原子级光滑表面的制造技术与机理研究

• 作者: 张伟 徐进 段芳莉 潘国顺 胡元中 路新春 郭丹 陈入领 雒建斌
• 来源期刊: 数字制造科学
• 学科: 工学
• 关键词: 先进电子制造 化学机械抛光 纳米粒子行为 抛光液 材料去除机理 摩擦学 分子动力学模拟 非晶化相变
• 年，卷（期）: 2011,（4）
• 页码范围: 1-35
• 分类号: TP3
• 字数: 12872字
• 语种: 中文

摘要

报告中国国家重点基础研究发展计划(973计划)项目《高性能电子产品设计制造精微化、数字化新原理和新方法》中有关于原子级光滑表面制造的基础研究中所取得的进展和阶段性成果.包括CMP的若干关键技术的突破,化学机械抛光的机理研究,CMP中纳米粒子行为的计算机模拟和实验研究. 开展原子级光滑表面制造和化学机械抛光开展的实验研究,理论分析和计算机模拟.内容包括固体磨粒材料的选择,磨粒的表面修饰和分散,磨粒大小和含量的优化；抛光液中氧化剂,络合剂,缓释剂和其它化学助剂的作用机理；抛光压力速度等工艺参数的优化,抛光中纳米粒子的行为以及纳米团簇-硅基体碰撞过程的分子动力学模拟,纳米粒子与基体的冲击实验,抛光过程和二相流动中纳米粒子运动的荧光跟踪观察等.研究结果表明,抛光液中的固体磨粒对抛光中的材料去除和高质量表面的形成具有重要的贡献.减小颗粒的粒径一般有利于改善表面质量,但关键是保证粒子的大小均匀,因为大颗粒容易造成表面划痕或缺陷.通过对固体磨粒的含量和大小尺寸的优化,可以获得高质量的抛光表面、同时保证较高的抛光去除速率.除了固体磨粒外,抛光液中还包含氧化剂,络合剂,缓释剂,以及多种化学助剂.氧化剂与抛光工件表面发生化学反应形成软质钝化层,以便通过抛光垫和磨粒的机械作用加以去除,形成“氧化去除-氧化”的材料去除循环.但钝化层的形成阻碍了氧化反应过程的继续发展,络合剂的作用是与氧化反应产物形成流动性较好的络合物,从而增加了钝化层的化学活性,使氧化反应和材料去除得以继续发展,高品质的抛光液的研制取决与对抛光液中各种化学成分的精心调配和长期的潜心试验.我们在计算机磁头,磁盘基片,硅片和集成电路芯片等化学机械抛光研究中取得了重要的技术进展,研制出多种高品质CMP抛光液,成功地实现了原子级光滑表面的抛光,表面粗糙度和波纹度的参数Ra和Wa的测量值达到或优于国际著名商用抛光液的水平.在硅片抛光中,运用复合螫合和创新性制作工艺等关键技术,成功解决了抛光液循环使用过程中pH值不稳定、使用寿命短等难题.通过对SiO2纳米团簇与单晶硅基体碰撞作用的分子动力学模拟研究了抛光中纳米粒子的行为.模拟表明具有一定动能的纳米粒子与基体的碰撞作用可导致基体变形和非晶化相变,并当粒子速度超过临界值Vcr时通过挤推(extrusion)作用形成撞击坑.临界速度与粒子的入射角度、基体的晶格取向等因素有关.在碰撞过程中纳米粒子的动能大部分转化为基体的变形能和热能,提高粒子动能向基体变形的转化比例,有利于提高材料去除效率.纳米粒子与硅基体的冲击实验中也观察到相似的撞击坑,在基体表层和撞击区域内部均观察到了非晶化相变,在一定程度上验证了模拟结果.此外还利用荧光示踪技术观察了CMP加工抛光液以及二相流动中纳米粒子的运动规律. 有关研究纳米粒子行为的研究是初步的,在分子尺度上模拟了一个粒子的碰撞行为.实际的化学机械抛光过程往往涉及大量固体粒子的碰撞、犁削、磨损与刻划等作用是复合作用,纳米粒子的运动被局限在抛光垫与基体之间的狭窄空间内,粒子行为涉及量子尺度的化学-机械作用耦合和协同,原子尺度的切削与碰撞,介观与宏观尺度的磨损和平整化等跨尺度材料去除过程,这些还需要进行更深入的研究.