Aby uzyskać wysokiej jakości wykończenia powierzchniowe, procesy polerowania usuwają materiał z powierzchni przedmiotu poprzez połączone efekty działania mechanicznego i reakcji chemicznych.Procesy te zazwyczaj wykorzystują cienkie cząstki ścierające wraz z miękkimi narzędziami do polerowania (takimi jak smoła, poliuretanu i tkaniny), roztwory chemiczne, pola elektryczne/magnetyczne lub wiązki cząstek jako metody pomocnicze.
W zależności od różnych mechanizmów usuwania materiału, technologie polerowania można głównie podzielić na:
Mechaniczne polerowanie usuwa niewielką ilość materiału z powierzchni obrabialnego przedmiotu poprzez interakcję między cząstkami ścierającymi a podkładką do polerowania, tworząc gładką powierzchnię.Obecnie jest to jedna z najczęściej stosowanych technologii polerowania komponentów optycznych.
Konwencjonalny mechaniczny proces polerowania jest zilustrowany na rysunku poniżej.
Podczas polerowania mechanicznego cząstki ścierające są wciśnięte na powierzchnię obrabiarkę pod normalnym ciśnieniem wytwarzanym przez szorstkość podkładki polerowania.Podczas gdy podkładka do polerowania porusza się w stosunku do obrabialnika, cząstki ścierające wchodzą w interakcję z powierzchnią poprzez tarcie, oranie i cięcie, usuwając w ten sposób materiał z obrabialnika.
Zachowanie deformacyjne materiałów powierzchniowych spowodowane przez cząstki ścierające można ogólnie podzielić na trzy etapy:
Ponieważ polerowanie mechaniczne zazwyczaj wykorzystuje małe cząstki ścierające i stosunkowo miękkie narzędzia do polerowania,materiał powierzchniowy zwykle ulega deformacji elastycznej lub plastycznej podczas procesu polerowania.
Z punktu widzenia mikroskopowego ustalono model mechanicznej interakcji między cząstkami ścierającymi a powierzchnią obróbki, jak pokazano na rysunku (a).
W tym modelu zakłada się, że cząstka ścierająca ma kształt kulisty i jest wciskana na powierzchnię obrabiarkę pod ciśnieniem wywieranym przez szorstkość podkładki polerowania.
Podczas polerowania mechanicznego, czy dochodzi do usunięcia materiału, zależy przede wszystkim od głębokości wgłębienia cząstki ściernej.
Istnieje krytyczna głębokość wgłębienia odpowiadająca przejściu od deformacji elastycznej do deformacji plastycznej:
Różne głębokości wgłębienia ścierania prowadzą do różnych mechanizmów usuwania materiału, które określają ostateczny stan zużycia obrobionej powierzchni.
Jak pokazano na rysunku b):
Gdy głębokość wgłębienia osiąga skalę atomową (około 5 Å), powierzchnia obrabiarkę ulega jedynie elastycznej deformacji.
Kiedy głębokość wgłębienia wzrasta do około 1015 Å, dominujący mechanizm usuwania staje sięusunięcie pługaPod wpływem wytłaczania cząstek ścierających atomy powierzchni gromadzą się i tworzą gromady atomów, które stopniowo usuwają się wraz z ruchem cząstek ścierających.
Liczba usuniętych atomów wzrasta proporcjonalnie do głębokości wgłębienia.
Kiedy głębokość wgłębienia zwiększa się do około 20 Å, mechanizm usuwania zmienia się dousunięcie cięcia.
Na tym etapie duża liczba atomów powierzchniowych jest bezpośrednio cięta przez cząstki ścierające, tworząc odłamki, które są usuwane wraz z ruchem ścierającym.
W trakcie tego procesu cząstki ścierające nie tylko pchają i gromadzą atomy powierzchni, ale także wytwarzają silne wystawy wokół zadrapań, co powoduje zwiększoną chropowitość powierzchni.
Tradycyjna teoria polerowania mechanicznego sugeruje, że usunięcie materiału nie występuje podczas etapu deformacji elastycznej.usunięcie materiału rozpoczyna się dopiero wówczas, gdy cząstki ścierające wywołują deformację plastikową poprzez działanie cięcia.
W związku z tym polerowanie mechaniczne nieuchronnie powoduje pewne uszkodzenia powierzchni i podpowierzchni.
