纳米多孔复合磨粒设计及其化学机械抛光机理研究

针对下一代计算机硬盘基片、集成电路硅晶片等表面原子级粗糙度和无损伤的加工要求，以及现有化学机械抛光（CMP）磨粒存在的问题，基于现有CMP机理及物质结构决定物质性能的原理，提出研制具有独特纳米多孔结构、特定抛光活性元素组成的新型纳米复合磨粒。纳米多孔复合磨粒可望作为"抛光液微小储存器"在抛光压力下释放抛光液，调节改善抛光微区机械作用、化学作用、抛光液流动性的微观平衡，以提高抛光质量。通过研究纳米多孔磨粒CMP特性及其化学机械抛光机理，以及研究纳米多孔复合磨粒物理化学及机械等特性、被抛光材料特性、抛光垫特性、抛光工艺参数等CMP要素之间相互作用的关系规律，探索实现计算机硬盘基片、超大规模集成电路硅晶片等材料表面"原子级、无损伤"抛光的方法与途径，并建立纳米多孔复合磨粒设计的数学模型。为下一代先进电子产品器件的纳米制造提供技术与理论支持。

本项目针对下一代先进电子器件表面的原子级粗糙度和无损伤的加工要求，以及现有化学机械抛光（CMP）磨粒存在的问题，设计研制了一系列具有独特纳米多孔结构、含有特定抛光活性元素的新型纳米复合磨粒，包括多孔氧化硅、氧化铝、氧化铝/氧化硅、氧化铝-g-聚苯乙烯磺酸复合磨粒以及含有抛光活性元素的多孔氧化硅/氧化铈、氧化硅/氧化铁、多孔氧化铝/氧化铈、氧化铝/氧化铜、氧化铝/氧化镍复合磨粒等等。. 采用氮气吸附脱附实验（BET）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射分析（XRD）、时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）、能谱（EDS）等现代分析手段对制备的纳米多孔磨粒的孔径大小及分布、粒子形貌、粒子晶型、化学组成等物理化学特性进行了表征。. 采用抛光机，研究了制备的多孔磨粒抛光液的抛光特性，包括磨粒孔径大小、活性元素的影响规律。发现，与传统磨粒相比，抛光活性元素的引入显著提高了抛光速率；多孔结构的引入降低了颗粒硬度，从而明显降低抛光损伤。研制的多孔复合磨粒达到了“高精度、高速率”抛光的目的。. 进一步，研究了其CMP机理。吸附实验表明，与实心磨粒相比，多孔磨粒对双氧水具有更大的吸附量，提高了磨粒的化学活性；EPR测试表明，抛光活性元素可促进双氧水分解为OH•及•O2-自由基，显著提高CMP化学活性，从而提高抛光速率。. 采用分子动力学仿真，模拟研究了有孔磨粒与工件表面的碰撞行为。结果表明，随着团簇介孔孔径的增加，基体被去除的原子数目先增加后减小，基体的损伤程度则逐渐减小。介孔磨粒的CMP材料去除的过程主要是依靠磨粒与基体之间的黏着作用而不是犁削作用。仿真结果与其CMP实验结果吻合。. 该研究为实现“高精度、高速率”抛光探索了一条新的有效的方法与途径，为下一代先进电子产品器件表面的纳米级精度制造提供技术与理论支持。