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现有的抛光技术现状及其优缺点

发表时间:2014-11-29

  现有的抛光技术现状及其优缺点

  当表面粗糙度达到亚纳米量级时,已与原子直径(小于0.3 nm)处于同一数量级,已接近表面精加工的极限。传统的精加工技术如超精密切削、磨削加工、研磨加工等不仅远不能满足亚纳米级表面粗糙度的要求,而且加工 后表面缺陷(如划痕等)非常严重;传统的抛光技术如机械抛光(机械轮抛光、皮带抛光、滚筒抛光及振动抛光)、超精研抛、化学抛光(利用抛光液的化学腐蚀作 用抛光工件)、超声波抛光(将工件放入磨料悬浮液中并置于超声波场中,依靠超声波的震荡作用,使磨料在工件表面磨削抛光)、流体抛光(依靠高速流动的液体 及其携带的磨粒冲刷工件表面达到抛光的目的)、磁研磨抛光(用磁性磨料在磁场作用下形成磨料刷,对工件磨削加工)都只能达到微米级或亚微米级表面粗糙度; 传统的平面化技术如溅射玻璃SOG(Spin on Glass)、溅射后回腐蚀(Etch back)、热回流(Reflow)等方法都曾在IC工艺中得到应用,但其平坦化能力从数十微米到数百微米不等,且都是局部平面化技术。

  目前实现平面化技术主要有以下几种

  离子轰击抛光技术、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposit, CVD)、电化学抛光技术、浮法抛光技术、化学机械抛光技术(Chemical Mechanical Polishing, CMP)等。

  离子轰击抛光技术采用轰击离子接近平行于工件表面的方法可以实现表面的纳米级抛光。但是其缺点是很难实现大面积的均匀抛光,特别是对于非均质表面。另外,其去除率小、成本高。

  化学气相沉积(CVD)与物理气相沉积法、电镀法同属于一类,就是利用沉积原子逐步填充凹陷部分,使光刻表面逐步接近于平整。这些方法不能完全达到表面的平整度要求,必须与其它方法相结合,才能实现全局平整化。

  电化学抛光技术利用阳极氧化牺牲的原理实现对阳极工件的抛光。其优点在于,由于电化学抛光是非接触的,无压力抛光,在抛光过程中不会发生工件变形、表面 硬化等。但它目前还存在表面平整度不够高(一般在亚微米级),晶界腐蚀等问题。要达到亚纳米级的抛光精度,还有较大的困难。另外,其电化学抛光机理也决定 了它只适合金属材料的表面抛光。

  浮法抛光技术实际上是一种改进了的磨粒的机械抛光过程,它采用金属锡作为抛光磨盘材料,磨盘和工件浸没在抛光液(含微粉磨料)中,磨盘与工件同向旋转,借助磨料与工件表面的碰撞、磨削作用得到光洁表面,表面粗糙度可达1 nm以下。目前主要应用于光学零件、晶体、音响磁头等。缺点是抛光时间过长,一般达数小时之久,生产效率低,因而难以大范围的工业化应用。

  目前西方普遍采用化学机械抛光(CMP)技术进行表面的精抛光。CMP是机械削磨和化学腐蚀的组合技术,CMP的基本原理是将待抛光工件在一定的下压力 及抛光液(由超细颗粒研磨剂、化学氧化剂和液体介质水组成的混合液)的存在下相对于抛光垫作旋转运动,借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对 工件表面的材料去除,并获得光洁表面。

  CMP技术与其他平面化技术相比具有以下优势:

  1)可同时实现局部和全局平面化。CMP抛光机理为,工件表面先为抛光液中的化学氧化剂氧化形成氧化层,氧化层比基体脆、易剥离,通过超细固体粒子研磨剂的微磨削作用达到材料去除,由于表面微突起处被去除速度快,因而可获得超光滑表面。 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变化。它是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术。

  2)平面化速度快,生产效率高。由于它结合了机械抛光和化学抛光两种作用,因而具有更高的去除速率。

  3)应用范围广,能够被CMP加工的材料范围广泛,适合工业化推广。

  化学机械抛光液存在的一些问题?

  随着经济的发展,为了彻底摆脱对进口抛光液的依赖,抛光液行业在国内的关注度逐渐上升,但在抛光液的制备及其使用过程中仍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,抛光液的循环利用也要进一步完善,做到经济发展与环境保护相协调。例如,水性体系的抛光液绿色环保、散热快等。

  (2)化学机械抛光液磨料粒子的分散问题。抛光液中使用的多为纳米粒子,纳米粒子的比表面积较大,表面能较高,极易发生团聚,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。本课题组正在通过使用纳滤膜或微滤膜控制磨料粒子分布的宽窄来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,因此,针对不同材料开发专门使用的化学机械抛光液需要进一步的研究。例如,目前富士康对ipHone、 ipad 等外壳进行光学镜面模抛光,以及对半导体晶片的抛光,都需要使用专门特定的抛光液。

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