基于摩擦热解自修锐的固着磨料机械化学抛光方法研究

Aiming at the high efficiency, high surface quality and environmental friendly batch polishing of semiconductor substrate materials, a fixed abrasive mechano-chemical polishing method based on tribo-thermal decomposition dressing is proposed: soft abrasive tool is designed and manufactured which adopts modified polyhydroxylated polymer as binder.During the polishing process,when blockage of abrasive tool occurs and the temperature of machining area rises to the decomposition temperature of modified polyhydroxylated polymer, the surface layer of modified polyhydroxylated polymer binder of abrasive tool decomposites rapidly according to its adjustable “temperature responsive property”. Then the self-dressing of abrasive tool and regulation of polishing temperature are realized, and no pollution occurred during the decomposition process, which can improve the efficiency, surface quality and environmental friendliness of mechano-chemical polishing for semiconductor substrate materials. based on theoretical analysis, numerical simulation and experimental study, the mechanism of tribo-thermal decomposition of polyhydroxylated polymer binder will be explored, influence of design and manufacturing process of abrasive tool on the orgnization structure and tribo-thermal decomposition properties will be investigated, the tribo-thermal decomposition process of binder and the regulation mechanism of polishing temperature will be studied, the coupling mechanism of micro-force, thermal and mechanochemistry in the interface between the soft abrasive, functinal fillers of abrasive tool and the semiconductor substrate during the tribo-thermal decomposition process will be revealed, finally the theoretical and technological system of fixed abrasive mechano-chemical polishing based on tribo-thermal decomposition dressing will be established.

针对半导体衬底材料的绿色、高效、高表面质量批量抛光加工需求，提出一种基于摩擦热解自修锐的固着磨粒机械化学抛光方法：以天然产物基改性多羟基聚合物作为结合剂设计制造软质磨料磨具。抛光过程中，当磨具表面堵塞、抛光区域温度上升至改性多羟基聚合物热解温度时，磨具表层改性多羟基聚合物结合剂由于其可调的“温度响应”特性而快速热解，实现磨具自修锐与抛光区域温度的调控，且热解产物无环境污染，从而提高半导体衬底材料机械化学抛光效率、质量与环境友好性。通过理论分析、数值模拟与实验研究，探索多羟基聚合物结合剂磨具摩擦热解自修锐机理，磨具设计制造工艺对磨具组织结构特性与摩擦热解自修锐特性的影响规律，磨具结合剂摩擦热解过程及抛光区域温度调控机理，揭示摩擦热解自修锐过程中磨具表层软质磨粒及功能填料与半导体衬底材料接触界面的微观力、热与机械力化学作用的耦合机理，建立基于摩擦热解自修锐的固着磨料机械化学抛光理论与技术体系。

针对半导体衬底材料的绿色、高效、高表面质量批量抛光加工需求，本项目主要进行了多羟基聚合物结合剂磨具结构特性及成型特性研究、多羟基聚合物结合剂磨具与单晶蓝宝石摩擦磨损特性研究、采用多羟基聚合物结合剂磨具的单晶蓝宝石机械化学抛光技术研究、采用多羟基聚合物结合剂磨具的单晶碳化硅机械化学抛光技术研究、含有相变材料的两相复合材料热特性研究以及含有相变材料的多羟基聚合物结合剂磨具研究。本项目的主要研究成果包括：1）建立了多羟基聚合物结合剂磨具单元模型，并初步验证了所建立磨具单元模型的有效性。确定了成型工艺参数对多羟基聚合物成型特性的影响规律。2）确定了多羟基聚合物结合剂磨具设计制造工艺对磨具组织结构特性与自修锐特性的影响规律，以及多羟基聚合物在摩擦过程中的物化特性变化。3）建立了多羟基聚合物结合剂SiO2磨料磨具制作工艺，基于新磨具进行单晶蓝宝石表面机械化学抛光的材料去除率可达0.68 μm/min，确定了基于机械力化学作用的材料去除机理。4）建立了多羟基聚合物结合剂刚玉磨料磨具制作工艺，基于新磨具进行单晶碳化硅表面机械化学抛光的材料去除率可达0.73 μm/min，抛光区域表面粗糙度可达Ra 6 nm，确定了基于单晶碳化硅表面活性氧化的材料去除机理。5）建立了考虑相变材料相变过程的两相复合材料等效比热容理论模型，复合材料等效比热容理论值与数值试验值误差小于2%，验证了该理论模型的有效性。随着相变材料体积分数的增加，磨具磨削层的等效比热容逐渐增大，工件分配的热量逐渐减少。6）建立了含相变材料的多羟基聚合物结合剂磨料磨具制作工艺，确定了相变材料对磨具热特性的影响，证明了相变材料对工件表面温度调节的有效性。本项目研究成果为半导体衬底材料的精密、高效、绿色加工提供了一种新的固着磨料机械化学抛光方法。