W procesach polerowania mechanicznego na uszkodzenia powierzchni/podpowierzchni komponentów optycznych silnie wpływają parametry procesu, w tym:
Na rysunku a) przedstawiono powierzchnię szkła optycznego BK7 po poliwaniu mechanicznym.
W procesie polerowania wykorzystano 10 μm cząstek ścierających Al2O3 i narzędzie do polerowania szczeliną.
Na rysunku b) przedstawiono uszkodzenia powierzchni i pod powierzchnią płytki CdZnTe po 30 minutach polerowania mechanicznego obserwowane za pomocą mikroskopii elektronicznej skanującej.
W procesie polerowania zastosowano 2 ‰ 5 μm cząstek ścierających Al2O3 za pomocą narzędzia polerowania płyt aluminiowych.
Na powierzchni obserwowano zadrapania w skali mikronowej i submikronowej.wskazujące uszkodzenie deformacji plastycznej.
Polerowanie chemiczne i elektrochemiczne wykorzystują reakcje chemiczne lub elektrochemiczne do rozpuszczenia materiału z powierzchni przedmiotu.
W trakcie procesu mikroskopijne wysunięcia na powierzchni rozpuszczają się preferowanie w porównaniu z obszarami zagłębionymi, co powoduje gładszą powierzchnię.
Podstawowy skład roztworów polerowania chemicznego/elektrochemicznego zazwyczaj obejmuje:
Funkcje każdego elementu są następujące:
W przypadku różnych materiałów obróbki należy wybrać odpowiednie systemy roztworu polerowania w zależności od ich właściwości chemicznych.
Ponieważ materiały optyczne zazwyczaj posiadają doskonałą stabilność chemiczną, silne kwasy, silne alkały lub silne czynniki utleniające są często wymagane jako etchanty podczas polerowania chemicznego.
Na przykład komponenty optyczne składające się głównie z SiO2, takie jak szkło K9 i stopiony krzemionka, zwykle używają kwasu fluorowodorowego (HF) jako etywującego.
Reakcja chemiczna następuje:
Polerowanie chemiczne charakteryzuje się prostym przepływem procesu i stosunkowo łatwym wdrożeniem.
Jednakże ma również kilka ograniczeń:
W związku z tym trudno jest spełnić wymagania dotyczące produkcji ultraprecyzyjnych komponentów optycznych.
Polerowanie elektrochemiczne jest szeroko stosowane w:
Polerowanie elektrochemiczne wykorzystuje rozpuszczanie anodowe metali do obróbki powierzchni.
Uznaje się ją za bezkontaktową metodę obróbki bezobciążeniowej z zaletami, w tym:
Jednakże wymaga on, aby przetworzony materiał posiadał dobrą przewodność elektryczną, co czyni go nieodpowiednim dla większości materiałów optycznych.
Polerowanie chemiczne i elektrochemiczne usuwa materiały za pomocą mechanizmów rozpuszczania.
Ponieważ proces usuwania jest niezależny od właściwości mechanicznych, takich jak twardość, wytrzymałość i wytrzymałość,metody te mogą szybko zmniejszyć chropowitość powierzchni i osiągnąć doskonałą jakość polerowania.
W międzyczasie, ponieważ nie występuje mechaniczne tarcie ani działanie cięcia, wymagany sprzęt jest ogólnie prostszy i tańszy w porównaniu z mechanicznymi systemami polerowania.
Technologie polerowania chemicznego/elektrochemicznego mają jednak również kilka ograniczeń:
Ze względu na różnice w właściwościach chemicznych między materiałami konieczne jest opracowanie specjalnych rozwiązań polerowania dla różnych materiałów, co wymaga szerokiej eksperymentalnej optymalizacji parametrów procesu.
Szybkość reakcji jest trudna do precyzyjnego regulowania, co sprawia, że utrzymanie dokładności wymiarowej i dokładności geometrycznej jest trudne.
Osiągnięta jakość powierzchni jest silnie zależna od wewnętrznej struktury i czystości przedmiotu.
Nieczystości i wady konstrukcyjne wewnątrz materiału mogą znacząco zmniejszyć jakość końcowej powierzchni.
Polerowanie chemiczne mechaniczne (CMP) to technologia płaskowania powierzchni, która łączyreakcje chemiczne i ścieranie mechaniczneJest szeroko stosowany w produkcji półprzewodników, przetwarzaniu komponentów optycznych i zaawansowanej produkcji materiałów.
