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傳統的精加工技術如超精密切削、磨削加工、研磨加工等不僅遠不能滿足亞納米級表面粗糙度的要求,而且加工 后表面缺陷(如劃痕等)非常嚴重;傳統的拋光技術如機械拋光(機械輪拋光、皮帶拋光、滾筒拋光及振動拋光)、超精研拋、化學拋光(利用拋光液的化學腐蝕作 用拋光工件)、超聲波拋光(將工件放入磨料懸浮液中并置于超聲波場中,依靠超聲波的震蕩作用,使磨料在工件表面磨削拋光)、流體拋光(依靠高速流動的液體 及其攜帶的磨粒沖刷工件表面達到拋光的目的)、磁研磨拋光(用磁性磨料在磁場作用下形成磨料刷,對工件磨削加工)都只能達到微米級或亞微米級表面粗糙度; 傳統的平面化技術如濺射玻璃SOG(Spin on Glass)、濺射后回腐蝕(Etch back)、熱回流(Reflow)等方法都曾在IC工藝中得到應用,但其平坦化能力從數十微米到數百微米不等,且都是局部平面化技術。
目前實現平面化技術主要有以下幾種:
離子轟擊拋光技術、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposit, CVD)、電化學拋光技術、浮法拋光技術、化學機械拋光技術(Chemical Mechanical Polishing, CMP)等。
離子轟擊拋光技術采用轟擊離子接近于平行于工件表面的方法可以實現表面的納米級拋光。但是其缺點是很難實現大面積的均勻拋光,特別是對于非均質表面。另外,其去除率小、成本高。
化學氣相沉積(CVD)與物理的氣相沉積法、電鍍法同屬于一類,就是利用沉積原子逐步填充凹陷部分,使光刻表面逐步接近于平整。這些方法不能完全達到表面的平整度要求,必須與其它方法相結合,才能實現全局平整化。
電化學拋光技術利用陽極氧化失去的原理實現對陽極工件的拋光。其好的點在于,由于電化學拋光是非接觸的,無壓力拋光,在拋光過程中不會發生工件變形、表面 硬化等。但它目前還存在表面平整度不夠高(一般在亞微米級),晶界腐蝕等問題。要達到亞納米級的拋光精度,還有較大的困難。另外,其電化學拋光機理也決定 了它只適合金屬材料的表面拋光。
浮法拋光技術實際上是一種改進了的磨粒的機械拋光過程,它采用金屬錫作為拋光磨盤材料,磨盤和工件浸沒在拋光液(含微粉磨料)中,磨盤與工件同向旋轉,借助磨料與工件表面的碰撞、磨削作用得到光潔表面,表面粗糙度可達1 nm以下。目前主要應用于光學零件、晶體、音響磁頭等。缺點是拋光時間過長,一般達數小時之久,生產效率低,因而難以大范圍的工業化應用。
目前西方普遍采用化學機械拋光(CMP)技術進行表面的精拋光。CMP是機械削磨和化學腐蝕的組合技術,CMP的基本原理是將待拋光工件在一定的下壓力 及拋光液(由超細顆粒研磨劑、化學氧化劑和液體介質水組成的混合液)的存在下相對于拋光墊作旋轉運動,借助磨粒的機械磨削及化學氧化劑的腐蝕作用來完成對 工件表面的材料去除,并獲得光潔表面。
CMP技術與其他平面化技術相比具有以下優勢:
1)可同時實現局部和全局平面化。CMP拋光機理為,工件表面先為拋光液中的化學氧化劑氧化形成氧化層,氧化層比基體脆、易剝離,通過超細固體粒子研磨劑的微磨削作用達到材料去除,由于表面微突起處被去除速度快,因而可獲得超光滑表面。 CMP可以引人注目地得到用其他任何平面化加工不能得到的低的表面形貌變化。它是目前幾乎只有的可以提供全局平面化的技術。
2)平面化速度快,生產效率高。由于它結合了機械拋光和化學拋光兩種作用,因而具有更高的去除速率。
3)應用范圍廣,能夠被CMP加工的材料范圍泛用,適合工業化推廣。
化學機械拋光液存在的一些問題?
隨著經濟的發展,為了徹底擺脫對進口拋光液的依賴,拋光液行業在國內的關注度逐漸上升,但在拋光液的制備及其使用過程中仍有許多問題需要解決:
(1)拋光液對環境的影響。化學機械拋光液中的化學成分,如氨、酸等不安全成分對環境和人體的傷害很大,為此,在進一步研究拋光液制備工藝的同時,拋光液的循環利用也要進一步完善,做到經濟發展與環境保護相協調。例如,水性體系的拋光液綠色、散熱快等。
(2)化學機械拋光液磨料粒子的分散問題。拋光液中使用的多為納米粒子,納米粒子的比表面積較大,表面能較高,極易發生團聚,目前國內外常用超聲波、機械攪拌、表面處理等機械化學方法對納米磨料粒子進行分散 ,但是往往達不到效果,因此,納米磨料粒子的分散穩定性需要進一步的研究。本課題組正在通過使用納濾膜或微濾膜操控磨料粒子分布的寬窄來制備精細化的拋光液。
(3)拋光液的適用性。目前所用的拋光液沒有表明針對某一工件適用,因此,針對不同材料開發專門使用的化學機械拋光液需要進一步的研究。例如,目前富士康對ipHone、 ipad 等外殼進行光學鏡面模拋光,以及對半導體晶片的拋光,都需要使用專門特定的拋光液。