质量表面的3D打印合金材料提供指导意义。

工艺参数对浸没式直流介电泳辅助化学机械抛光蓝宝石晶片的影响

目的为了实现蓝宝石晶片的高效超光滑表面加工,提出浸没式直流介电泳辅助化学机械抛光方法,研究该方法对蓝宝石晶片的加工适应性。方法搭建了浸没式直流介电泳辅助化学机械抛光系统,通过单因素实验探究接入电压、工件及抛光盘转速、偏摆移动速度、抛光时间及抛光垫类型对蓝宝石晶片的加工效果,并深入分析负介电泳效应对CMP加工过程的影响。结果直流介电泳辅助CMP方法可以显著提高蓝宝石晶片的抛光效果,在2000V的接入电压下,化学机械抛光的材料去除率MRR提高了99.97%,达到了7.53nm/min,表面粗糙度Ra降低至2.51nm,工件表面划痕数量明显减少。工件及抛光盘转速、偏摆移动速度的提升都会使抛光MRR和Ra先升后降,带槽的抛光垫对介电泳效应控制磨料起促进作用。各个因素的影响对提高有效磨料数起交互作用,负介电泳效应促使磨料聚集在抛光垫表面,而工件与抛光垫的相对运动促使磨料更新循环。结论采用接入电压2000 V、工件及抛光盘转速80 r/min、偏摆速度60 r/min,在精抛垫下抛光蓝宝石晶片90 min,可以获得表面粗糙度Ra为0.953 nm的光滑表面。

单烷基磷酸酯钾盐抑制剂对Co互连化学机械抛光的影响

针对抛光液中传统抑制剂如苯丙三氮唑(BTA)等具有毒性,会污染环境等问题,以SiO2为磨料,在甘氨酸-双氧水体系下,使用单烷基磷酸酯钾盐(MAPK)作为新型抑制剂制备Co互连粗抛抛光液,通过抛光和静态腐蚀实验和电化学、光电子能谱、接触角分析等表征方式揭示MAPK在化学机械抛光(CMP)中对Co表面质量的改善以及对Co的抑制机制。结果表明:MAPK通过物理吸附和化学吸附方式在Co表面形成的致密钝化膜,可以很好地抑制Co的腐蚀,从而可以在较低的静态腐蚀速率下获取较高的去除速率;加入MAPK可以提高抛光液的润湿性,能够显著改善Co互连抛光后的表面质量,使Co的去除速率大于500 nm/min,静态腐蚀速率小于1 nm/min,表面粗糙度小于0.5 nm。

碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展

化学机械抛光已经成为半导体制造中关键的工艺步骤之一,该技术是目前实现碳化硅晶片超精密加工的一种常用且有效的方法,可用于加工晶片表面,以获得高材料去除率、高表面质量和高表面平整性的晶片。然而,在碳化硅晶片化学机械抛光中,晶片表面材料去除非均匀性一直是一个具有挑战性的问题,减小晶片表面材料去除非均匀性对确保半导体器件的高性能和稳定性至关重要。本文介绍了碳化硅材料的性质及应用与化学机械抛光工艺,研究了不同碳化硅化学机械抛光技术的材料去除机理、不同化学机械抛光技术的发展状况和性能及优缺点,综述了碳化硅晶片化学机械抛光中材料去除非均匀性影响因素,如:抛光压力、抛光液(磨粒)和转速等因素,最后对未来碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究做出了展望。

单晶SiC基片干式摩擦化学机械抛光初探

针对碳化硅(SiC)基片在抛光过程中效率低、费用高、环境污染大等问题,提出了一种在干式状态下对SiC基片进行摩擦化学机械抛光的方法(dry tribochemical mechanical polishing,DTCMP)。探究不同工艺参数(磨料种类、磨粒粒径、磨粒含量、抛光盘转速、抛光载荷、固相氧化剂含量)对单晶SiC基片抛光效率和表面质量的影响规律。研究结果表明:金刚石磨粒更适合SiC的摩擦化学机械抛光;当磨粒粒径为W1,磨粒质量为4 g,抛光盘转速为70r/min,抛光载荷为20.685 k Pa,固相氧化剂过碳酸钠添加量为10g时,其为最优工艺参数。采用最优工艺参数对表面粗糙度约为20nm的单晶6H-SiC基片进行干式抛光加工,最终获得表面粗糙度R_(a)为3.214 nm。DTCMP方法抛光SiC基片比水基抛光法热量损失少,所产生的界面温度更高,反应所需的活化能更低,可以实现SiC基片的绿色、高效和高质量抛光。