Rozwój technologii CMP jest ściśle związany z postępem technologii półprzewodników.takie jak wykończenie powierzchni szkła i metaliJednakże te konwencjonalne podejścia nie były w stanie spełnić coraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących wysokiej precyzji i planowania powierzchni w nanoskali.
W latach pięćdziesiątych XX wieku naukowcy odkryli, że czynniki chemiczne, takie jak kwasy i roztwory alkaliczne, mogą wspomagać usuwanie materiału i zmniejszać uszkodzenia mechaniczne.To odkrycie położyło podstawy do rozwoju technologii CMP.
W 1965 roku IBM po raz pierwszy wprowadził technologię CMP do polerowania płytek krzemowych.tradycyjne procesy suchego grafowania i czysto mechaniczne metody polerowania nie były w stanie skutecznie wyeliminować zmienności topografii powierzchniW rezultacie CMP stopniowo stała się kluczową technologią procesów.
Jednakże wczesne procesy CMP nadal miały kilka wyzwań, w tym:
W 1997 roku IBM z powodzeniem wprowadził CMP do procesów polerowania miedzi.
CMP miedzi wymaga precyzyjnej kontroli równowagi między rozpuszczaniem chemicznym a ścieranie mechaniczne w celu tłumienia nadmiernego utleniania miedzi i osiągnięcia jednolitego usuwania materiału.
Wraz z ciągłym rozwojem technologii produkcji półprzewodników, CMP stał się jedynym realnym rozwiązaniem planaryzacji, gdy procesy półprzewodnikowe weszły w węzeł technologii sub-0,25 μm.
Ponadto wprowadzenie materiałów dielektrycznych o niskim poziomie k wymagało łagodniejszych procesów CMP w celu zminimalizowania uszkodzeń mechanicznych i utrzymania integralności strukturalnej.
CMP wykorzystuje stosunkowo miękkie cząstki ścierające w celu uzyskania wysokiej jakości polerowania powierzchni.
Podczas procesu CMP, przedmiot jest przyciskiwany do podkładki polerowej pod kontrolowanym ciśnieniem i porusza się w stosunku do podkładki.
Dzięki synergistycznej interakcji pomiędzy nanocząstkami ścierającymi i składnikami chemicznymi w slurry polerowej powierzchnia obrabiarkę stopniowo staje się gładsza,jak pokazano na rysunku poniżej.
System CMP zazwyczaj składa się z obracającego się nośnika i płyty polerowania.
Dzięki skoordynowanej rotacji powstaje skomplikowana trajektoria ruchu względnego między płytką a płytką polerowania.
Ślizga ciągle dostarczana przez pompę perystaltyczną zawiera dwa elementy funkcjonalne:
Mechanizm usuwania materiału CMP obejmuje głównie dwa kolejne etapy:
Czynniki utleniające reagują z powierzchnią przedmiotu i wytwarzają chemicznie zmodyfikowaną lub zmiękczoną warstwę powierzchni.
Cząsteczki ścierające usuwają tę zmiękczoną warstwę reakcyjną poprzez interakcję mechaniczną.
Ten cykliczny proces ostatecznie wytwarza ultragładką powierzchnię o niezwykle niskiej szorstkości.
Należy zauważyć, że równowaga między działaniem chemicznym a mechanicznym w CMP odgrywa decydującą rolę w określeniu jakości końcowego przetwarzania.
W przypadku dominującego działania mechanicznego:
Kiedy działanie chemiczne staje się nadmierne:
Dlatego optymalizacja synergistycznej interakcji między reakcjami chemicznymi a ścieranie mechaniczne jest kluczowym czynnikiem poprawy wydajności CMP.
Badania wykazały, że intensywność polerowania mechanicznego i szybkość reakcji chemicznej wykazują pozytywną korelację.
Ten efekt sprzężenia ma bezpośredni wpływ na skuteczność usuwania materiału.
Dlatego precyzyjna kontrola składu osadu stała się jednym z głównych wyzwań technologicznych w rozwoju zaawansowanych procesów CMP.
Aby uzyskać wysokiej jakości wypolerowaną powierzchnię, działanie chemiczne i mechaniczne podczas CMP musi osiągnąć odpowiednią równowagę.
Jeśli działanie chemiczne dominuje nad działaniem mechanicznym:
może wystąpić.
Natomiast jeśli działanie mechaniczne dominuje:
są prawdopodobne.
