化學機械磨削技術研究現狀與展望

金 龍

（大慶石化建設有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）是一種集成電路的設計工藝，利用化學與力學的配合作用，對單晶硅、石英玻璃等硬脆性物質進行高精度、高質量、低損耗的加工，目前在半導體、光學等方面得到了廣泛的應用。

1 一種適合于高精度高硬度的研磨工藝

CMP（Chemical Mechanical Polishing，化學機械拋光）技術是日本茨城周立波博士的研究小組首先利用軟研磨工具與工件間的固—固相化學反應，減輕了研磨過程中物料的脫除困難，然后利用研磨工具進行研磨，達到高質量、低損耗、高精度的研磨工藝。從相關文獻可以看出，CMP 技術可以使單晶硅、石英玻璃、藍寶石等具有較高的平整性和表面粗糙度。

本文主要研究硬脆性物質去除機理、軟磨料磨具和新的復合技術。CMP 技術在面型和表面品質方面已經取得了很好的效果，但目前尚不清楚軟研磨與零件之間固—固相反應的臨界點，因此CMP 在高品質、低損耗等方面還沒有得到應用。

另外，CMP 磨削工具軟研磨劑的硬度比被加工的硬脆材料的硬度要小，因此磨損速率高，使得其處理效率不能適應設備的不斷發展。通過對固—固相作用機制的研究，發現軟磨料與工件間的相互作用機制，從而打破了被處理物料的限制，研制出能夠改善CMP 加工效能的新技術，從而有效克服了CMP 研磨過程中存在的問題。

本文主要闡述CMP 在材料去除機理、磨削工藝、綜合工藝等方面的國內外進展，對CMP 材料去除機理的分析方法進行總結，并分析工藝參數、磨料磨削性能、磨削工藝參數、磨削工藝、混合工藝等因素對CMP 磨削質量和效率的影響，并總結目前CMP工藝中的問題，對今后的發展趨勢進行預測。

2 CMP 材料去除機理

在使用常規的高硬度磨料研磨時，所處理的物料以脆化為主。已有的實驗結果顯示，在應力控制在0.02%～0.03%的情況下，大部分的脆物質呈現出塑性態。為了可以高品質的加工，一般會使用較細的研磨顆粒和較小的切深度來達到較高的研磨效果。而在切削時，由于材料的塑性變形，會在切削加工的表面上生成并堆積，從而使零件發生變形，因此不能得到完整的零件。目前已有學者提出，可以在消除金屬表面位壘能量的情況下，突破金屬表面原子點陣，打破金屬間的化學鍵能，實現對金屬基體中金屬的脫除。

盡管對粉體進行加熱，其化學反應類似于研磨，但其靜溫過程并未充分反應出研磨顆粒與工件之間的化學力學效應。另外，RAJENDRAN 等采用緊密約束的量子化動力學方法，對CeO2研磨顆粒進行CMP 處理時的表面力學特性及化學反應進行了研究（圖1）。通過該方法可以達到脫除該物質的目的，并且得出結論：Ce 有+3 和+4 的價態，易于生成CeO2和Ce2O3。

圖1 二氧化硅顆粒在氧化硅CMP 工藝中的分子動態模擬

從以上的結果可以看出，研究者們對CMP 的化學反應機理、磨削溫度場、磨削壓力等方面進行了較為全面的試驗，并通過分子動態模擬等方法，對磨削中物料與磨料、添加劑發生的原子交換作用進行初步探討，從而了解固—固相化學反應發生的特定的臨界條件和反應機理。對比表明，試驗結果對改善CMP的處理效果具有重要的指導意義。但是，當前的分子動力學模擬仍是采用單一的研磨顆粒來進行，單一的刻劃測試還無法精確地反映出砂輪特性、加工參數和裝備狀況，因此當前的數值模擬只能作為輔助參考，其仿真技術及固—固相反應的測試技術還有待改進。

3 CMP 加工工藝

化學機械研磨是一種復合的化學與力學綜合的工藝，其中存在著由研磨顆粒擠壓、摩擦、剪切等及固—固相化學反應等多種因素，從而對其工藝品質和工藝效果產生一定的影響。許多學者從研磨過程中的工藝條件和研磨工具自身的性質，來探討其對CMP 研磨品質和研磨效能的作用。