铌酸锂单晶薄膜化学机械抛光及极化研究

使用化学机械抛光制备硅基铌酸锂单晶异质集成薄膜,研究了在薄膜制备过程中不同阶段下薄膜状态,利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱分析(XPS)对单晶铌酸锂的表面形貌与元素含量变化进行了表征,并通过高压极化装置对铌酸锂薄膜实现了大面积周期性极化。研究结果表明,随着研磨步骤的进行,样品表面粗糙度逐渐降低,完成最终抛光工艺后,样品表面均方根粗糙度基本达到初始样品水平;抛光过程会导致Li缺失,但是可以通过后续工艺进行修复,研磨过程中引入的杂质元素会随着工艺的进行逐渐被去除,最终得到高质量硅基铌酸锂单晶薄膜;使用高压极化装置对铌酸锂薄膜进行极化,得到周期极化的条形电畴反转单元结构。该研究对制造基于铌酸锂的高性能传感器件具有重要意义。

IC互连金属及其阻挡层化学机械抛光的研究进展

集成电路的产业发展作为衡量一个国家经济实力的重要指标,反映该国的整体实力。在集成电路的众多制备工艺中,化学机械抛光(Chemical mechanical planarization,CMP)是关键制造技术之一,也是目前应用最广且能够实现全局和局部平坦化的技术。互连技术与CMP紧密相关,芯片互连属于后段制程,目前的互连技术主要包括铜互连、钴互连,在使用这些互连技术时不可避免地会影响芯片的性能,包括金属离子扩散速率快、薄膜与衬底的结合强度差等,学者们通过加入阻挡层来解决这些问题。互连金属和阻挡层都要进行CMP工序,它直接决定芯片良率和可靠性。本文总结了互连金属及其阻挡层化学机械抛光的研究进展,以技术节点出发介绍了三种典型的互连金属以及它们常用的阻挡层材料,分析总结了各种材料的抛光机理、抛光液组分、抛光效果及其材料的应用优势与缺陷,简述了在CMP互连与阻挡层的研究中存在的局限性,最后对新的材料、新型互连技术的研发及应用进行了展望。

Y^(3+)掺杂二氧化硅磨料的合成及其在氧化锆陶瓷中的化学机械抛光行为

为了提高氧化锆陶瓷的抛光效率,在二氧化硅表面掺杂Y^(3+)得到改性磨料.X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析表明,Y元素以Y(OH)_(3)的形式存在于改性磨料中.扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和粒度分析结果表明,复合磨料呈球形,粒度均匀,无聚集体和2次颗粒出现.与纯胶体二氧化硅磨料相比,材料去除率(material removal rate,MRR)提高了33%左右.MRR增大的原因是掺杂的Y(OH)_(3)改变了二氧化硅颗粒的Zeta电位,减小了二氧化硅颗粒与氧化锆陶瓷之间的排斥力,增大了二氧化硅颗粒和氧化锆陶瓷基体之间的接触概率,导致摩擦系数增大.

单晶SiC的化学机械抛光及辅助技术的研究进展

由于单晶碳化硅(SiC)的传统化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)技术加工效率低,故提高SiC表面质量和材料去除率成为研究热点.总结了CMP中抛光液的主要成分,比较了CMP辅助抛光技术对单晶SiC抛光性能和作用机理的影响,并对单晶SiC-CMP技术的未来发展进行了展望.

化学机械抛光中摩擦润滑与化学行为研究进展

从三个方面对化学机械抛光(CMP)过程中摩擦与化学行为的研究进行了综述,其主要分为:关于抛光液中化学组分影响晶圆摩擦润滑状态的实验研究、CMP过程中抛光液组分与晶圆表面材料反应的分子动力学和反应力场分子动力学模拟研究、同时考虑摩擦润滑与化学反应的CMP材料去除速率模型。针对CMP过程中机械与化学协同作用的机理研究尚不明确,考虑机械摩擦与化学反应协同作用是未来完善CMP理论框架的重要研究方向之一。

单烷基磷酸酯钾盐和烷基糖苷对钴互连化学机械抛光的影响

[目的]目前钴(Co)互连化学机械抛光(CMP)使用的传统唑类抑制剂(如苯并三氮唑)一般有毒性,会对环境造成危害。[方法]在以甘氨酸为配位剂、过氧化氢为氧化剂和SiO_(2)(平均粒径60 nm)为磨料的情况下,添加阴离子型表面活性剂单烷基磷酸酯钾盐(MAPK)和非离子型表面活性剂烷基糖苷(APG)作为抑制剂,得到绿色环保的抛光液。先从Co的去除速率和静态腐蚀速率、抛光液的润湿性及抛光后Co的表面品质入手,研究了MAPK与APG对Co互连CMP的影响。接着通过电化学分析和密度泛函理论分析,构建出两种表面活性剂在Co表面的吸附模型,探讨了它们对Co互连CMP的影响机制。[结果]MAPK与APG复配时抛光液的润湿性最好,Co镀膜片在CMP过程中的去除速率和静态腐蚀速率分别为454 nm/min和1 nm/min,抛光后表面品质良好,无腐蚀缺陷。[结论]MAPK和APG都较环保,有望替代传统抑制剂用于钴互连化学机械抛光。

环保型缓蚀剂壳寡糖对304不锈钢化学机械抛光的影响

为研究环保型缓蚀剂壳寡糖对304不锈钢化学机械抛光过程和抛光效果的影响,探讨其在抛光过程中与金属表面的作用方式及吸附机制,采用化学机械抛光试验、接触角测量、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线色散能谱仪(EDS)分析等方法,研究壳寡糖有机分子对304不锈钢化学机械抛光的影响,采用量子化学计算研究壳寡糖分子的全局反应参数,分析计算反应活性位点,采用分子动力学模拟有机分子在金属表面的吸附并分析活性原子的径向分布。结果表明:CMP抛光过程中添加壳寡糖能够通过吸附作用在304不锈钢表面形成一层疏水性的薄膜,抑制氧化剂对不锈钢表面的刻蚀,提高抛光后的表面质量;在壳寡糖质量浓度为400 mg/L时得到表面粗糙度为1.65 nm的最佳表面质量。量子化学研究表明,壳寡糖的活性反应位点主要为O原子,能够在金属表面形成多中心吸附。分子动力学模拟表明,壳寡糖有机分子能够平行吸附在金属表面,有机分子中的O原子能够与铁原子形成配位键,在吸附中占据主导地位。

氧化剂含量对304不锈钢化学机械抛光的影响

为了探究氧化剂含量对304不锈钢化学机械抛光的影响及其作用机制,采用过氧化氢作为氧化剂,研究不同氧化剂质量分数下304不锈钢材料去除率及表面粗糙度值的变化规律,并基于接触角和电化学试验分析过氧化氢在抛光过程中的作用机制。结果表明:化学机械抛光过程中过氧化氢含量的增加有利于304不锈钢表面氧化膜的生成,从而有效提高304不锈钢的材料去除率及表面质量;但是过高的过氧化氢含量会导致304不锈钢表面氧化膜致密,使得化学作用与机械作用失衡从而造成304不锈钢表面质量下降;当过氧化氢质量分数为0.04%时,抛光后304不锈钢表面粗糙度值最低,仅有2.5 nm,材料去除率达到324.21 nm/min。

金刚石化学机械抛光研究进展

金刚石以优异的性能在力学、光学、热学和电子学(如半导体)等领域发挥着重要作用。然而,金刚石表面质量会影响其在这些领域的应用效果,因此通过高效抛光技术获得高质量表面一直是金刚石研究的重点内容。金刚石抛光技术主要有机械抛光、热化学抛光、激光抛光和化学机械抛光等,其中化学机械抛光(CMP)具有设备运行成本低、工艺简单、抛光后表面损伤小等优点。本文在对上述几种抛光方法进行分析对比的基础上,聚焦于CMP领域,对其发展历程进行了较详尽的对比与分析。早期CMP技术虽在工艺和抛光效率上存在一定局限,但为后续技术的创新与优化奠定了基础;H_(2)O_(2)及其混合物的应用,不仅增强了CMP过程中的化学反应活性,提高了材料去除率,还有效降低了表面粗糙度,改善了金刚石表面质量;光催化辅助化学机械抛光可使金刚石达到高表面质量,但设备相对复杂,无法满足大规模生产的需求,需要进一步研究和优化。此外,本文还对化学机械抛光的未来发展进行了预测,为相关领域研究人员提供参考。

烷基糖苷对硅片化学机械抛光腐蚀缺陷的影响

针对化学机械抛光(CMP)后硅片表面出现腐蚀缺陷的问题,研究了烷基糖苷(APG)对硅片表面腐蚀缺陷的影响。结果表明APG对硅片的抛光速率和静态腐蚀速率都有抑制效果,当APG质量浓度为0.8 mg/L时能获得较快的抛光速率(836 nm/min)、较低的静态腐蚀速率(3 nm/min)。经过不含APG的抛光液抛光后,硅片表面缺陷数目344个,采用扫描电子显微镜发现缺陷类型主要是腐蚀缺陷,此时硅片表面粗糙度0.58 nm。当抛光液中加入0.8 mg/L的APG时,缺陷数目下降到43个,表面粗糙度下降到0.28 nm。接触角和Langmuir吸附计算结果证明,APG主要依靠其亲水端的羟基和醚键在硅片表面物理吸附成膜,从而隔绝了抛光液中有机碱对硅片表面的腐蚀。