Podczas przetwarzania CMP parametry procesu mają znaczący wpływ na:
Zgodnie z równaniem Prestona:
gdzie:
Ciśnienie polerowania i prędkość obrotowa wspólnie określają efektywność usuwania materiału.
Ciśnienie polerowania bezpośrednio określa naprężenie kontaktowe pomiędzy podkładką polerowania a powierzchnią płytki.
Zwiększenie ciśnienia ogólnie poprawia kontakt między cząstkami ścierającymi a płytką, zwiększając w ten sposób MRR.
Jednakże nadmierne ciśnienie może powodować:
W związku z tym należy wybrać odpowiedni zakres ciśnienia, aby zrównoważyć wydajność i jakość powierzchni.
Prędkość obrotowa pomiędzy podkładką do polerowania a płytką wpływa na zachowanie hydrodynamiczne i rozkład mieszanki polerowania.
Duża różnica prędkości może powodować nadmierne usuwanie krawędzi, co prowadzi do zjawiska znanego jakoodkręcanie krawędzi.
Zwiększenie prędkości obrotowej zwiększa siły cięcia mechaniczne, co może poprawić wydajność usuwania materiału.
Zbyt wysoka prędkość może jednak powodować zwiększenie temperatury w określonych miejscach (zwykle przekraczające 10°C), co powoduje zmiany aktywności chemicznej slurry i wpływa na stabilność polerowania.
Przepływ slurry wpływa zarówno na:
Ponadto, dzięki konwekcji, osada działa jako płyn chłodzący i pomaga rozpraszać ciepło wytwarzane na interfejsie między podkładką polerowaną a płytką.
W związku z tym optymalizacja przepływu obornika przyczynia się do poprawy wydajności polerowania i jakości powierzchni.
odpowiednie dostosowanie parametrów procesu, w tym:
jest niezbędna do osiągnięcia wydajnych procesów CMP.
Badania wykazały, że w odpowiednim zakresie ciśnienia MRR wzrasta w przybliżeniu proporcjonalnie do ciśnienia.
Przy niskim ciśnieniu i niskim natężeniu przepływu obornika:
Zwiększenie ciśnienia lub natężenia przepływu osadu może:
W rezultacie wzrasta MRR.
Jednakże nadmierne ciśnienie lub natężenie przepływu osadu mogą powodować dominowanie ścierania mechanicznego.
Chociaż MRR może nadal wzrastać, może również wzrastać chropota powierzchni i pojawiać się wady zadrapania.
W związku z tym ustanowienie dynamicznej równowagi między reakcjami utleniania a mechanicznym usuwaniem jest niezbędne do osiągnięcia maksymalnej wydajności polerowania.
Chociaż CMP wymaga precyzyjnej kontroli parametrów procesu, takich jak:
powłoka polerowania pozostaje najważniejszym czynnikiem wpływającym na wydajność CMP.
Do kluczowych składników osadu CMP należą:
Składniki te mają istotny wpływ na:
Czynniki utleniające odgrywają kluczową rolę w CMP poprzez promowanie reakcji utleniania na powierzchni materiału.
Reakcje te wytwarzają stosunkowo miękką warstwę tlenku, którą można następnie łatwo usunąć za pomocą ścierania mechanicznego.
Proces utleniania skutecznie zmniejsza siłę mechaniczną wymaganą do usuwania materiału i pomaga zminimalizować uszkodzenia powierzchni.
Wartość pH mieszanki polerowej bezpośrednio wpływa na:
Zmiany te mogą być określone w zależności od charakterystyki materiału.
Optymalizowana wartość pH pomaga osiągnąć równowagę między modyfikacją chemiczną a mechanicznym usuwaniem.
Substancje powierzchniowo czynne działają jako środki stabilizujące w slurry CMP.
Ich główne funkcje obejmują:
Substancje powierzchniowo czynne zapobiegają:
w ten sposób utrzymuje się jednolitość obróbki.
Substancje powierzchniowo czynne zmniejszają napięcie powierzchniowe osadu, umożliwiając lepsze rozprzestrzenianie się na powierzchniach płytek hydrofobowych.
To zwiększa kontakt między:
doprowadza do poprawy jednolitości i wydajności polerowania.
Substancje powierzchniowo czynne mogą regulować szybkość reakcji na powierzchni lub tworzyć folie ochronne na powierzchni.
