无亚表层损伤的水基微/纳超精密抛光的关键技术与机理

随着循环经济和绿色技术的飞速发展，绿色超精密加工技术的争夺日趋激烈。针对硅芯片化学机械抛光(CMP)中高速材料去除条件下，存在芯片亚表层损伤和化学污染严重的问题，本项目提出清洁能(机械能)控制化学的新型超精密抛光技术。该技术具有污染小、无亚表层损伤和材料去除速率高的特点。基于微观摩擦化学和化学诱导相变机理，本项目结合材料微观分析表征手段，在原子/分子水平上的亚表层微观结构和物理改性的条件下，揭示化学因素与芯片亚表层微观结构的内在关系；探索机械能对化学作用的控制演变规律；从而调控硅芯片超精密抛光中化学物质的使用，达到减少化学污染的目标。本项目的研究对于突破现有CMP技术瓶颈提供了重要的方法，此外对于指导微电机装置、光学玻璃和计算机硬盘等精密部件的无损高效绿色加工也具有一定的借鉴作用。

由于单晶硅硬而脆的特性，化学机械抛光(CMP)被认为是实现晶片表面全局平坦化的唯一技术。针对高速抛光条件下硅晶片中亚表层损伤和化学污染的问题，本项目开展了多种磨料水基超精密抛光单晶硅的基础研究,提出了采用复合磨料水基超精密抛光单晶硅的技术方法。研究表明，采用二氧化硅/二氧化铈复合磨料可以承受更高的机械作用，同时兼顾二氧化铈磨料的化学特性，可以实现机械促进化学反应的目的。在实验研究中，采用静态腐蚀和动态试验相对比的方法，探索了机械能对化学作用的控制演变规律。结合材料微观分析表征手段，本项目阐述了化学因素与芯片亚表层微观结构的基本关系。在系统模型建立中，基于接触力学理论和Lawn.Wilshaw理论，建立了考虑摩擦扩散效应的材料去除速率数学模型。此外，考虑到复合磨料非刚性力学特性，本项目构建了考虑复合磨料自身变形的材料去除速率模型，为开展非常规复合磨料的超精密抛光技术提供了理论指导。同时，本项目进一步采用纳米压入和微观模拟试验的方法探索了水基超精密抛光的材料去除机理，试验结果为水基超精密抛光原子/分子材料去除机理提供了试验依据。最后，采用正交试验的方法，获得了优化工艺参数。本项目的研究对于突破现有CMP技术瓶颈提供了重要的方法，此外对于指导微电机装置、光学玻璃和计算机硬盘等精密部件的高效绿色加工也具有一定的借鉴作用。但是，屏弃化学污染后，磨料团聚造成的表面划入损伤和粘附损伤机理还有待深入与系统的研究。