1. Введение в технологии полировки поверхностей

Для достижения высококачественной отделки поверхности процессы полировки удаляют материал с поверхности заготовки за счет комбинированного действия механического воздействия и химических реакций. Эти процессы обычно используют мелкие абразивные частицы вместе с мягкими полировальными инструментами (такими как смола, полиуретан и ткань), химическими растворами, электрическими/магнитными полями или пучками частиц в качестве вспомогательных методов.

В зависимости от различных задействованных механизмов удаления материала, технологии полировки можно в основном классифицировать следующим образом:

• Механическая полировка
• Химическая/электрохимическая полировка
• Химико-механическая полировка (ХМП)
• Другие передовые технологии полировки

(1) Механическая полировка

Механическая полировка удаляет небольшое количество материала с поверхности заготовки за счет взаимодействия между абразивными частицами и полировальной подушкой, создавая гладкую поверхность. В настоящее время это одна из наиболее широко используемых технологий полировки для оптических компонентов.

Традиционный процесс механической полировки показан на рисунке ниже.

Во время механической полировки абразивные частицы вдавливаются в поверхность заготовки под действием нормального давления, создаваемого неровностями полировальной подушки. При движении полировальной подушки относительно заготовки абразивные частицы взаимодействуют с поверхностью посредством трения, вспахивания и резания, тем самым удаляя материал с заготовки.

Поведение деформации поверхностных материалов, вызванное абразивными частицами, обычно можно разделить на три стадии:

• Упругая деформация
• Пластическая деформация
• Хрупкая деформация

Поскольку механическая полировка обычно использует мелкие абразивные частицы и относительно мягкие полировальные инструменты, поверхностный материал обычно подвергается упругой или пластической деформации в процессе полировки.

С микроскопической точки зрения установлена модель механического взаимодействия между абразивными частицами и поверхностью заготовки, как показано на рисунке (а).

В этой модели предполагается, что абразивная частица сферическая и вдавливается в поверхность заготовки под давлением, приложенным неровностями полировальной подушки.

Во время механической полировки возникновение удаления материала зависит в первую очередь от глубины вдавливания абразивной частицы.

Существует критическая глубина вдавливания, соответствующая переходу от упругой деформации к пластической деформации:

• Когда глубина вдавливания меньше критического значения, поверхностный материал подвергается только упругой деформации, и удаление материала не происходит.
• Когда глубина вдавливания превышает критическое значение, происходит пластическая деформация, что приводит к эффективному удалению материала.

Различные глубины вдавливания абразива приводят к различным механизмам удаления материала, которые определяют конечное состояние износа обработанной поверхности.

Как показано на рисунке (б):

Когда глубина вдавливания достигает атомного масштаба (примерно 5 Å), поверхность заготовки подвергается только упругой деформации. Атомы не удаляются, и повреждения поверхности не возникают.

Когда глубина вдавливания увеличивается примерно до 10–15 Å, доминирующим механизмом удаления становится удаление вспахиванием. Под действием давления абразивных частиц поверхностные атомы накапливаются и образуют атомные кластеры, которые постепенно удаляются при движении абразивных частиц.

Количество удаленных атомов увеличивается пропорционально глубине вдавливания.

Когда глубина вдавливания далее увеличивается примерно до 20 Å, механизм удаления изменяется на удаление резанием2. Улучшение растекаемости суспензии

На этой стадии большое количество поверхностных атомов непосредственно срезается абразивными частицами, образуя стружку, которая удаляется вместе с движением абразива.

В процессе этого абразивные частицы не только толкают и накапливают поверхностные атомы, но и создают сильные выступы вокруг царапин, что приводит к увеличению шероховатости поверхности.

Традиционная теория механической полировки предполагает, что удаление материала не происходит на стадии упругой деформации. Вместо этого удаление материала начинается только тогда, когда абразивные частицы вызывают пластическую деформацию посредством резания.