Pomaga to zrównoważyć ścieranie mechaniczne i korozję chemiczną, poprawiając:
Aby uzyskać wysokiej jakości wykończenia powierzchniowe, procesy polerowania usuwają materiał z powierzchni przedmiotu poprzez połączone efekty działania mechanicznego i reakcji chemicznych.Procesy te zazwyczaj wykorzystują cienkie cząstki ścierające wraz z miękkimi narzędziami do polerowania (takimi jak smoła, poliuretanu i tkaniny), roztwory chemiczne, pola elektryczne/magnetyczne lub wiązki cząstek jako metody pomocnicze.
W zależności od różnych mechanizmów usuwania materiału, technologie polerowania można głównie podzielić na:
Mechaniczne polerowanie usuwa niewielką ilość materiału z powierzchni obrabialnego przedmiotu poprzez interakcję między cząstkami ścierającymi a podkładką do polerowania, tworząc gładką powierzchnię.Obecnie jest to jedna z najczęściej stosowanych technologii polerowania komponentów optycznych.
Konwencjonalny mechaniczny proces polerowania jest zilustrowany na rysunku poniżej.
Podczas polerowania mechanicznego cząstki ścierające są wciśnięte na powierzchnię obrabiarkę pod normalnym ciśnieniem wytwarzanym przez szorstkość podkładki polerowania.Podczas gdy podkładka do polerowania porusza się w stosunku do obrabialnika, cząstki ścierające wchodzą w interakcję z powierzchnią poprzez tarcie, oranie i cięcie, usuwając w ten sposób materiał z obrabialnika.
Zachowanie deformacyjne materiałów powierzchniowych spowodowane przez cząstki ścierające można ogólnie podzielić na trzy etapy:
Ponieważ polerowanie mechaniczne zazwyczaj wykorzystuje małe cząstki ścierające i stosunkowo miękkie narzędzia do polerowania,materiał powierzchniowy zwykle ulega deformacji elastycznej lub plastycznej podczas procesu polerowania.
Z punktu widzenia mikroskopowego ustalono model mechanicznej interakcji między cząstkami ścierającymi a powierzchnią obróbki, jak pokazano na rysunku (a).
W tym modelu zakłada się, że cząstka ścierająca ma kształt kulisty i jest wciskana na powierzchnię obrabiarkę pod ciśnieniem wywieranym przez szorstkość podkładki polerowania.
Podczas polerowania mechanicznego, czy dochodzi do usunięcia materiału, zależy przede wszystkim od głębokości wgłębienia cząstki ściernej.
Istnieje krytyczna głębokość wgłębienia odpowiadająca przejściu od deformacji elastycznej do deformacji plastycznej:
Różne głębokości wgłębienia ścierania prowadzą do różnych mechanizmów usuwania materiału, które określają ostateczny stan zużycia obrobionej powierzchni.
Jak pokazano na rysunku b):
Gdy głębokość wgłębienia osiąga skalę atomową (około 5 Å), powierzchnia obrabiarkę ulega jedynie elastycznej deformacji.
Kiedy głębokość wgłębienia wzrasta do około 1015 Å, dominujący mechanizm usuwania staje sięusunięcie pługaPod wpływem wytłaczania cząstek ścierających atomy powierzchni gromadzą się i tworzą gromady atomów, które stopniowo usuwają się wraz z ruchem cząstek ścierających.
Liczba usuniętych atomów wzrasta proporcjonalnie do głębokości wgłębienia.
Kiedy głębokość wgłębienia zwiększa się do około 20 Å, mechanizm usuwania zmienia się dousunięcie cięcia.
Na tym etapie duża liczba atomów powierzchniowych jest bezpośrednio cięta przez cząstki ścierające, tworząc odłamki, które są usuwane wraz z ruchem ścierającym.
W trakcie tego procesu cząstki ścierające nie tylko pchają i gromadzą atomy powierzchni, ale także wytwarzają silne wystawy wokół zadrapań, co powoduje zwiększoną chropowitość powierzchni.
Tradycyjna teoria polerowania mechanicznego sugeruje, że usunięcie materiału nie występuje podczas etapu deformacji elastycznej.usunięcie materiału rozpoczyna się dopiero wówczas, gdy cząstki ścierające wywołują deformację plastikową poprzez działanie cięcia.
W związku z tym polerowanie mechaniczne nieuchronnie powoduje pewne uszkodzenia powierzchni i podpowierzchni.
W procesach polerowania mechanicznego na uszkodzenia powierzchni/podpowierzchni komponentów optycznych silnie wpływają parametry procesu, w tym:
Na rysunku a) przedstawiono powierzchnię szkła optycznego BK7 po poliwaniu mechanicznym.
