基于旋转行波超声振动的硅片化学机械复合抛光机理研究

硅片加工的型面精度和微观表面质量是微电子制造领域所面临的热点研究课题及技术竞争焦点之一。本项目针对硅片抛光技术，提出一种基于旋转行波超声振动的化学机械抛光新工艺，利用抛光工具的面外弯曲行波超声振动，促使抛光液充分空化并渗入到较大的抛光区中，同时击碎抛光液中纳米级磨粒所结的块状物，均匀搅拌抛光液，对硅片表面产生较大的切向撞击作用，从而获得被抛光硅片完整的表面晶格、超高面形精度以及极低的粗糙度值。项目研究旋转行波超声振动的抛光盘设计及相应的接触型与非接触型超声振动CMP技术，探究工艺参数对抛光效果的影响规律。揭示基于旋转行波超声振动的硅片化学机械复合抛光机理。研究旋转行波超声振动的抛光盘结构最佳动力学参数。项目的研究成果，将为解决硅片表面损伤、表面平整度、降低制造成本、提高加工效率等提供技术支持，对丰富超精密加工的理论，提高硬脆性材料的超精密加工的应用水平等具有重要的理论意义与工程价值。

本项目针对硅片抛光技术，提出并实验研究了一种基于旋转行波超声振动的化学机械抛光新工艺，利用抛光工具的面外行波超声振动，促使抛光液充分空化并渗入到较大的抛光区中，同时击碎抛光液中纳米级磨粒所结的块状物，均匀搅拌抛光液，对硅片表面产生较大的切向撞击作用，并增加抛光垫抛光区内有效抛光颗粒数，从而获得被抛光硅片完整的表面晶格、超高面形精度以及极低的粗糙度值。. 根据面外行波及表面点产生椭圆振动的运动原理，提出并试制了两种接触型行波超声抛光振子：即圆盘形超声抛光振子及圆柱形双向弯曲复合抛光振子，进而研制了基于旋转行波超声振动的接触型CMP实验系统。针对非接触型超声振动CMP工艺参数实验研究，研制了一种可实现双频驱动的圆筒形行波超声压电振子及相应的非接触型超声振动的CMP测试系统。利用所研制的行波超声振动的CMP测试系统，探究了工艺参数对抛光效果的影响规律。. 针对振动抛光系统中的SiO2抛光液，建立了一种描述多分散系微结构的理论模型。依据抛光液流动所满足的流体连续性方程及圆盘形行波超声抛光振子的振动方程，并对抛光垫表面开放的小窠室模型进行合理构建，系统建立了基于有效抛光颗粒数的材料去除定量模型，从而通过有效抛光颗粒数量的增加，揭示了附加行波超声振动后的硅片CMP机理。基于机理模型的数学描述，可以模拟抛光振子的动力学参数对硅片抛光的影响，这为旋转行波超声振动的抛光盘结构最佳动力学参数的优选提供了设计依据。. 研究成果已在学术期刊或学术会议上发表。所提出的超声抛光振子已获国家专利。本项目的研究成果将为解决硅片表面损伤、表面平整度、降低制造成本、提高加工效率等提供技术支持，对丰富超精密加工的理论，提高硬脆性材料的超精密加工的应用水平等具有重要的理论意义与工程价值。