基于纳米二氧化硅浆料的化学机械抛光研究

化学机械抛光技术是当今时代能实现集成电路(IC)制造中晶圆表面全局平坦化的重要技术。集成电路芯片上各个功能元器件制作完成之后,需用金属导线按照特定的功能将其连接。金属铜具有低电阻率、高导热系数和优异的抗电迁移能力,是实现互连最为重要的金属材料。目前,主要采用双大马士革工艺实现芯片各元器件之间的铜导线互连,该工艺对每一层布线后铜的表面平整度有非常高的要求。因此,需采用合适的化学机械抛光技术对铜导线进行处理。研发了一款以纳米SiO_(2)为磨料的化学机械抛光液,可用于金属铜及其合金的化学机械抛光作业,浆料pH值在9—10之间且质量分数可调,研究了抛光液磨料含量和抛光工艺参数对其抛光铜片效果的影响。结果表明:抛光液中的纳米SiO_(2)磨粒原生粒径为(50±20)nm,比表面积为(50±10)m^(2)·g^(-1),粒径分布均匀,且能长时间保持稳定分布状态,经过约280 d的跟踪监测,浆料中SiO_(2)粒子中位粒径仅增大4.5%,浆料稳定性良好;抛光可实现单质铜表面亚纳米级精度,在抛光液磨料质量分数为25%、抛光加载压力为10 N、抛光头和抛光盘转速为150 r·min^(-1)且逆向旋转的工艺条件下,单质铜表面粗糙度最低,可达1.33 nm;单质铜的材料去除率最高可达160 nm·min^(-1),能够满足IC制造过程中晶圆表面快速平坦化加工的需求。

化学机械抛光垫在集成电路制造中的专利技术分析

通过对美国罗门哈斯公司1997—2020年在抛光垫领域的专利申请进行分析,得到其全球专利申请量分布和申请趋势、专利转让情况、专利法律状态、专利布局区域、专利引用状况以及技术发展脉络等重要信息。确定了该公司从1909年至今在该领域中的研发历程和研发重点方向,为我国企业在该领域的发展和突破,以及在技术和区域方面的专利布局提供一定的参考,促进我国在化学机械抛光垫领域中的健康发展。

潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究

潮湿颗粒电解质电化学机械抛光(Moist particle electrolyte electrochemical mechanical polishing,MPEECMP)作为新兴技术,仍存在难以获得高表面质量的问题。为解决该问题,深入研究电解质颗粒与工件的接触特性,采用离散元仿真软件Altair EDEM探究了工件倾斜角、转速对接触数量、接触力的影响规律,并进行MPE-ECMP工艺试验。研究结果表明,倾斜角为30°时,单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量最多,且切向力最大,为3.38 mN;在90°时,切向力最小,为1.21 mN。随着工件转速增大,单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量变少,电解质颗粒与工件接触的法向力、切向力呈增大趋势。当抛光电位(vs.Hg/Hg_(2)SO_(4))为0.8 V,工件倾斜角为30°,抛光1 h,表面粗糙度从S_(a)433.51 nm降低到S_(a)22.43 nm,降低了94.8%。结果证明了工件倾斜角、转速的调整可有效提高MPE-ECMP的抛光精度,表面粗糙度的降低是由接触数量及接触力共同决定的,EDEM可有效模拟电解质颗粒运动的流态特性,为MPE-ECMP的进一步研究奠定了基础。

石英晶片化学机械抛光工艺优化

为同时优化化学机械抛光(CMP)后石英晶片平面度和表面粗糙度,进行化学机械抛光协调控制实验。分析了抛光时间、抛光转速和抛光压力对石英晶片平面度和表面粗糙度的影响,确定了最佳工艺参数。研究结果表明:石英晶片平面度和表面粗糙度都随抛光时间延长而优化,在150 min时,平面度和表面粗糙度都能达到稳定。抛光时间为150 min、抛光盘转速为50 r/min、抛光压力为53.5 N时,能使晶片同时得到较好的平面度和表面粗糙度,此时平面度为2.03μm,表面粗糙度为0.68 nm。

TB2钛合金电化学机械抛光试验研究

航天器用星箭连接带的材料为TB2钛合金,对表面质量要求严格。提出电化学–电化学机械组合抛光TB2钛合金的方法,通过机械作用控制表面TiCl4黏性层厚度,设计了固结磨料工具阴极,搭建了电化学机械抛光试验系统。开展了不同组合形式的电化学–电化学机械组合抛光优选试验,研究了电压、工具转速、进给速度等工艺参数对组合抛光后表面质量的影响,最后,在电压25 V、工具阴极转速100 r/min、工具阴极进给速度30 mm/min,电化学抛光1次+电化学机械抛光1次组合形式交替加工15次的条件下,获得了表面粗糙度Ra0.031μm、Sa0.082μm的表面。实现了TB2钛合金薄板零件的连续抛光。