W procesie polerowania wykorzystano 10 μm cząstek ścierających Al2O3 i narzędzie do polerowania szczeliną.
Na rysunku b) przedstawiono uszkodzenia powierzchni i pod powierzchnią płytki CdZnTe po 30 minutach polerowania mechanicznego obserwowane za pomocą mikroskopii elektronicznej skanującej.
W procesie polerowania zastosowano 2 ‰ 5 μm cząstek ścierających Al2O3 za pomocą narzędzia polerowania płyt aluminiowych.
Na powierzchni obserwowano zadrapania w skali mikronowej i submikronowej.wskazujące uszkodzenie deformacji plastycznej.
Polerowanie chemiczne i elektrochemiczne wykorzystują reakcje chemiczne lub elektrochemiczne do rozpuszczenia materiału z powierzchni przedmiotu.
W trakcie procesu mikroskopijne wysunięcia na powierzchni rozpuszczają się preferowanie w porównaniu z obszarami zagłębionymi, co powoduje gładszą powierzchnię.
Podstawowy skład roztworów polerowania chemicznego/elektrochemicznego zazwyczaj obejmuje:
Funkcje każdego elementu są następujące:
W przypadku różnych materiałów obróbki należy wybrać odpowiednie systemy roztworu polerowania w zależności od ich właściwości chemicznych.
Ponieważ materiały optyczne zazwyczaj posiadają doskonałą stabilność chemiczną, silne kwasy, silne alkały lub silne czynniki utleniające są często wymagane jako etchanty podczas polerowania chemicznego.
Na przykład komponenty optyczne składające się głównie z SiO2, takie jak szkło K9 i stopiony krzemionka, zwykle używają kwasu fluorowodorowego (HF) jako etywującego.
Reakcja chemiczna następuje:
Polerowanie chemiczne charakteryzuje się prostym przepływem procesu i stosunkowo łatwym wdrożeniem.
Jednakże ma również kilka ograniczeń:
W związku z tym trudno jest spełnić wymagania dotyczące produkcji ultraprecyzyjnych komponentów optycznych.
Polerowanie elektrochemiczne jest szeroko stosowane w:
Polerowanie elektrochemiczne wykorzystuje rozpuszczanie anodowe metali do obróbki powierzchni.
Uznaje się ją za bezkontaktową metodę obróbki bezobciążeniowej z zaletami, w tym:
Jednakże wymaga on, aby przetworzony materiał posiadał dobrą przewodność elektryczną, co czyni go nieodpowiednim dla większości materiałów optycznych.
Polerowanie chemiczne i elektrochemiczne usuwa materiały za pomocą mechanizmów rozpuszczania.
Ponieważ proces usuwania jest niezależny od właściwości mechanicznych, takich jak twardość, wytrzymałość i wytrzymałość,metody te mogą szybko zmniejszyć chropowitość powierzchni i osiągnąć doskonałą jakość polerowania.
W międzyczasie, ponieważ nie występuje mechaniczne tarcie ani działanie cięcia, wymagany sprzęt jest ogólnie prostszy i tańszy w porównaniu z mechanicznymi systemami polerowania.
Technologie polerowania chemicznego/elektrochemicznego mają jednak również kilka ograniczeń:
Ze względu na różnice w właściwościach chemicznych między materiałami konieczne jest opracowanie specjalnych rozwiązań polerowania dla różnych materiałów, co wymaga szerokiej eksperymentalnej optymalizacji parametrów procesu.
Szybkość reakcji jest trudna do precyzyjnego regulowania, co sprawia, że utrzymanie dokładności wymiarowej i dokładności geometrycznej jest trudne.
Osiągnięta jakość powierzchni jest silnie zależna od wewnętrznej struktury i czystości przedmiotu.
Nieczystości i wady konstrukcyjne wewnątrz materiału mogą znacząco zmniejszyć jakość końcowej powierzchni.
Polerowanie chemiczne mechaniczne (CMP) to technologia płaskowania powierzchni, która łączyreakcje chemiczne i ścieranie mechaniczneJest szeroko stosowany w produkcji półprzewodników, przetwarzaniu komponentów optycznych i zaawansowanej produkcji materiałów.
Rozwój technologii CMP jest ściśle związany z postępem technologii półprzewodników.takie jak wykończenie powierzchni szkła i metaliJednakże te konwencjonalne podejścia nie były w stanie spełnić coraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących wysokiej precyzji i planowania powierzchni w nanoskali.
W latach pięćdziesiątych XX wieku naukowcy odkryli, że czynniki chemiczne, takie jak kwasy i roztwory alkaliczne, mogą wspomagać usuwanie materiału i zmniejszać uszkodzenia mechaniczne.To odkrycie położyło podstawy do rozwoju technologii CMP.
W 1965 roku IBM po raz pierwszy wprowadził technologię CMP do polerowania płytek krzemowych.tradycyjne procesy suchego grafowania i czysto mechaniczne metody polerowania nie były w stanie skutecznie wyeliminować zmienności topografii powierzchniW rezultacie CMP stopniowo stała się kluczową technologią procesów.
Jednakże wczesne procesy CMP nadal miały kilka wyzwań, w tym:
W 1997 roku IBM z powodzeniem wprowadził CMP do procesów polerowania miedzi.
CMP miedzi wymaga precyzyjnej kontroli równowagi między rozpuszczaniem chemicznym a ścieranie mechaniczne w celu tłumienia nadmiernego utleniania miedzi i osiągnięcia jednolitego usuwania materiału.
Wraz z ciągłym rozwojem technologii produkcji półprzewodników, CMP stał się jedynym realnym rozwiązaniem planaryzacji, gdy procesy półprzewodnikowe weszły w węzeł technologii sub-0,25 μm.
Ponadto wprowadzenie materiałów dielektrycznych o niskim poziomie k wymagało łagodniejszych procesów CMP w celu zminimalizowania uszkodzeń mechanicznych i utrzymania integralności strukturalnej.
CMP wykorzystuje stosunkowo miękkie cząstki ścierające w celu uzyskania wysokiej jakości polerowania powierzchni.
Podczas procesu CMP, przedmiot jest przyciskiwany do podkładki polerowej pod kontrolowanym ciśnieniem i porusza się w stosunku do podkładki.
Dzięki synergistycznej interakcji pomiędzy nanocząstkami ścierającymi i składnikami chemicznymi w slurry polerowej powierzchnia obrabiarkę stopniowo staje się gładsza,jak pokazano na rysunku poniżej.
System CMP zazwyczaj składa się z obracającego się nośnika i płyty polerowania.
Dzięki skoordynowanej rotacji powstaje skomplikowana trajektoria ruchu względnego między płytką a płytką polerowania.
Ślizga ciągle dostarczana przez pompę perystaltyczną zawiera dwa elementy funkcjonalne:
Mechanizm usuwania materiału CMP obejmuje głównie dwa kolejne etapy:
Czynniki utleniające reagują z powierzchnią przedmiotu i wytwarzają chemicznie zmodyfikowaną lub zmiękczoną warstwę powierzchni.
Cząsteczki ścierające usuwają tę zmiękczoną warstwę reakcyjną poprzez interakcję mechaniczną.
Ten cykliczny proces ostatecznie wytwarza ultragładką powierzchnię o niezwykle niskiej szorstkości.
Należy zauważyć, że równowaga między działaniem chemicznym a mechanicznym w CMP odgrywa decydującą rolę w określeniu jakości końcowego przetwarzania.
W przypadku dominującego działania mechanicznego:
Kiedy działanie chemiczne staje się nadmierne:
Dlatego optymalizacja synergistycznej interakcji między reakcjami chemicznymi a ścieranie mechaniczne jest kluczowym czynnikiem poprawy wydajności CMP.
Badania wykazały, że intensywność polerowania mechanicznego i szybkość reakcji chemicznej wykazują pozytywną korelację.
Ten efekt sprzężenia ma bezpośredni wpływ na skuteczność usuwania materiału.
Dlatego precyzyjna kontrola składu osadu stała się jednym z głównych wyzwań technologicznych w rozwoju zaawansowanych procesów CMP.
Aby uzyskać wysokiej jakości wypolerowaną powierzchnię, działanie chemiczne i mechaniczne podczas CMP musi osiągnąć odpowiednią równowagę.
Jeśli działanie chemiczne dominuje nad działaniem mechanicznym:
może wystąpić.
Natomiast jeśli działanie mechaniczne dominuje:
są prawdopodobne.
Podczas przetwarzania CMP parametry procesu mają znaczący wpływ na:
Zgodnie z równaniem Prestona:
gdzie:
Ciśnienie polerowania i prędkość obrotowa wspólnie określają efektywność usuwania materiału.
