多孔磨粒的仿生可控合成及其在化学机械抛光过程中的摩擦磨损特性

Oxide porous microsphere as a novel abrasive has an important potential application in non-damage polishing due to its uniform structure and mechanical property. However, the non-damage polishing mechanism of the oxide porous abrasives is not clear. This program proposes to produce metal oxide microspheres with biomimetic hierarchical porous architecture using coccus as template. The research results obtained in the present project may be used as important reference data in designing and fabricating of the oxide porous abrasives. The inherent relations among microstructures (species, dimension, pore size, channel matching, etc.), mechanical properties (compressive Young’s modulus, hardness, Poisson's ratio etc.) and polishing performances (surface morphology, roughness, material removal rate, surface/subsurface damage, etc.) of the porous abrasives will be constructed. The tribological behavior and the actual role of porous abrasives during the material removal process in chemical mechanical polishing will be investigated. The non-damage polishing mechanism of the porous abrasives will be explored. In addition, the currently existing model and mechanism of CMP will also be perfected. This program will provide experimental and theoretical basis for the design and application of oxide porous abrasives in CMP.

氧化物多孔微球作为一种新型抛光介质材料，由于其特殊的结构和力学特性，在实现易碎、易损伤材料的无损抛光方面具有重要的潜在应用价值。但多孔磨粒的无损伤抛光机理尚未得到深入研究。本项目提出以微球菌为模板，实现对生物模板多孔结构的准确复制，追求一种普适性的方法仿生可控合成具有分级多孔特征的氧化物磨粒。系统考察多孔磨粒的微观结构（种类、尺寸、孔径结构及孔道匹配等）对其力学特性（压缩杨氏模量、硬度和泊松比等）以及抛光性能（表面形貌、粗糙度、去除率及表层/亚表层机械损伤等）的基本影响规律；深入研究多孔磨粒在化学机械抛光（CMP）材料去除过程中的摩擦磨损行为和确切作用机制；阐明多孔磨粒的微观结构－力学特性－抛光性能之间的内在联系，探索多孔磨粒的无损伤抛光机理，进一步深化和完善现有的CMP模型和机理。本项目的实施将为该类型多孔磨粒的设计开发，及其在下一代超大规模集成电路制造平坦化工艺中的应用打下基础。

在国家自然科学基金项目(51405038)的资助下，本项目在国内率先开展了多孔(复合)磨粒的结构设计、可控合成及其在化学机械抛光过程中的摩擦磨损特性研究，主要取得如下成果。制备出具有可控结构的放射状介孔氧化硅(mSiO2)磨粒，以实体氧化硅(sSiO2)或聚苯乙烯(PS)为内核、mSiO2为连续包覆层的核壳结构sSiO2/mSiO2和PS/mSiO2多孔复合磨粒，以及以mSiO2为内核、CeO2纳米颗粒为包覆层的mSiO2/CeO2复合磨粒。利用原子力显微镜力曲线测试技术对单个多孔(复合)磨粒的弹性响应进行评价，通过分析所记录力-位移曲线，分别结合Hertzain模型和Sneddon模型对磨粒的压缩弹性模量(E)进行拟合计算。结果显示：mSiO2磨粒的E值约5.3 GPa，明显低于sSiO2(约76 GPa)，且接近于PS和PMMA等有机物(2-5 GPa )；PS/mSiO2多孔复合磨粒的E值约为4.5 GPa，壳层丰富的孔结构有利于进一步提高有机/无机复合颗粒的弹性响应。抛光试验结果表明：与常规刚性磨料相比，具有类弹簧状结构的mSiO2、sSiO2/mSiO2和PS/mSiO2多孔(复合)磨粒可凭借其低硬度、低弹性模量的力学特性，优化磨粒与被抛工件之间的物理接触状态和摩擦磨损行为，减小磨粒与衬底之间的接触应力和压痕深度，从而降低抛光加工表面粗糙度并有效避免产生划痕等机械损伤。此外，多孔(复合)磨粒亦可借助其丰富孔结构和高比表面积，增强对抛光液中活性化学组分的吸附能力，以强化局部真实接触区域内的化学反应活性，从而有助于提高抛光效率。与PS/CeO2和PMMA/CeO2等有机/无机复合磨粒相比，mSiO2/CeO2复合磨粒同样具有特殊的非刚性力学特性并有效改善抛光加工表面质量。重要的是，mSiO2/CeO2磨粒亦可通过高温煅烧强化内核与包覆层之间的界面结合强度，并增强壳层CeO2颗粒的结晶完整性及表面三价铈含量，从而增强壳层CeO2颗粒的摩擦化学反应活性、提高抛光加工效率，并可有效避免常规有机/无机复合磨粒热稳定性差、结构稳定性差和抛光速率偏低等缺点。上述结果表明，所设计合成的多孔(复合)磨粒和mSiO2/CeO2磨粒均能够在有效改善抛光表面质量的基础上进一步优化抛光加工效率，为实现硬脆材料的高效无损伤超精密抛光提供了思路和解决途径。