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王娟1，劉玉嶺1，張建新1，舒行軍2

（1.河北工業大學微電子研究所，天津300130；2.中國工程物理研究院機械製造工藝研究所，四川綿陽621900）

1 引言 目 前CMP技術已在微電子技術多層平整化方面獲得了巨大成功，正向計算機硬盤基片、微機械系統、藍寶石、機械磨具、精密閥門、光學玻璃、金屬材料等 方面擴展，並從工業加工擴展到軍事應用，如核試驗條件下的精密拋光試驗以及在平面爆轟驅動試驗裝置中的靶板、探針支架、樣品等關鍵零件等，都需要對金屬 銅、W-Mo合金、Mg-Ag 合金、聚碳酸脂等材料實現極高的平坦化加工精度[1]。 因此，我們與中國工程物理研究院機械製造工藝研究所合作研製適合W-Mo/Mg-Al合金化學機械拋光的拋光液項目，提供的片子成分以鉭為主，還含有少量鎢、鐵。 金 屬鉭（Ta）是一種略呈藍色的淺灰色金屬，具有許多奇異特性，有「金屬王國」多面手之譽。鉭質地十分堅硬，硬度可達6～6.5，熔點高達2996 ℃，僅次於鎢和錸，位居第三。在制取各種無機酸的設備中，鉭可用來替代不銹鋼，其壽命比不銹鋼提高幾十倍。在化工、電子、電氣等工業中，鉭常被用來取代 鉑，降低費用。鉭具有的特性，使其在電容器、高溫合金、化工和原子能工業、醫學等領域有十分廣闊的應用前景。但鉭質地很硬，提高它的CMP速率很不容易， 因此，我們嘗試了一種新型的拋光液，在保證其拋光表面質量的前提下，提高其拋光速率。 2 實驗研究 2.1 實驗設備和材料 實驗設備：電熱鼓風乾燥箱，C6382I～W/YJ 型拋光機，JJ2000型電子天平。 檢測設備：紅外線測溫儀、千分表。 實驗材料：硅溶膠（自製），去離子水（自制，電導率>5MΩ），活性劑（自製），由中國工程物理研究院機械製造工藝研究所提供的 Φ50mm鉭片，鉭含量較高，含有少量的鎢和鐵。 2.2 實驗步驟 ① 將陶瓷托盤放入恆溫箱從室溫升高到一定溫度，恆溫一段時間後，取出，然後 將拋光蠟均勻塗抹在粘片處，把片子輕輕放在塗蠟處，緩緩輕揉，最後，取另一平滑的托盤輕放其上，待冷卻到室溫後，用脫脂棉蘸酒精將片子表面及其周邊處理乾 淨；② 將測量點定位，並用千分表測量拋光前厚度的初始值；③ 使用配製的拋光液在拋光機上拋光鉭片，並記錄試驗現象；④ 拋光結束後，觀察拋光片的表面狀態，測量拋光後鉭片的厚度；⑤ 清洗拋光片及拋光機的漿料通道和拋光布。 2.3 實驗結果與討論 採 用河北工業大學自製硅溶膠，向其中加入一定量的有機鹼，攪拌均勻； 再向其中加入適量螯合劑、FA/O活性劑及氧化劑，攪拌均勻，在C6382I-W/YJ型拋光機上對鉭片拋光，實驗條件為：溫度 25℃；漿料的流速250ml/min；拋光時間15min，水拋1min。拋光後得到拋光壓力與拋光速率的關係曲線如圖1所示。 從圖中可看出，隨拋光壓力的增大，拋光速率加快，而且，總體來看，拋光速率均較大，並且其表面光亮、平整，表面粗糙度為0.1409 ～0.1429nm，符合拋光要求。 3 鉭拋光機理 CMP利用機械力量對拋光片表面做功，提供表面薄膜層斷裂腐蝕或生長的力量，並使用漿料中的化學物質來提高拋光效率 [2]。 目 前CMP機理模型大多採用Preston方程 R=Kppv（R為拋光速率； p為壓力；v為拋光墊與晶片的相對轉速），主要考慮壓力、轉速等機械作用對拋光速率的影響。Preston模型只從機械作用的角度定性給出去除速率與壓力 和轉速的關係而沒有考慮化學作用，而化學作用應更複雜重要。展現化學作用速率的是Arrhenius方程， v=Kexp(-Ea/R t)，但它忽視了機械作用的影響。經大量實驗後發現，CMP過程中速率不是機械與化學作用的簡單相加，而是v總>>v 機+v化。CMP是在一定壓力下，在旋轉有磨料狀態下的多相化學機械的複雜過程，按現有的Preston方程和Arrhenius方程均無法全面解釋 CMP過程中的現象。試驗表明，CMP是一個多相作用過程，是機械作用與化學作用互相加強與促進的過程。當鉭與拋光液接觸時，表面發生鈍化，發生反應 然後，鉭表面的Ta-O-H與硅溶膠中的Si-O- H團形成化學鏈[3]，發生反應 其拋光機理如圖2所示。 首 先硅溶膠粒子和Ta2O5表面發生鍵合[4]，然後，周圍硅溶膠粒子的運動產生的應力使二氧化硅粒子和Ta2O5在研磨粒子及拋光布的磨 擦攜帶下從Ta表面剝離，脫離表面，使新裸露的表面再繼續反應，循環往復。由於磨料硅溶膠粒子與Ta表面的鍵合作用強烈，因此拋光速率較高。 4 結語 隨 著微電子技術的發展，CMP技術不斷拓展，應用範圍也不斷擴大。現將該技術應用於工程物理研究院工程物理仿真實驗用以Ta為主要元素的材料表面加工過程中 時，因其一直以機械加工為主要加工手段，精度較低，表面粗糙度只能達到微米級。而目前急於提高加工的精密度，使粗糙度能達到納米級，故我們採用的技術路線 是增加化學作用，利用化學機械全局平整化的方法進行加工，根據CMP理論及相關技術，獲得突破，達到良好的拋光效果。

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