Ciśnienie polerowania bezpośrednio określa naprężenie kontaktowe pomiędzy podkładką polerowania a powierzchnią płytki.
Zwiększenie ciśnienia ogólnie poprawia kontakt między cząstkami ścierającymi a płytką, zwiększając w ten sposób MRR.
Jednakże nadmierne ciśnienie może powodować:
W związku z tym należy wybrać odpowiedni zakres ciśnienia, aby zrównoważyć wydajność i jakość powierzchni.
Prędkość obrotowa pomiędzy podkładką do polerowania a płytką wpływa na zachowanie hydrodynamiczne i rozkład mieszanki polerowania.
Duża różnica prędkości może powodować nadmierne usuwanie krawędzi, co prowadzi do zjawiska znanego jakoodkręcanie krawędzi.
Zwiększenie prędkości obrotowej zwiększa siły cięcia mechaniczne, co może poprawić wydajność usuwania materiału.
Zbyt wysoka prędkość może jednak powodować zwiększenie temperatury w określonych miejscach (zwykle przekraczające 10°C), co powoduje zmiany aktywności chemicznej slurry i wpływa na stabilność polerowania.
Przepływ slurry wpływa zarówno na:
Ponadto, dzięki konwekcji, osada działa jako płyn chłodzący i pomaga rozpraszać ciepło wytwarzane na interfejsie między podkładką polerowaną a płytką.
W związku z tym optymalizacja przepływu obornika przyczynia się do poprawy wydajności polerowania i jakości powierzchni.
odpowiednie dostosowanie parametrów procesu, w tym:
jest niezbędna do osiągnięcia wydajnych procesów CMP.
Badania wykazały, że w odpowiednim zakresie ciśnienia MRR wzrasta w przybliżeniu proporcjonalnie do ciśnienia.
Przy niskim ciśnieniu i niskim natężeniu przepływu obornika:
Zwiększenie ciśnienia lub natężenia przepływu osadu może:
W rezultacie wzrasta MRR.
Jednakże nadmierne ciśnienie lub natężenie przepływu osadu mogą powodować dominowanie ścierania mechanicznego.
Chociaż MRR może nadal wzrastać, może również wzrastać chropota powierzchni i pojawiać się wady zadrapania.
W związku z tym ustanowienie dynamicznej równowagi między reakcjami utleniania a mechanicznym usuwaniem jest niezbędne do osiągnięcia maksymalnej wydajności polerowania.
Chociaż CMP wymaga precyzyjnej kontroli parametrów procesu, takich jak:
powłoka polerowania pozostaje najważniejszym czynnikiem wpływającym na wydajność CMP.
Do kluczowych składników osadu CMP należą:
Składniki te mają istotny wpływ na:
Czynniki utleniające odgrywają kluczową rolę w CMP poprzez promowanie reakcji utleniania na powierzchni materiału.
Reakcje te wytwarzają stosunkowo miękką warstwę tlenku, którą można następnie łatwo usunąć za pomocą ścierania mechanicznego.
Proces utleniania skutecznie zmniejsza siłę mechaniczną wymaganą do usuwania materiału i pomaga zminimalizować uszkodzenia powierzchni.
Wartość pH mieszanki polerowej bezpośrednio wpływa na:
Zmiany te mogą być określone w zależności od charakterystyki materiału.
Optymalizowana wartość pH pomaga osiągnąć równowagę między modyfikacją chemiczną a mechanicznym usuwaniem.
Substancje powierzchniowo czynne działają jako środki stabilizujące w slurry CMP.
Ich główne funkcje obejmują:
Substancje powierzchniowo czynne zapobiegają:
w ten sposób utrzymuje się jednolitość obróbki.
Substancje powierzchniowo czynne zmniejszają napięcie powierzchniowe osadu, umożliwiając lepsze rozprzestrzenianie się na powierzchniach płytek hydrofobowych.
To zwiększa kontakt między:
doprowadza do poprawy jednolitości i wydajności polerowania.
Substancje powierzchniowo czynne mogą regulować szybkość reakcji na powierzchni lub tworzyć folie ochronne na powierzchni.
Pomaga to zrównoważyć ścieranie mechaniczne i korozję chemiczną, poprawiając:
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
हिन्दी
Türkçe
indonesia
tiếng Việt
ไทย
বাংলা
فارسی
polski