納米多孔複合磨粒設計及其化學機械拋光機理研究

《納米多孔複合磨粒設計及其化學機械拋光機理研究》是依託上海大學，由雷紅擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：納米多孔複合磨粒設計及其化學機械拋光機理研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：雷紅
• 依託單位：上海大學

中文摘要

針對下一代計算機硬碟基片、積體電路矽晶片等表面原子級粗糙度和無損傷的加工要求，以及現有化學機械拋光（CMP）磨粒存在的問題，基於現有CMP機理及物質結構決定物質性能的原理，提出研製具有獨特納米多孔結構、特定拋光活性元素組成的新型納米複合磨粒。納米多孔複合磨粒可望作為拋光液微小儲存器在拋光壓力下釋放拋光液，調節改善拋光微區機械作用、化學作用、拋光液流動性的微觀平衡，以提高拋光質量。通過研究納米多孔磨粒CMP特性及其化學機械拋光機理，以及研究納米多孔複合磨粒物理化學及機械等特性、被拋光材料特性、拋光墊特性、拋光工藝參數等CMP要素之間相互作用的關係規律，探索實現計算機硬碟基片、超大規模積體電路矽晶片等材料表面原子級、無損傷拋光的方法與途徑，並建立納米多孔複合磨粒設計的數學模型。為下一代先進電子產品器件的納米製造提供技術與理論支持。

結題摘要

本項目針對下一代先進電子器件表面的原子級粗糙度和無損傷的加工要求，以及現有化學機械拋光（CMP）磨粒存在的問題，設計研製了一系列具有獨特納米多孔結構、含有特定拋光活性元素的新型納米複合磨粒，包括多孔氧化矽、氧化鋁、氧化鋁/氧化矽、氧化鋁-g-聚苯乙烯磺酸複合磨粒以及含有拋光活性元素的多孔氧化矽/氧化鈰、氧化矽/氧化鐵、多孔氧化鋁/氧化鈰、氧化鋁/氧化銅、氧化鋁/氧化鎳複合磨粒等等。採用氮氣吸附脫附實驗（BET）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射分析（XRD）、時間飛行二次離子質譜（TOF-SIMS）、能譜（EDS）等現代分析手段對製備的納米多孔磨粒的孔徑大小及分布、粒子形貌、粒子晶型、化學組成等物理化學特性進行了表征。採用拋光機，研究了製備的多孔磨粒拋光液的拋光特性，包括磨粒孔徑大小、活性元素的影響規律。發現，與傳統磨粒相比，拋光活性元素的引入顯著提高了拋光速率；多孔結構的引入降低了顆粒硬度，從而明顯降低拋光損傷。研製的多孔複合磨粒達到了“高精度、高速率”拋光的目的。進一步，研究了其CMP機理。吸附實驗表明，與實心磨粒相比，多孔磨粒對雙氧水具有更大的吸附量，提高了磨粒的化學活性；EPR測試表明，拋光活性元素可促進雙氧水分解為OH•及•O2-自由基，顯著提高CMP化學活性，從而提高拋光速率。採用分子動力學仿真，模擬研究了有孔磨粒與工件表面的碰撞行為。結果表明，隨著團簇介孔孔徑的增加，基體被去除的原子數目先增加後減小，基體的損傷程度則逐漸減小。介孔磨粒的CMP材料去除的過程主要是依靠磨粒與基體之間的黏著作用而不是犁削作用。仿真結果與其CMP實驗結果吻合。該研究為實現“高精度、高速率”拋光探索了一條新的有效的方法與途徑，為下一代先進電子產品器件表面的納米級精度製造提供技術與理論支持。