Следовательно, механическая полировка неизбежно вызывает определенное количество поверхностных и подповерхностных повреждений.

В процессах механической полировки на поверхностные/подповерхностные повреждения оптических компонентов сильно влияют параметры процесса, включая:

• Механические свойства полировального инструмента
• Размер абразивных частиц
• Морфология абразивных частиц

На рисунке (а) показана поверхность оптического стекла BK7 после механической полировки.

В процессе полировки использовались абразивные частицы Al₂O₃ размером 10 мкм и полировальный инструмент из смолы. На поверхности отчетливо видны значительные дефекты царапин, вызванные механическим истиранием.

На рисунке (б) показаны поверхностные и подповерхностные повреждения пластины CdZnTe после 30 минут механической полировки, наблюдаемые с помощью сканирующей электронной микроскопии.

В процессе полировки использовались абразивные частицы Al₂O₃ размером 2–5 мкм с полировальным инструментом из алюминиевой пластины.

На поверхности наблюдались царапины микронного и субмикронного масштаба. Толщина подповерхностного слоя повреждений составляла менее 1 мкм и состояла в основном из поликристаллического слоя, что указывает на повреждение пластической деформацией.

(2) Химическая полировка и электрохимическая полировка

Химическая полировка и электрохимическая полировка используют химические или электрохимические реакции для растворения материала с поверхности заготовки.

В процессе этого микроскопические выступы на поверхности растворяются предпочтительнее, чем углубления, что приводит к более гладкой поверхности.

Основной состав растворов для химической/электрохимической полировки обычно включает:

• Травители
• Ингибиторы
• Вода

Функции каждого компонента следующие:

• Травители: растворяют поверхностный материал посредством химических реакций.
• Ингибиторы: подавляют чрезмерную коррозию и улучшают управляемость процесса.
• Вода: действует как разбавитель и способствует диффузии продуктов реакции.

Для различных материалов заготовок должны быть выбраны соответствующие системы полировальных растворов в соответствии с их химическими свойствами.

Поскольку оптические материалы обычно обладают отличной химической стабильностью, в качестве травителей при химической полировке часто требуются сильные кислоты, сильные щелочи или сильные окислители.

Например, для оптических компонентов, в основном состоящих из SiO₂, таких как стекло K9 и плавленый кварц, в качестве травителя обычно используется плавиковая кислота (HF).

Химическая реакция:

$$\mathrm{Развитие\; технологии\; ХМП\; тесно\; связано\; с\; развитием\; полупроводниковой\; технологии.\; На\; ранних\; этапах\; полировка\; в\; основном\; опиралась\; на\; чисто\; механические\; методы\; шлифования,\; такие\; как\; финишная\; обработка\; стекла\; и\; металлов.\; Однако\; эти\; традиционные\; подходы\; не\; могли\; удовлетворить\; все\; более\; строгие\; требования\; к\; высокой\; точности\; и\; наноразмерной\; планарной\; обработке\; поверхности.}\mathrm{В\; 1950-х\; годах\; исследователи\; обнаружили,\; что\; химические\; реагенты,\; такие\; как\; кислоты\; и\; щелочные\; растворы,\; могут\; способствовать\; удалению\; материала\; и\; уменьшать\; механические\; повреждения.\; Это\; открытие\; заложило\; основу\; для\; развития\; технологии\; ХМП.}{\mathrm{Кроме\; того,\; внедрение\; низкодиэлектрических\; материалов\; потребовало\; более\; мягких\; процессов\; ХМП\; для\; минимизации\; механических\; повреждений\; и\; сохранения\; структурной\; целостности.}}_{\mathrm{ХМП\; меди\; требует\; точного\; контроля\; баланса\; между\; химическим\; растворением\; и\; механическим\; истиранием\; для\; подавления\; чрезмерного\; окисления\; меди\; и\; достижения\; равномерного\; удаления\; материала.}}Недостаточная\; точность\; оборудования\mathrm{Однако\; ранние\; процессы\; ХМП\; по-прежнему\; сталкивались\; с\; рядом\; проблем,\; включая:}\mathrm{В\; 1997\; году\; IBM\; успешно\; внедрила\; ХМП\; в\; процессы\; полировки\; медных\; межсоединений.}\mathrm{В\; 1965\; году\; IBM\; впервые\; представила\; технологию\; ХМП\; для\; полировки\; кремниевых\; пластин.\; С\; быстрым\; развитием\; интегральных\; схем\; (ИС)\; традиционные\; процессы\; сухого\; травления\; и\; чисто\; механические\; методы\; полировки\; не\; могли\; эффективно\; устранить\; вариации\; топографии\; поверхности.\; В\; результате\; ХМП\; постепенно\; стала\; критически\; важной\; технологией\; процесса.}(3)\; Технология\; химико-механической\; полировки\; (ХМП){\mathrm{В\; 1997\; году\; IBM\; успешно\; внедрила\; ХМП\; в\; процессы\; полировки\; медных\; межсоединений.}}_{\mathrm{ХМП\; меди\; требует\; точного\; контроля\; баланса\; между\; химическим\; растворением\; и\; механическим\; истиранием\; для\; подавления\; чрезмерного\; окисления\; меди\; и\; достижения\; равномерного\; удаления\; материала.}}\mathrm{Развитие\; технологии\; ХМП\; тесно\; связано\; с\; развитием\; полупроводниковой\; технологии.\; На\; ранних\; этапах\; полировка\; в\; основном\; опиралась\; на\; чисто\; механические\; методы\; шлифования,\; такие\; как\; финишная\; обработка\; стекла\; и\; металлов.\; Однако\; эти\; традиционные\; подходы\; не\; могли\; удовлетворить\; все\; более\; строгие\; требования\; к\; высокой\; точности\; и\; наноразмерной\; планарной\; обработке\; поверхности.}\mathrm{В\; 1950-х\; годах\; исследователи\; обнаружили,\; что\; химические\; реагенты,\; такие\; как\; кислоты\; и\; щелочные\; растворы,\; могут\; способствовать\; удалению\; материала\; и\; уменьшать\; механические\; повреждения.\; Это\; открытие\; заложило\; основу\; для\; развития\; технологии\; ХМП.}{\mathrm{В\; 1965\; году\; IBM\; впервые\; представила\; технологию\; ХМП\; для\; полировки\; кремниевых\; пластин.\; С\; быстрым\; развитием\; интегральных\; схем\; (ИС)\; традиционные\; процессы\; сухого\; травления\; и\; чисто\; механические\; методы\; полировки\; не\; могли\; эффективно\; устранить\; вариации\; топографии\; поверхности.\; В\; результате\; ХМП\; постепенно\; стала\; критически\; важной\; технологией\; процесса.}}_{\mathrm{Однако\; ранние\; процессы\; ХМП\; по-прежнему\; сталкивались\; с\; рядом\; проблем,\; включая:}}Недостаточная\; точность\; оборудования\mathrm{ХМП\; меди\; требует\; точного\; контроля\; баланса\; между\; химическим\; растворением\; и\; механическим\; истиранием\; для\; подавления\; чрезмерного\; окисления\; меди\; и\; достижения\; равномерного\; удаления\; материала.}{\mathrm{В\; 1997\; году\; IBM\; успешно\; внедрила\; ХМП\; в\; процессы\; полировки\; медных\; межсоединений.}}_{\mathrm{ХМП\; меди\; требует\; точного\; контроля\; баланса\; между\; химическим\; растворением\; и\; механическим\; истиранием\; для\; подавления\; чрезмерного\; окисления\; меди\; и\; достижения\; равномерного\; удаления\; материала.}}\mathrm{Кроме\; того,\; внедрение\; низкодиэлектрических\; материалов\; потребовало\; более\; мягких\; процессов\; ХМП\; для\; минимизации\; механических\; повреждений\; и\; сохранения\; структурной\; целостности.}$$

Механизм обработки ХМП

ХМП использует относительно мягкие абразивные частицы для достижения высококачественной полировки поверхности.

