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化学机械抛光液的发展现状与研究方向
发布日期:2018-8-3   点击次数:540


化学机械抛光技术是迄今唯一可以提供整体平面化的表面精加工技术,已广泛用于集成电路芯片、计算机硬磁盘、微型机械系统等表面的平坦化。随着加工工件的尺寸越来越大,且加工精度逐渐提高,化学机械抛光作为适合这一需求的技术,现已发展成为抛光过程中的必然选择。抛光液是化学机械抛光技术的关键之一,其性能直接影响着被抛光工件的表面质量。抛光液的主要成分有磨料粒子、腐蚀介质以及添加剂。目前,我国的半导体抛光液基本依赖进口,因此抛光液的制备技术在我国有着广阔的发展前景。

 

 

1.抛光液的组成及其作用

 

抛光液的主要成分有磨料粒子、腐蚀介质和助剂,它们的性能及配比直接影响到被抛光工件的表面质量。磨料的作用是将被抛光工件表层的凸起处去除,以提高工件表面的平整度。例如,对半导体晶片进行抛光时,借助于外力,磨料将晶片表面经过化学反应生成的钝化层去除,加工出所需的平整性。目前常用的磨料有二氧化硅胶体、氧化铈、氧化铝和纳米金刚石

等。

 

腐蚀介质主要有酸和碱。酸性抛光液常采用有机酸,可起到腐蚀作用,增加抛光过程的去除率,但其腐蚀性大,选择性差,对抛光设备要求高,常用于铜、钨、钛等金属材料的抛光。目前的酸性抛光液中主要采用两类不同的有机酸:一类是带有多功能团的氨基酸,另

一类是从简单羧酸、羟基羧酸和它们二者的混合酸中挑选出来的。研究发现,相对于单独使用任一类有机酸的抛光液,使用两类有机酸混合的抛光液的去除率较大。此外,有研究表明,随着抛光液pH值的增大,化学抛光占次要地位,机械抛光占主导作用,导致被抛光工件表面的质量下降,需加入有机酸进行调节。

 

碱性抛光液一般选用氢氧化钠、氢氧化钾、有机胺等碱性物质来调节抛光液的酸碱性。碱性抛光液的腐蚀性低,选择性高,常用于硅、氧化物、光阻材料等非金属材料的抛光。但是,碱性抛光液不容易找到氧化势能高的氧化剂,影响抛光效果。

 

助剂常用的有氧化剂、润滑剂、缓蚀剂、分散剂等。氧化剂能够在抛光工件表面形成氧化膜,有利于后续的机械抛光,从而提高抛光效率和表面平整度;润滑剂用于在抛光过程中降低磨料物质和抛光工件表面之间的摩擦;缓蚀剂以适当的浓度和形式存在于环境(介质)中时,能防止或减缓材料腐蚀,可单一使用,也可几种缓蚀剂复合使用;分散剂能够增加磨料粒子之间的斥力,防止磨料团聚,保证抛光液的稳定性,减少工件表面缺陷。助剂的选择非常重要。有研究发现,用苯并三唑作为传统金属的抗腐蚀剂时,可以明显降低材料表面的凹陷,提高平整性,并且可以降低有机残余物。同时,有学者认为,化学机械抛光液中的助剂必须满足以下条件:

 

1助剂分子中有一个或多个环状官能团,并且分子结构中至少有一个 键;

2助剂分子中至少含有一个  —OH官能团,至多含有一个—COOH 官能团。

 

 

2.化学机械抛光液的现状

 

化学机械抛光集中了化学抛光和机械抛光的综合优点。单一化学抛光常力图减缓不平整金属表面凹陷处的溶解速度,而加快凸起处的溶解速度,其腐蚀性大,抛光速率快,损伤低,表面光洁度高,但是抛光后的表面平整度和表面一致性差;单一机械抛光的表面平整度和表面一致性较高,但是表面损伤大,光洁度低。而化学机械抛光在不影响抛光速率的前提下,既可以获得光洁度较高的表面,又可以提高表面平整度。目前,国内外常用的抛光液有二氧化硅胶体抛光液、二氧化铈抛光液、氧化铝抛光液、纳米金刚石抛光液等。

 

2.1氧化铝抛光液

 

ɑ-氧化铝(刚玉)的硬度高,稳定性好,纳米级的氧化铝适用于光学镜头、单芯光纤连接器、微晶玻璃基板、晶体表面等的精密抛光,应用相当广泛。当前,以高亮度 GaN 基蓝光 LED 为核心的半导体照明技术在照明领域引起了很大的轰动,并成为全球半导体领域研究的热点。但 GaN 很难制备,必须在其它衬底晶片上外延生长薄膜,如蓝宝石晶片或碳化

硅晶片,因此晶片的抛光也成为关注的焦点。近年来,国际上采用了一种新的工艺,即用抛光液一次完成蓝宝石、碳化硅晶片的研磨和抛光,大大提高抛光效率。

 

不过,由于纳米ɑ—氧化铝的硬度很高,因此抛光时易对工件表面造成严重的损伤;而且纳米氧化铝的表面能比较高,粒子易团聚,也会造成抛光工件的划痕、凹坑等表面缺陷。为了提高抛光工件的表面质量和粒子的分散稳定性,很多研究者对纳米氧化铝进行了表面改性。雷红等的研究发现,在纳米氧化铝表面接枝聚甲基丙烯酸制备的复合粒子,分散稳定性明显提高,用于抛光液时,与单纯的纳米氧化铝磨料相比,被抛光工件的表面粗糙度更低,划痕更少。此外,他们还用丙烯酰胺对氧化铝粒子进行表面接枝改性,并将改性氧化铝用于抛光液对玻璃基片进行抛光,发现粒子的分散性和稳定性得到极大提高,当接枝率达到2.93%时,抛光效果较好,玻璃基片表面平坦,划痕、凹坑等表面缺陷减少。

 

3  化学机械抛光液存在的问题及研究方向

  

随着经济的发展,为了彻底摆脱对进口抛光液的依赖,国内对抛光液研制的关注度逐渐上升。目前在抛光液的制备及其使用过程中,还有许多问题需要解决:

 

1抛光液对环境的影响。化学机械抛光液中的化学成分,如氨、酸等有毒成分对环境和人体的伤害很大。为此,在进一步研究抛光液制备工艺的同时,抛光液的循环利用技术也应进一步完善,做到经济发展与环境保护相协调。例如,研制水性体系的抛光液,不仅绿色环保,而且散热快。

 

2磨料粒子的分散问题。目前,国内外常用超声波、机械搅拌、表面处理等机械化学方法对纳米磨料粒子进行分散,但是往往达不到效果,因此,纳米磨料粒子的分散稳定性需要进一步的研究。本课题组正在研究通过纳滤膜或微滤膜控制磨料粒子分布的宽窄,从

而制备精细化的抛光液。

 

3抛光液的适用性。目前所用的抛光液没有表明针对某一工件适用,应进一步针对不同材料开发专门的化学机械抛光液。例如,富士康对iPhone手机、ipad平板电脑等的外壳进行光学镜面抛光,以及对半导体晶片进行抛光,都使用专门的抛光液。

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