化学机械磨削技术研究现状与展望

金 龙

（大庆石化建设有限公司，黑龙江大庆 163714）

0 引言

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）是一种集成电路的设计工艺，利用化学与力学的配合作用，对单晶硅、石英玻璃等硬脆性物质进行高精度、高质量、低损耗的加工，目前在半导体、光学等方面得到了广泛的应用。

1 一种适合于高精度高硬度的研磨工艺

CMP（Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光）技术是日本茨城周立波博士的研究小组首先利用软研磨工具与工件间的固—固相化学反应，减轻了研磨过程中物料的脱除困难，然后利用研磨工具进行研磨，达到高质量、低损耗、高精度的研磨工艺。从相关文献可以看出，CMP 技术可以使单晶硅、石英玻璃、蓝宝石等具有较高的平整性和表面粗糙度。

本文主要研究硬脆性物质去除机理、软磨料磨具和新的复合技术。CMP 技术在面型和表面品质方面已经取得了很好的效果，但目前尚不清楚软研磨与零件之间固—固相反应的临界点，因此CMP 在高品质、低损耗等方面还没有得到应用。

另外，CMP 磨削工具软研磨剂的硬度比被加工的硬脆材料的硬度要小，因此磨损速率高，使得其处理效率不能适应设备的不断发展。通过对固—固相作用机制的研究，发现软磨料与工件间的相互作用机制，从而打破了被处理物料的限制，研制出能够改善CMP 加工效能的新技术，从而有效克服了CMP 研磨过程中存在的问题。

本文主要阐述CMP 在材料去除机理、磨削工艺、综合工艺等方面的国内外进展，对CMP 材料去除机理的分析方法进行总结，并分析工艺参数、磨料磨削性能、磨削工艺参数、磨削工艺、混合工艺等因素对CMP 磨削质量和效率的影响，并总结目前CMP工艺中的问题，对今后的发展趋势进行预测。

2 CMP 材料去除机理

在使用常规的高硬度磨料研磨时，所处理的物料以脆化为主。已有的实验结果显示，在应力控制在0.02%～0.03%的情况下，大部分的脆物质呈现出塑性态。为了可以高品质的加工，一般会使用较细的研磨颗粒和较小的切深度来达到较高的研磨效果。而在切削时，由于材料的塑性变形，会在切削加工的表面上生成并堆积，从而使零件发生变形，因此不能得到完整的零件。目前已有学者提出，可以在消除金属表面位垒能量的情况下，突破金属表面原子点阵，打破金属间的化学键能，实现对金属基体中金属的脱除。

尽管对粉体进行加热，其化学反应类似于研磨，但其静温过程并未充分反应出研磨颗粒与工件之间的化学力学效应。另外，RAJENDRAN 等采用紧密约束的量子化动力学方法，对CeO2研磨颗粒进行CMP 处理时的表面力学特性及化学反应进行了研究（图1）。通过该方法可以达到脱除该物质的目的，并且得出结论：Ce 有+3 和+4 的价态，易于生成CeO2和Ce2O3。

图1 二氧化硅颗粒在氧化硅CMP 工艺中的分子动态模拟

从以上的结果可以看出，研究者们对CMP 的化学反应机理、磨削温度场、磨削压力等方面进行了较为全面的试验，并通过分子动态模拟等方法，对磨削中物料与磨料、添加剂发生的原子交换作用进行初步探讨，从而了解固—固相化学反应发生的特定的临界条件和反应机理。对比表明，试验结果对改善CMP的处理效果具有重要的指导意义。但是，当前的分子动力学模拟仍是采用单一的研磨颗粒来进行，单一的刻划测试还无法精确地反映出砂轮特性、加工参数和装备状况，因此当前的数值模拟只能作为辅助参考，其仿真技术及固—固相反应的测试技术还有待改进。

3 CMP 加工工艺

化学机械研磨是一种复合的化学与力学综合的工艺，其中存在着由研磨颗粒挤压、摩擦、剪切等及固—固相化学反应等多种因素，从而对其工艺品质和工艺效果产生一定的影响。许多学者从研磨过程中的工艺条件和研磨工具自身的性质，来探讨其对CMP 研磨品质和研磨效能的作用。