• В процессе ХМП заготовка прижимается к полировальной подушке под контролируемым давлением и движется относительно подушки.
• Благодаря синергетическому взаимодействию наноразмерных абразивных частиц и химических компонентов полировальной суспензии поверхность заготовки постепенно становится более гладкой, как показано на рисунке ниже.
• Система ХМП обычно состоит из вращающегося держателя и полировального стола.
• Благодаря их скоординированному вращению создается сложная траектория относительного движения между пластиной и полировальной подушкой.

Суспензия, непрерывно подаваемая перистальтическим насосом, содержит два функциональных компонента:

Абразивные частицы:

• обеспечивают механическое полирование.
• Окислители:
• вызывают химические реакции на поверхности материала.

Механизм удаления материала ХМП в основном включает два последовательных этапа:

Этап 1: Окисление поверхности и химическая модификация

• Окислители реагируют с поверхностью заготовки и образуют химически модифицированный или размягченный поверхностный слой.
• Этап 2: Механическое удаление прореагировавшего слоя
• Абразивные частицы удаляют этот размягченный слой реакции посредством механического взаимодействия.
• Этот циклический процесс в конечном итоге приводит к получению ультрагладкой поверхности с чрезвычайно низкой шероховатостью.

Следует отметить, что баланс между химическими и механическими эффектами в ХМП играет решающую роль в определении конечного качества обработки.

Когда доминирует механическое воздействие:

Могут возникнуть царапины на поверхности.

Может увеличиться концентрация остаточных напряжений.

Могут возникнуть подповерхностные повреждения.

Когда химическое воздействие становится чрезмерным:

Могут появиться дефекты коррозии поверхности.

Может произойти локальное травление.

Может ухудшиться морфология поверхности.

Следовательно, оптимизация синергетического взаимодействия между химическими реакциями и механическим истиранием является ключевым фактором повышения производительности ХМП.

Исследования показали, что интенсивность механической полировки и скорость химической реакции имеют положительную корреляцию.

Этот эффект связи напрямую влияет на эффективность удаления материала.

Следовательно, точный контроль состава суспензии стал одной из основных технологических проблем при разработке передовых процессов ХМП.

Для получения высококачественной полированной поверхности химические и механические эффекты во время ХМП должны достичь соответствующего равновесия.Если химическое воздействие преобладает над механическим:Могут возникнуть коррозионные ямы

Поверхностные узоры типа «апельсиновой корки»

Неоднородная морфология поверхности

могут возникнуть.

И наоборот, если преобладает механическое воздействие:

• Царапины
• Трещины
• Слои подповерхностных повреждений

вероятно, образуются.

2. Факторы, влияющие на химико-механическую полировку

В процессе ХМП параметры процесса оказывают значительное влияние на:

Скорость удаления материала (MRR)

Шероховатость поверхности

Целостность поверхности

Однородность обработки

Согласно уравнению Престона:

MRR = K × P × V

где:

MRR

• обозначает скорость удаления материала.K
• — коэффициент Престона, связанный с условиями полировки.P

обозначает давление полировки.

V

обозначает относительную скорость полировки.

Давление полировки и скорость вращения совместно определяют эффективность удаления материала.

(1) Влияние давления полировки

Давление полировки напрямую определяет контактное напряжение между полировальной подушкой и поверхностью пластины.

Увеличение давления обычно улучшает контакт между абразивными частицами и пластиной, тем самым увеличивая MRR.

Однако чрезмерное давление может привести к:

• Микроцарапины на поверхности
• Деформация пластины
• Локальное чрезмерное полирование

Дефекты углубления

• Следовательно, необходимо выбрать соответствующий диапазон давления для балансировки эффективности и качества поверхности.
• (2) Влияние скорости вращения
• Относительная скорость вращения между полировальной подушкой и пластиной влияет на гидродинамическое поведение и распределение полировальной суспензии.

