化学机械抛光液的发展现状与研究方向_彭进

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彭进等 化化 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 ［６］ 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，Ｅｉｉｃｈｉ Ｓａｔｏｕ［７］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Ｃ Ｃ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 。
２．１ 二 氧 化 硅 胶 体 抛 光 液
二氧化硅胶体抛光液是以高纯度的硅粉或者水玻 璃为原料，经过特 殊 工 艺 生 产 的 一 种 高 纯 度 金 属 离 子 型 抛 光 产 品 ，广 泛 用 于 多 种 纳 米 材 料 的 高 平 坦 化 抛 光 ， 如硅 片、化 合 物 晶 体、精 密 光 学 器 件、宝 石 等 的 抛 光 加 工。
二 氧 化 硅 的 硬 度 和 硅 片 的 硬 度 相 近 ，因 此 ，对 半 导 体硅片进行精抛 光 时，磨 削 层 的 厚 度 仅 为 磨 料 粒 子 尺 寸的四分之一 。 ［９］ 虽 然 二 氧 化 硅 胶 体 的 粒 度 很 细，约 为０．０１～０．１μｍ，对 抛 光 工 件 表 面 的 损 伤 层 极 微，但 是目前为了进一步减小表面粗糙度和损伤层的深度， 精抛时不再采用类似气相法制备的微米级二氧化硅粒 子 ，而 是 采 用 纳 米 级 的 二 氧 化 硅 胶 体 ；同 时 通 过 提 高 产 物的排除速率 和 加 强 化 学 反 应，来 提 高 抛 光 效 率。 二 氧化硅是抛 光 液 的 重 要 组 成 部 分，其 粒 径 大 小、致 密 度 、分 散 度 等 性 质 直 接 影 响 抛 光 的 速 率 和 抛 光 质 量 ，因
二氧化铈是玻璃抛光的通用磨削材料。随着工件 尺寸的缩小，传统 的 硅 容 易 在 尺 寸 较 大 的 集 成 电 路 浅 沟槽隔离（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ＳＴＩ）处形成蝶 形 缺陷。而 针 对 ＳＴＩ的 抛 光，选 择 合 适 的 抛 光 液 是 关 键。以二氧化铈 作 为 研 磨 颗 粒 的 第 二 代 抛 光 液，具 有 高选择性和抛光 终 点 自 动 停 止 的 特 性，配 合 粗 抛 和 精 抛，能 够 十 分 有 效 地 解 决 第 一 代 ＳＴＩ工 艺 缺 点，是 目 前重点发展的产品类型之一。
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 。 ［２］ 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 。 ［３－４］
第 ４１ 卷 第 ４ 期 ２０１２ 年 ８ 月 Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１２
表面技术
ＳＵＲＦＡＣＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
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化学机械抛光液的发展现状与研究方向
彭 进 ，夏 琳 ，邹 文 俊 （河南工业大学 材料科学与工程学院，郑州 ４５０００７）
［摘 要 ］ 简 述 了 化 学 机 械 抛 光 液 的 主 要 成 分 及 其 作 用 ；综 述 了 近 年 来 国 内 外 化 学 机 械 抛 光 液 的 发 展 现 状 ， 主 要 介 绍 了 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 。 最 后 指 出 ，化 学 机 械 抛 光 液 未 来 应 向 环 保 化 、精 细 化 以 及 专 门 化 的 方 向 发 展 。
此二氧化硅胶体的制备非常重要 。孙涛 以 ［１０］ Ｎａ２ＳｉＯ３ 为原料，通过离子 交 换 法 制 备 出 了 不 同 粒 径 的 纳 米 二 氧化硅胶体，考察 了 磨 料 粒 径 和 数 量 等 对 存 储 器 硬 盘 基板 ＮｉＰ 抛光速率的 影 响，发 现：磨 料 浓 度 相 同 时，采 用粒径为１５０ｎｍ 的二 氧 化 硅 胶 体，抛 光 速 率 最 高；粒 子数目相同时，采用 粒 径 为 ２００ｎｍ 的 二 氧 化 硅 胶 体， 抛光速率最高。
但是二氧化硅 抛 光 液 也 存 在 一 些 问 题，例 如 抛 光 液 中 含 有 氨 水 或 有 机 胺 ，氨 水 有 挥 发 性 ，并 且 会 和 光 刻 胶发生反应，因此应用时，需使用密闭的机台或者隔 离 的 区 域 ，保 证 与 光 刻 区 域 分 离 。
２．２ 二 氧 化 铈 抛 光 液
［收 稿 日 期 ］２０１２－０３－２９；［修 回 日 期 ］２０１２－０４－２６ ［基 金 项 目 ］河 南 省 教 育 厅 自 然 科 学 基 金 （１２Ａ４３０００５） ［作 者 简 介 ］彭 进 （１９７１－ ），男 ，安 徽 合 肥 人 ，硕 士 ，教 授 ，主 要 研 究 方 向 为 有 机 磨 具 、涂 覆 磨 具 。
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
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［８］，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 。
［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ＣＭＰ ｓｌｕｒｒｙ；ＳｉＯ２；Ａｌ２Ｏ３；ＣｅＯ２；Ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ
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 。 ［１］ 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。
［关 键 词 ］ 化 学 机 械 抛 光 液 ；二 氧 化 硅 ；二 氧 化 铈 ；氧 化 铝 ；纳 米 金 刚 石 ［中图分类号］ＴＧ１７５ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００１－３６６０（２０１２）０４－００９５－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｓｌｕｒｒｙ
ＰＥＮＧ Ｊｉｎ，ＸＩＡ Ｌｉｎ，ＺＯＵ Ｗｅｎ－ｊｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００７，Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ （ＣＭＰ）ｓｌｕｒｒｙ ｗｅｒｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＣＭＰ ｓｕｒｒｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ．Ｉｔ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ＳｉＯ２ ｓｏｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ， Ａｌ２Ｏ３ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ，ＣｅＯ２ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ ，ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ＣＭＰ ｓｌｕｒ－ ｒｙ ｗｅｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ，ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ．