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1、河北工业大学硕士学位论文 i微晶玻璃 CMP 技术及去除速率的研究 摘微晶玻璃 CMP 技术及去除速率的研究 摘 要要 科技的进步极大地推动了技术的发展，随着光学领域和微电子学领域及其相关技术的发展，对所需材料表面质量的要求越来越高，超光滑表面的加工技术得到了广泛关注。 微晶玻璃以其优良的特性应用于电子、微电子、光电子领域，主要用于制作第二代计算机硬盘、激光陀螺仪以及具有光电、热电、声光、磁光等功能的元器件，是飞机控制、惯性导航、制导控制等光学元件的基础材料，其表面超精密加工技术更加复杂。化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技术是材料表面超精密加工
2、的最佳方法，为了获得良好的表面质量，本文将 CMP 技术应用于微晶玻璃的超精密加工。 在微晶玻璃晶片的实际生产中往往存在加工效率低、去除速率不高、速率难以控制等问题。因此本文主要针对微晶玻璃 CMP 的去除速率，建立了微晶玻璃 CMP 模型，并对微晶玻璃晶片化学机械抛光过程进行试验研究和理论分析。同时介绍了微晶玻璃化学机械抛光技术，系统分析了影响 CMP 效果的多种因素，通过对微晶玻璃性质的分析，从理论上确定微晶玻璃晶片 CMP 的技术方案，配置了高质有效的抛光液，深入的分析讨论各种影响微晶玻璃抛光工艺过程的性能参数，总结出了最佳的压力、流量、转速等工艺条件，获得了使去除速率取得最佳时各抛光液
3、成分的浓度。同时，研究了 SiO2/CeO2复合磨料抛光液对微晶玻璃去除速率和表面质量的影响，获得了完美的表面粗糙度和高的去除速率。 关键词：关键词：微晶玻璃，化学机械抛光，抛光液，去除速率，SiO2/CeO2复合磨料 微晶玻璃 CMP 技术及去除速率的研究 ii INVESTIGATION OF CMP TECHNIQUES AND REMOVAL RATES FOR CRYSTALLITE GLASS ABSTRACT Technological advancement impels process of technique. With the development of optic a
4、nd microelectronics field, the demand for high quality material is increasing. Hence, the applications of the super smooth surface processing technology become more and more popular in various domains. Crystallite glass is a basic material of electronic, microelectronic, optoelectronic industries wi
5、th highly complex process, mainly used in production of the second generation of computer hard drive, laser gyro and the components with the functions of optoelectronic, thermoelectrical, acoustic light or magnetic light. It is also a basic material of optical components for aircraft control, inerti
6、al navigation, and guidance control. Chemical Mechanical Polishing (CMP) technology is the best method for ultra-precision machining and wafer global planarization. In order to obtain better surface morphology，CMP technique has been applied to super smooth surface processing of crystallite glass. In
7、 the production of crystallite glass chips, there are some problems, such as low processing efficiency, slow removal rates and the unmanageable rates. As a consequence, aimed at the removal rates, the crystallite glass CMP model should be established in this paper.With the multitudinous experiment,
8、chemical mechanical polishing of crystallite glass has been analysised theoratically. Simultaneously, for CMP technology of crystallite glass, the mechanism model is established, various factors influential for CMP are systematically analyzed. Based on the analysis of crystallite glass properties, t
9、he technique project has been fixed and greater and better polishing sully is collocated.in this paper, the best technical conditions are summarized including pressure, flow rate and rotational speed. Meanwhile, the best concentrations of different components for polishing slurries are obtained to a
10、chieve the best removal rate. The removal rate and the influence to the surface quality control of SiO2/CeO2 compounded abrasive polishing are discussed, when a perfect surface smoothness of crystallite glass and high removal rate are accomplished. KEY WORDS： crystallite glass， chemical mechanical p
11、olishing， polishing slurry， removal rate， SiO2/CeO2 compounded abrasive 河北工业大学硕士学位论文 1第一章第一章 绪论绪论 1-1 微晶玻璃晶片超精密抛光的研究意义 微晶玻璃晶片超精密抛光的研究意义 微晶玻璃从 50 年代研制成功并实现工业化以来，由于其组成、结构决定其具有所需的不同性能及 具有电阻率高、介电特性好、硬度高、机械强度大，膨胀系数为 0，且硬度大不易变形，以及铁电性等 特点。因此，在短短的二、三十年时间，获得了迅速的发展，广泛应用于电子、化工、生物医学、机械 工程、军事和建筑等领域。 微晶玻璃是制作飞机控制、
12、 惯性导航、 制导控制陀螺仪等光学元件的基础材料和计算机硬盘的换代 基片。在激光导航系统中，低热膨胀微晶玻璃是制造精确导航用激光陀螺仪的关键材料，一个激光导航 陀螺就需要装配一块微晶玻璃1，市场前景极为广阔。此外，这种微晶玻璃也是制造大型天文望远镜镜片2，高温电光源玻璃壳，雷达天线罩等的理想材料。微晶玻璃作为硬盘基板新的材料，它有更高的机械强度(杨氏模量、 硬度和抗弯强度)， 和几乎比铝基板高一个数量级的制造几何尺寸精度和亚纳米级的 表面粗糙度，且不变形、不易被划伤、抗冲击能力强，几乎为零的线胀系数。使得它能在更高的转速 (480010000r/min)下运转很平稳，大大提高了信息存取速度，存
13、储量大幅度提高，作为计算机硬盘盘 基的一种新型材料，其存储容量是铝基板盘片的 4 倍以上3。 随着微晶玻璃在航空航天事业， 国防事业中发挥的作用越来越重要， 对微晶玻璃表面状况要求也越 来越高，对于陀螺仪的微晶玻璃抛光来说，如果不能解决好粗糙度，也许只是毫厘之差，就可能使陀螺 仪的运转方向产生很大偏差。再比如在国防事业中，也许只是粗糙度很小的差别，就可以导致定向仪发 生重大的偏离，从而使导弹不能按照预定轨道运行，造成重大损失。因此研究微晶玻璃晶片的抛光加工 特性， 开展微晶玻璃晶片深加工技术-超光滑无损伤表面加工技术研究， 对于开发大直径微晶玻璃晶片， 进一步提高硬脆材料精密与超精密加工水平，
14、促进我国光电子产业的发展有深远的意义。 随着应用的增多， 需求越来越大， 为了在单位时间内生产出更多的符合质量要求的微晶玻璃晶片及 降低晶片片表面划伤、塌边等缺陷，提高加工效率，必须选择一种高效高质的加工方法。对于微晶玻璃 的表面加工，传统的抛光方式已经不能满足当今的要求，因此我们采用化学机械抛光（CMP）来完成 对微晶玻璃的表面研磨。CMP 被公认为是现阶段最好的材料全局平坦化方法，该方法既可以获得较完 美的表面，又可以得到较高的抛光速率4，已经取代了传统的热流法、旋转式玻璃法、回蚀法、电子环 绕共振法、等离子增强 CVD、淀积-腐蚀-淀积等技术5。 微晶玻璃的表面精密加工研究是国防重点项目
15、。 由于其应用领域的特殊性， 要求微晶玻璃的表面粗 糙度小于 0.3nm，同时对面形、疵病和清洁度等有严格要求。目前研究较多的是微晶玻璃表面加工后的 表面粗糙度， 对于微晶玻璃抛光去除速率速率的研究报道不多， 在微晶玻璃晶片的实际生产中往往存在 加工效率低、去除速率不高、速率难以控制等问题。因此本文主要针对微晶玻璃 CMP 的去除速率进行 了大量的实验， 通过对微晶玻璃晶片化学机械抛光过程的实验研究和理论分析， 获得了主要工艺参数对 化学机械抛光过程的影响规律，以及在抛光液的各成分对去除速率的作用机理。 1-2 国内外微晶玻璃晶片超精密加工技术的现状国内外微晶玻璃晶片超精密加工技术的现状 1-
16、2-1 国内外晶片超精密加工技术研究现状 国内外晶片超精密加工技术研究现状 为了不断提高超精密加工过程的加工精度和加工效率， 人们不断地把不同的物理过程、 不同的化学 过程应用于加工工艺中， 开发新的复合加工技术和工艺。 目前已研究了多种应用于半导体材料镜面超精 密抛光方法，如化学抛光、电化学抛光、化学机械抛光、浮法抛光、电泳抛光、超声波振动抛光以及离微晶玻璃 CMP 技术及去除速率的研究 2 子束抛光等加工技术6。 1. 化学机械抛光 化学机械抛光是一种应用抛光液的化学反应作用和磨粒机械去除作用相结合的 抛光方法。 抛光液的化学作用使工件表面形成一层软化层， 而磨粒与工件产生摩擦力将工件表面的软化 层去除。化学机械抛光的模型如图 1.1 所示。 图 1.1 化学机械抛光模型 Fig.1.1 CMP Principle 图 1.2 为化学机械抛光工件示意图。化学机械抛光系统主要由作为基盘的研磨盘、圆晶片固定装置 和自动供液系统组成，研磨盘和晶片固定装置都可施力于晶片并使其旋转。抛光时，自
