超声波雾化施液技术超精密抛光硬脆晶体研究

本项目将根据微电子和光电子产品制造对超硬基片光滑无损伤超精表面的要求，针对传统化学机械抛光技术所存在的工件表层/亚表层损伤、材料去除率低、抛光液消耗成本高和环境污染等问题，利用超声波雾化抛光液施液来进行化学机械抛光。重点研究应用超声波雾化方法加工二种硬脆晶体基片过程中的表面微观力学行为、物理化学效应和机械的界面摩擦作用、抛光垫表面的超声波雾化微米粒子和磨料的分布、分析基片材料去除和光滑无损伤超精表面形成机理、基片材料去除规律以及基片表层/亚表层损伤的产生机理、提出控制基片表面损伤和获得光滑无损伤超精表面的工艺方法；研究适用于超声波雾化化学机械抛光的特种抛光液和设计制造超声波雾化施液的抛光机；研究抛光液雾化液粒尺度控制和无团聚超声波雾化等关键技术；研究高效率高精度无损伤超声波雾化技术加工硬脆晶体基片的工艺方法与参数。为我国微电子和光电子产品制造提供先进的具有自主产权的超精密平整化理论和技术。

CMP 技术是一种可以实现表面局部和全局平坦化的高精处理方法，这是其它任何平坦化方法所无法比拟的，目前有着巨大的市场潜力并逐渐得到推广和普及。根据微电子和光电子产品制造对超硬基片光滑无损伤超精表面的要求，针对传统化学机械抛光技术所存在的工件表层/亚表层损伤、材料去除率低、抛光液消耗成本高和环境污染等问题，本项目的核心在于特种抛光液的配制、CMP试验台的改造、超声波雾化施液CMP平整化机理和工艺规律以及去除机理的研究。在课题申请人的带领和分派下，项目成员主要完成以下四个方面的工作：（一）选定抛光液的化学组分，通过正交设计试验和单因素试验，针对单晶硅、铜、TFT-LCD玻璃基片的材料特性，以材料去除率和表面粗糙度为初步评价指标，进行特种抛光液设计。（二）通过运用UG和3ds Max软件进行设计与仿真，将原来固定并加压工件、输送雾化抛光液功能实现于同一装置上，改善了原实验系统中由于雾化抛光液的流动速度快，大部分雾化抛光液尚未接触抛光垫表面便被空压机吸出密封装置的弊端，提高了雾化抛光液的利用率。并选用超声波医用雾化器，外接直流稳压电源增大其工作功率，通过调节直流电源的电压参数来控制雾化器的雾化量。改进后的超声波雾化器出雾量远好于加湿器，且其采用了液体与换能器分离的结构，解决了因压电陶瓷片与抛光液直接接触造成腐蚀失效的弊端，通过增大雾化器的工作功率提高了雾化器的雾化效果。并通过UG建模仿真完成了整体实验系统台架的搭建。（三）针对基片加工表面要求，通过单因素试验研究了雾液流量、抛光压力和抛光台转速对材料去除率和表面粗糙度的影响，通过正交试验得到最佳的工艺参数组合，分析了各参数对材料去除和表面粗糙度的影响程度，优化了单晶硅和TFT-LCD 玻璃基板CMP工艺参数。（四）应用接触力学、弹性力学、表面物理化学、纳米摩擦学等理论分析抛光界面上存在的滑动摩擦、摩擦热和工件表面材料的磨损；针对雾化施液化学机械抛光过程中磨料的机械作用和化学学特性从化学动力学和分子动力学两方面研究抛光液磨料尺寸对材料去除速率的影响和机理；利用扫面电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等仪器和HF差动蚀刻速率法研究单晶硅的亚表层损伤。通过以上来揭示超声波雾化化学机械抛光的平整化机理和工艺规律。