超声椭圆振动—化学机械复合抛光硅片技术的基础研究

论文摘要

在深入分析国内外化学机械抛光和超声加工技术研究现状的基础上,针对硅片传统化学机械抛光技术现状及其存在问题,特别是随着硅片直径不断增大,硅片抛光表面质量和抛光效率成为一个亟待解决和提高的问题,提出了超声椭圆振动—化学机械复合抛光硅片新技术的研究课题。该复合抛光技术是将超声加工和化学机械抛光加工综合为一体的新型加工技术,它在传统化学机械抛光基础上,将超声椭圆振动施加在抛光工具上,利用抛光工具产生的超声椭圆振动,提高了化学机械抛光中所使用抛光液的效能,达到改善抛光效果的目的。本文通过试验研究与理论分析相结合的方法,对复合抛光加工机理与工艺进行了深入研究,其主要研究内容及创新点包括:1.介绍了抛光工具超声椭圆振动产生的工作原理,推导了抛光工具超声椭圆运动的理论模型。研制了用于硅片表面及其边缘抛光的抛光工具,并实际测试了抛光工具的频率-阻抗特性和椭圆运动特性。2.研制了能够实现传统化学机械抛光,抛光工具做超声纵向振动、超声切向振动和超声椭圆振动等不同振动方式的复合抛光方法的试验系统。3.基于化学机械抛光和超声振动加工技术,进行了复合抛光加工机理研究。应用接触力学理论,建立了硅片表面与抛光垫之间的接触力学模型。在系统地研究化学机械抛光中各主要输入参数对加工表面质量影响的基础上,建立了简单实用的复合抛光材料去除率理论模型。对抛光工具做超声纵向振动、超声切向振动和超声椭圆振动等三种复合抛光方法,进行了材料去除机理及加工表面质量的理论研究,结果显示抛光工具的超声椭圆振动更有利于硅片综合抛光效果的改善。4.研究了一种在不破坏被加工件表面的情况下,对硅片等硬脆性材料微小去除量进行简易、快速的测量方法。5.进行了抛光工具的超声性能、抛光压力、抛光速度、抛光液供给量和抛光垫等,对硅片表面形貌、表面粗糙度和材料去除率等抛光试验研究。6.研究的超声椭圆振动—化学机械复合抛光方法的工艺规律表明,在相同的抛光条件下,复合抛光技术与传统化学机械抛光技术相比,抛光表面质量明显提高,材料去除率有较大增加,并且引入的描述抛光表面质量的不平整率KR也得到明显改善。总之,复合抛光方法相对于传统的化学机械抛光,无论在保证硅片抛光表面质量还是材料去除率等方面都有了一定的提高,为丰富超精密加工理论、提高硬脆性材料的超精密加工技术等具有重要的理论意义和工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的研究背景及意义
• 1.2 硅片抛光技术综述
• 1.2.1 硅片及其制造技术
• 1.2.2 超声加工技术
• 1.2.3 国内外超声复合加工研究现状
• 1.2.4 国内外化学机械抛光（CMP）技术研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 化学机械抛光及超声振动加工机理
• 2.1 影响化学机械抛光表面质量及材料去除率的因素
• 2.2 化学机械抛光的材料去除机理
• 2.2.1 化学作用机理
• 2.2.2 机械作用机理
• 2.3 化学机械抛光的材料去除机理模型研究
• 2.3.1 唯象学模型
• 2.3.2 接触力学模型
• 2.3.3 流体动力学模型
• 2.3.4 接触力学和流体力学原理的混合模型
• 2.3.5 分子量级微观模型
• 2.4 超声加工机理研究
• 2.5 本章小结
• 第三章超声椭圆振动－化学机械复合抛光基本工艺规律试验装置
• 3.1 试验装置
• 3.2 抛光工具设计
• 3.2.1 抛光工具工作原理
• 3.2.2 抛光工具的振动模式
• 3.2.3 抛光工具椭圆运动的激振方法
• 3.2.4 抛光工具的结构设计
• 3.3 抛光工具的性能
• 3.3.1 抛光工具频率－阻抗特性曲线
• 3.3.2 抛光工具运动特性
• 3.3.3 抛光工具的作用力特性
• 3.4 本章小结
• 第四章超声椭圆振动－化学机械复合抛光基本工艺规律试验研究
• 4.1 试验条件及试验步骤
• 4.2 试验研究
• 4.2.1 抛光表面形貌的试验研究
• 4.2.2 抛光表面粗糙度的试验研究
• 4.2.3 材料去除率的试验研究
• 4.3 本章小结
• 第五章超声椭圆振动－化学机械复合抛光的机理研究
• 5.1 硬脆性材料去除机理
• 5.2 超声椭圆振动－化学机械复合抛光法接触模型
• 5.3 超声椭圆振动－化学机械复合抛光的材料去除理论模型
• 5.3.1 模型的假设
• 5.3.2 模型建立思路
• 5.3.3 模型建立
• 5.4 材料去除率理论模型的试验验证
• 5.5 本章小结
• 第六章超声椭圆振动－化学机械复合抛光硅片边缘的试验装置
• 6.1 硅片边缘抛光试验装置
• 6.2 抛光工具设计
• 6.2.1 抛光工具工作面设计
• 6.2.2 抛光工具结构尺寸设计
• 6.2.3 加工精度分析
• 6.3 抛光工具性能
• 6.3.1 抛光工具频率－阻抗特性曲线
• 6.3.2 抛光工具运动特性
• 6.4 本章小结
• 第七章超声椭圆振动－化学机械复合抛光硅片边缘的试验研究
• 7.1 试验条件及试验步骤
• 7.2 试验数据处理方法
• 7.3 试验结果及分析
• 7.3.1 抛光工具做不同超声振动方式的试验研究
• 7.3.2 抛光表面质量的试验研究
• 7.3.3 材料去除率的试验研究
• 7.4 本章小结
• 第八章总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文