一般情況下，單一的軟研磨工藝很難實現固—固相化學反應，需要在CMP 特殊的研磨工藝中加入合適的促進固—固相化學反應的助劑，降低研磨物料與工質之間的反應門檻，從而有利于固—固相化學反應。CMP 的特殊磨料、添加劑、磨料的種類、磨料的構造等因素，直接關系到磨料的最終加工效果和產品的品質。

相關學者研制的CMP 型氯化鎂粉砂輪比用樹脂型的金剛石砂輪提高了產品的表面品質，降低了亞表層的破壞，并將其原因歸于在常溫和常壓下進行的交聯，使氯化鎂粉砂輪的空隙比樹脂砂輪大（圖2），因而獲得了較好的研磨結果。SASAKI 等分別對節段形和環形CMP 砂輪進行了研磨試驗，發現節段形砂輪對物料的脫除性較好（圖3）。此外，WANG 等研制出一種非粘接性磨料研磨工具（研磨料的品質百分比分別為100%及99.5%），目的在于改善藍寶石研磨工藝中的物料去除速度，并用試驗證明，無粘結劑CMP 磨具的物料去除速度明顯高于常規的粘結劑CMP 磨具（圖4）。結果表明，研磨工藝中的燒成工藝對研磨工藝的物料脫除量有很大的影響。

圖2 不同結合劑的CMP 砂輪

圖3 不同形狀的CMP 砂輪

圖4 無結合劑磨料磨具

因此，根據不同的工件選用適當的研磨劑和助劑，可以有效改善CMP 的生產效果，而研磨機自身的制造技術也會對其性能造成一定影響。所以不僅要對研磨過程中物料與各種研磨料之間的化學反應機理進行深入探討，還要充分利用化學—力學的相互影響來對研磨過程進行優化，包括組織配方、幾何結構、制作過程等因素對研磨過程的影響，進而改善CMP 的加工品質和生產效果。

4 結論與展望

化學機械磨削工藝的理論探討與工藝優選尚處在理論探討與工藝優選的階段，化學機械磨削工藝參數及專用軟磨料磨削工藝參數的開發目前存在諸多問題，主要包括3 個方面。

（1）研磨機制。了解CMM 研磨過程中物料的清除機制對于提高工藝的生產效率和確保工藝的品質至關重要。由于化學機械拋光中物料的脫除是一種物理與化學相結合的工藝，需要從化學與力學兩方面來探討其脫除機制。根據已有的結果可以看出，化學效應在一定程度上可以減弱被處理物質的原子阻擋能，也可以產生柔軟的反應層，但是對于化學的影響，大多數人認知還只是對中間體和分子的動態仿真，對于非晶物質和某些產品的反應條件和形成機制還沒有一個清晰的認識。

（2）軟研磨工具。為了使CMP 的優點由扁平型到更精細的結構，以達到更好的加工效果，進而減少制造費用，需要對磨具制造的工藝條件、磨具磨損的機制的影響進行深入研究。

（3）處理過程。盡管目前的CMP 技術已經可以達到高品質的表面處理，但是它是一個力學與化學交互的過程，為了達到較少的傷害或不損壞工件，兩者之間需要達到一個相對的均衡。

在CMM 研磨中，除目前急需解決的主要技術問題之外，還需要進一步擴大其應用范圍。

（1）處理的目標多種多樣。由于目前有關CMP 的主要研究對象是單晶硅、石英玻璃等硬性、易碎的非金屬材料，只要對其化學機制進行深入了解，其應用領域可以擴展到工程陶瓷、硬質合金、復合材料等。

（2）擴大處理更復雜的結構的適用范圍。目前，化學磨削技術多用于平面化和光電子設備的磨削，因此只要對化學反應閾值、磨料磨具進行足夠的了解，就可以將其加工范圍擴大到曲面、三維、微觀結構等結構零件的超精細制造，有利于提高化學磨削工藝的品質。

（3）研制智能型CMP 研磨系統的資料庫。通過對化學機械研磨機制的研究，可以對化學反應條件、物理機械屬性變化、材料去除、磨料磨具的磨耗進行預報與監測，并以此為依據，對其進行閉環控制，從而實現對化學機械研磨工藝的智能化分析與判斷。