Большая разница скоростей может вызвать чрезмерное удаление края, что приведет к явлению, известному как

откат края

.

Увеличение скорости вращения усиливает механические сдвиговые силы, что может повысить эффективность удаления материала.

Однако чрезмерно высокая скорость может вызвать локальное повышение температуры (обычно выше 10 °C), что приведет к изменению химической активности суспензии и повлияет на стабильность полировки.

(3) Влияние скорости потока суспензии

• Скорость потока суспензии влияет на оба аспекта:
• Химические реакции между суспензией и поверхностью пластины.
• Механическое удаление окисленного слоя реакции.

Кроме того, посредством конвекции суспензия действует как охлаждающая жидкость и помогает рассеивать тепло, генерируемое на границе раздела между полировальной подушкой и пластиной.

Следовательно, оптимизация скорости потока суспензии способствует повышению эффективности полировки и качества поверхности.

• Соответствующая регулировка параметров процесса, включая:
• Давление
• Скорость вращения

Скорость потока суспензии

необходима для достижения высокопроизводительных процессов ХМП.

Исследования показали, что в пределах соответствующего диапазона давления MRR увеличивается примерно пропорционально приложенному давлению.

• Эффективность удаления материала снижается.
• Увеличение давления или скорости потока суспензии может:

Снизить температуру полировальной подушки.

$$\mathrm{Улучшить\; окислительную\; способность.}\mathrm{В\; результате\; MRR\; увеличивается.}\mathrm{В\; результате\; MRR\; увеличивается.}полировальная\; суспензия\; остается\; наиболее\; критическим\; фактором,\; влияющим\; на\; производительность\; ХМП.\mathrm{(b)\; Окислители}Регуляторы\; pH\mathrm{Эти\; реакции\; генерируют\; относительно\; более\; мягкий\; слой\; оксида,\; который\; затем\; легко\; удаляется\; механическим\; истиранием.}Регуляторы\; pH\mathrm{(c)\; Значение\; pH}$$

Скорость удаления материала (MRR)

• Шероховатость поверхностиОбразование поверхностных дефектов
• (b) ОкислителиОкислители играют критическую роль в ХМП, способствуя реакциям окисления на поверхности материала.
• Эти реакции генерируют относительно более мягкий слой оксида, который затем легко удаляется механическим истиранием.Процесс окисления эффективно снижает механическую силу, необходимую для удаления материала, и помогает минимизировать повреждение поверхности.
• (c) Значение pHЗначение pH полировальной суспензии напрямую влияет на:

Скорость полировки

Качество поверхности

Механизм удаления материала

Регулируя кислотность или щелочность суспензии, можно контролировать скорость химической реакции между суспензией и поверхностью материала.

Оптимизированное значение pH помогает достичь баланса между химической модификацией и механическим удалением.

• (d) Поверхностно-активные вещества
• Поверхностно-активные вещества действуют как стабилизаторы в суспензии ХМП.
• Их основные функции включают:
• 1. Поддержание стабильности суспензии

Поверхностно-активные вещества предотвращают:

Агрегацию абразивных частиц

Разделение компонентов

Оседаниетем самым поддерживая однородность суспензии.2. Улучшение растекаемости суспензии

Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение суспензии, обеспечивая лучшее растекание по гидрофобным поверхностям пластин.

Это улучшает контакт между:

Абразивными частицами

Химическими компонентами

• Поверхностью материала
• что приводит к улучшению однородности и эффективности полировки.

3. Снижение повреждения поверхности

Поверхностно-активные вещества могут регулировать скорость поверхностных реакций или образовывать защитные пленки на поверхности.

Это помогает сбалансировать механическое истирание и химическую коррозию, улучшая:

• Эффективность удаления материала