功能化复合多孔磨料的结构调控及其高效无损伤化学机械抛光机理

In chemical mechanical polishing (CMP) process, to obtain efficiently damage-free surfaces, the structural design of abrasive provides a helpful solution. This project proposes to design and synthesis the composite porous abrasives (CPAs) with controlled core/shell microstructures. The core is composed of solid silica, polystyrene or polymethylmethacrylate microsphere, and the homogeneous shell consists of radial-type mesoporous silica. The novel CPAs combines the advantages of core/shell structured abrasive and porous abrasive. The approach to accomplish the functionalized controls of mechanical property and chemical adsorption property for CPAs will be explored. The efficient and damage-free polishing for hard-brittle substrates can be achieved due to the optimization of the real contact environments between abrasives and substrates from the synergetic aspects of chemical corrosion and mechanical abrasion. The interfacial friction and wear behavior between abrasives and substrates will be investigated by using In-situ electron microscopy. The findings will provide vital evidence to clear some controversial problems in the currently existing mechanism of CMP. The inherent relations among microstructures, mechanical properties and chemical adsorption properties, polishing performances, and interfacial friction and wear behaviors of the CPAs will be constructed. The efficient and damage-free polishing mechanism of the CPAs will be explored, and the fundamental theory of nanotribology will be enriched. Furthermore, this project may provide experimental and theoretical basis for the development of advanced green polishing slurry and finishing technology with independent intellectual property.

高效获得无损伤加工表面一直是化学机械抛光技术追求的目标，磨料的微观结构设计则为实现高效无损伤抛光提供了有益思路。本项目提出设计合成以单分散实体氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯微球为内核，以放射状介孔氧化硅为连续壳层，且具有可控结构特征的功能化复合多孔磨料，融合了现有核壳结构复合磨料与多孔磨料的各自优势。寻求对复合多孔磨料力学特性与化学吸附特性进行功能化双调控的途径，以优化磨料与衬底在真实接触微区内的物理和/或化学环境。利用原位电镜技术深入探索磨料与衬底之间的界面微观摩擦磨损行为，并为澄清现有抛光机理中存在的一些争议问题提供有力证据。阐明复合多孔磨料的微观结构—力学/化学吸附特性—宏观抛光性能—微观界面摩擦磨损行为之间的内在关系，探索功能化复合多孔磨料的高效无损伤抛光机理。这些研究对于丰富纳米摩擦学基础理论，开发具有自主知识产权的先进绿色抛光液及绿色抛光新技术具有重要参考价值。

磨料的结构设计和性能调控为实现高效无损伤超精密抛光提供了有益思路。在国家自然科学基金项目(51575058)的资助下，本项目开展了功能化复合多孔磨料的结构/性能调控、设计合成及其在化学机械抛光(CMP)过程中的摩擦磨损特性研究。利用CTAB与TEOS水解产物之间的静电诱导界面协同自组装过程，在预合成的单分散实心氧化硅(sSiO2)和聚苯乙烯(PS)表面构筑具有蠕虫状放射孔道的介孔氧化硅(W-mSiO2)壳层，合成了核壳结构sSiO2/W-mSiO2和PS/W-mSiO2复合磨料。借助油水两相分层反应体系，进一步得到了具备Y型树枝状介孔氧化硅(D-mSiO2)壳层的sSiO2/D-mSiO2和PS/D-mSiO2复合磨料。系统考察了复合多孔磨料的内核种类、尺寸(100-500 nm)、壳层厚度(10-60 nm)、壳层结构(蠕虫状和树枝状)和壳层孔径(2-12 nm)等结构特征，对加工表面形貌、粗糙度、去除效率和表层损伤的基本影响规律。获得粗糙度均方值小于0.2 nm、截面轮廓波动在±0.3 nm范围内的加工表面，去除速率可达300 nm/min。摸索出先进绿色抛光液的基本组分，以及基于功能化复合多孔磨料本征特性的绿色抛光新技术。复合磨料的多孔氧化硅壳层有助于进一步降低其整体模量和表面硬度，所具备的非刚性力学特性有利于优化界面接触状态和摩擦磨损方式，可有效避免抛光机械损伤并提高加工表面精度。此外，壳层丰富孔结构亦表现出优秀的吸附(高比表面积)和储水(大孔体积)能力，可增强接触微区内的化学反应和摩擦化学反应活性，从而提高抛光材料去除率。分析指出，复合多孔磨料可将材料去除控制在弹性域范围内，这将有利于获得无损伤加工表面，且CMP接触面积作用机制和“接触－压入－粘附”去除方式应占主导作用，而非常规“接触－压入－滑动”机制。在拓展工作中，设计合成了以D-mSiO2纳米颗粒为弹性支撑体的CeO2基核壳复合磨料。利用低价阳离子(Sm、La、Er等)掺杂诱导CeO2产生晶格畸变和表面缺陷，以提高表层氧空位浓度和三价铈比例，通过增强界面摩擦化学反应活性从而提高抛光效率。本项目为新型抛光磨料的设计合成、性能调控和结构优化，及其在高效无损伤超精密抛光中的应用提供了技术和理论依据。