1、引言

目前CMP技術(shù)已在微電子技術(shù)多層平整化方面獲得了巨大成功，正向計(jì)算機(jī)硬盤基片、微機(jī)械系統(tǒng)、藍(lán)寶石、機(jī)械磨具、精密閥門、光學(xué)玻璃金屬材料等方面擴(kuò)展，并從工業(yè)加工擴(kuò)展到軍事應(yīng)用，如核試驗(yàn)條件下的精密拋光試驗(yàn)以及在平面爆轟驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)裝置中的靶板、探針支架、樣品等關(guān)鍵零件等，都需要對(duì)金屬銅、W-Mo合金Mg-Ag合金、聚碳酸脂等材料實(shí)現(xiàn)極高的平坦化加工精度。

因此我們與中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所合作研制適合W-Mo/Mg-Al 合金化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液項(xiàng)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(lán)色的淺灰色金屬，具有許多奇異特性，有“金屬王國(guó)”多面手之譽(yù)。鉭質(zhì)地十分堅(jiān)硬硬度可達(dá)6~6.5，熔點(diǎn)高達(dá)2996℃，僅次于鎢和錸位居第三。在制取各種無機(jī)酸的設(shè)備中，鉭棒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(yè)中，鉭常被用來取代鉑，降低費(fèi)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(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景。但鉭質(zhì)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(zhì)量的前提下提高其拋光速率。

2、實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備電熱鼓風(fēng)干燥箱，C6382I W/YJ型拋光機(jī)，JJ2000 型電子天平。

檢測(cè)設(shè)備：紅外線測(cè)溫儀、千分表。

實(shí)驗(yàn)材料：硅溶膠（自制）、去離子水（自制），制電導(dǎo)率>5Ω活性劑（自制），由中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制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(shí)驗(yàn)步驟

1）將陶瓷托盤放入恒溫箱從室溫升高到一定溫度，恒溫一段時(shí)間后，取出，然后將拋光蠟均勻涂抹在粘片處，把片子輕輕放在涂蠟處，緩緩輕揉，最后取另一平滑的托盤輕放其上，待冷卻到室溫后，用脫脂棉蘸酒精將片子表面及其周邊處理干凈； 

2）將測(cè)量點(diǎn)定位，并用千分表測(cè)量拋光前厚度的初始值；

3）使用配制的拋光液在拋光機(jī)上拋光鉭片，并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象；

4）拋光結(jié)束后，觀察拋光片的表面狀態(tài)，測(cè)量拋光后鉭片的厚度；

5）清洗拋光片及拋光機(jī)的漿料通道和拋光布。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用河北工業(yè)大學(xué)自制硅溶膠，向其中加入一定量的有機(jī)堿，攪拌均勻；再向其中加入適量螯合劑，F(xiàn)A/O 活性劑及氧化劑，攪拌均勻在C6382I W/YJ 型拋光機(jī)上對(duì)鉭片拋光，實(shí)驗(yàn)條件為溫度25℃，漿料的流速250ml/min；拋光時(shí)間15min，水拋1min 拋光后得到拋光壓力與拋光速率的關(guān)系曲線如圖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，并且其表面光亮、平整，表面粗糙度為0.1409~0.1429nm符合拋光要求。

3、鉭拋光機(jī)理

CMP 利用機(jī)械力量對(duì)拋光片表面做功，提供表面薄膜層斷裂腐蝕或生長(zhǎng)的力量，并使用漿料中的化學(xué)物質(zhì)來提高拋光效率。

目前CMP機(jī)理模型大多采用Preston方程R=K_ppv( R為拋光速率；p為壓力；v 為拋光墊與晶片的相對(duì)轉(zhuǎn)速），主要考慮壓力、轉(zhuǎn)速等機(jī)械作用對(duì)拋光速率的影響。Preston模型只從機(jī)械作用的角度定性給出去除速率與壓力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系而沒有考慮化學(xué)作用，而化學(xué)作用應(yīng)更復(fù)雜重要。展現(xiàn)化學(xué)作用速率的是Arrhenius方程，v=Kexp(-Ea/Rt) ，但它忽視了機(jī)械作用的影響。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，CMP過程中速率不是機(jī)械與化學(xué)作用的簡(jiǎn)單相加，而是v_總>>v_機(jī)+v_化。CMP是在一定壓力下，在旋轉(zhuǎn)有磨料狀態(tài)下的多相化學(xué)機(jī)械的復(fù)雜過程，按現(xiàn)有的Preston方程和Arrhenius 方程均無法全面解釋CMP過程中的現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，CMP是一個(gè)多相作用過程。是機(jī)械作用與化學(xué)作用互相加強(qiáng)與促進(jìn)的過程。當(dāng)鉭與拋光液接觸時(shí)，表面發(fā)生鈍化發(fā)生反應(yīng)

2Ta+5H₂O Ta₂O₅+10H+⁺10e^- （1）

然后鉭表面的Ta-0-H 與硅溶膠中的Si-0H團(tuán)形成化學(xué)鏈，發(fā)生反應(yīng)

Ta-0-H+Si-0-H Ta0-Si+H₂0

其拋光機(jī)理如圖2 所示。

首先硅溶膠粒子和Ta₂O₅ 表面發(fā)生鍵合， 然后，周圍硅溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)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(xù)反應(yīng)，循環(huán)往復(fù)。由于磨料硅溶膠粒子與Ta表面的鍵合作用強(qiáng)烈，因此拋光速率較高。

4、結(jié)語

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，CMP技術(shù)不斷拓展，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。現(xiàn)將該技術(shù)應(yīng)用于工程物理研究院工程物理仿真實(shí)驗(yàn)用以Ta為主要元素的材料表面加工過程中時(shí)，因其一直以機(jī)械加工為主要加工手段，精度較低，表面粗糙度只能達(dá)到微米級(jí)。而目前急于提高加工的精密度，使粗糙度能達(dá)到納米級(jí)，故我們采用的技術(shù)路線是增加化學(xué)作用，利用化學(xué)機(jī)械全局平整化的方法進(jìn)行加工，根據(jù)CMP理論及相關(guān)技術(shù)獲得突破達(dá)到良好的拋光效果。

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