一般情况下，单一的软研磨工艺很难实现固—固相化学反应，需要在CMP 特殊的研磨工艺中加入合适的促进固—固相化学反应的助剂，降低研磨物料与工质之间的反应门槛，从而有利于固—固相化学反应。CMP 的特殊磨料、添加剂、磨料的种类、磨料的构造等因素，直接关系到磨料的最终加工效果和产品的品质。

相关学者研制的CMP 型氯化镁粉砂轮比用树脂型的金刚石砂轮提高了产品的表面品质，降低了亚表层的破坏，并将其原因归于在常温和常压下进行的交联，使氯化镁粉砂轮的空隙比树脂砂轮大（图2），因而获得了较好的研磨结果。SASAKI 等分别对节段形和环形CMP 砂轮进行了研磨试验，发现节段形砂轮对物料的脱除性较好（图3）。此外，WANG 等研制出一种非粘接性磨料研磨工具（研磨料的品质百分比分别为100%及99.5%），目的在于改善蓝宝石研磨工艺中的物料去除速度，并用试验证明，无粘结剂CMP 磨具的物料去除速度明显高于常规的粘结剂CMP 磨具（图4）。结果表明，研磨工艺中的烧成工艺对研磨工艺的物料脱除量有很大的影响。

图2 不同结合剂的CMP 砂轮

图3 不同形状的CMP 砂轮

图4 无结合剂磨料磨具

因此，根据不同的工件选用适当的研磨剂和助剂，可以有效改善CMP 的生产效果，而研磨机自身的制造技术也会对其性能造成一定影响。所以不仅要对研磨过程中物料与各种研磨料之间的化学反应机理进行深入探讨，还要充分利用化学—力学的相互影响来对研磨过程进行优化，包括组织配方、几何结构、制作过程等因素对研磨过程的影响，进而改善CMP 的加工品质和生产效果。

4 结论与展望

化学机械磨削工艺的理论探讨与工艺优选尚处在理论探讨与工艺优选的阶段，化学机械磨削工艺参数及专用软磨料磨削工艺参数的开发目前存在诸多问题，主要包括3 个方面。

（1）研磨机制。了解CMM 研磨过程中物料的清除机制对于提高工艺的生产效率和确保工艺的品质至关重要。由于化学机械抛光中物料的脱除是一种物理与化学相结合的工艺，需要从化学与力学两方面来探讨其脱除机制。根据已有的结果可以看出，化学效应在一定程度上可以减弱被处理物质的原子阻挡能，也可以产生柔软的反应层，但是对于化学的影响，大多数人认知还只是对中间体和分子的动态仿真，对于非晶物质和某些产品的反应条件和形成机制还没有一个清晰的认识。

（2）软研磨工具。为了使CMP 的优点由扁平型到更精细的结构，以达到更好的加工效果，进而减少制造费用，需要对磨具制造的工艺条件、磨具磨损的机制的影响进行深入研究。

（3）处理过程。尽管目前的CMP 技术已经可以达到高品质的表面处理，但是它是一个力学与化学交互的过程，为了达到较少的伤害或不损坏工件，两者之间需要达到一个相对的均衡。

在CMM 研磨中，除目前急需解决的主要技术问题之外，还需要进一步扩大其应用范围。

（1）处理的目标多种多样。由于目前有关CMP 的主要研究对象是单晶硅、石英玻璃等硬性、易碎的非金属材料，只要对其化学机制进行深入了解，其应用领域可以扩展到工程陶瓷、硬质合金、复合材料等。

（2）扩大处理更复杂的结构的适用范围。目前，化学磨削技术多用于平面化和光电子设备的磨削，因此只要对化学反应阈值、磨料磨具进行足够的了解，就可以将其加工范围扩大到曲面、三维、微观结构等结构零件的超精细制造，有利于提高化学磨削工艺的品质。

（3）研制智能型CMP 研磨系统的资料库。通过对化学机械研磨机制的研究，可以对化学反应条件、物理机械属性变化、材料去除、磨料磨具的磨耗进行预报与监测，并以此为依据，对其进行闭环控制，从而实现对化学机械研磨工艺的智能化分析与判断。