Page 10 - 《摩擦学学报》2020年第5期
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第 5 期                     蔡荣, 等: 纯铅化学机械抛光中工艺参数对抛光性能的影响                                       565

                                                                                          [31]
            而表面粗糙度从2.7 nm降至最低的1.5 nm；随着抛光                      作用和化学作用达到相对平衡 . 因此，本文的后续
            盘转速进一步从60 r/min增至100 r/min，铅片表面材                   研究采用抛光头和抛光盘转速均为60 r/min的试验条
            料去除率从305 Å/min降至294 Å/min，而表面粗糙度                   件进行.

            从1.5 nm升至2.6 nm.                                   3.2.4    抛光液流量的影响
                当抛光盘转速低于60 r/min时，随着转速的增加                          图8所示为铅片表面材料去除率与粗糙度随抛光
            材料去除率增高，这可能和不同转速下铅片表面与抛                            液流量的变化曲线. 如图8所示，随着抛光液流量从
                                            [35]
            光垫间的层间抛光液状态相关. Lu等 通过激光诱导                          20 mL/min增至75 mL/min，铅片表面材料去除率从
            荧光技术(LIF)测量了样品与抛光垫间的层间抛光液                          227 Å/min急剧增至357 Å/min，而表面粗糙度从4.0 nm

            液膜厚度，发现当抛光盘低速旋转时(转速在20~60 r/min                    降至最低的1.5 nm；随着抛光液流量从75 mL/min增大
            范围)，层间抛光液液膜的厚度会随着转速的增加而                            到 125  mL/min， 铅 片 表 面 材 料 去 除 率 稳 定 在 357~
            增加(平均厚度在30~75 μm范围内变化)，同时增加的                       380 Å/min最高范围内，而表面粗糙度从1.5 nm缓慢升
            趋势随转速的增加而减缓. 这是由于随着抛光盘转速                           高到2.6 nm.
            的增加，抛光液在抛光垫上的流动速度增加，这就需
            要抛光液流场通过增加层间液膜厚度的方式来增加                                  400      MRR                      10

            液膜支撑力，以保持液膜的负荷力与加载压力相平衡.                                350      R a                      8
                                                                    300
                             [37]
                   [36]
            郁炜等 和梅锦波 的研究也进一步证实了以上发                                  250
            现. 此外，这一结论与公式(7)的推论相一致.                                Material removal rate/(Å/min )   200  6 Surface roughness, R a/nm
                因此，在本文与之对应的抛光盘转速范围内，随                               150                               4
            着抛光盘转速的增加，铅片表面与抛光垫间的层间抛                                 100
            光液液膜厚度增加，此时更多的过氧化氢参与反应在                                  50                               2
            铅片表面生成氧化膜，而更多的抛光颗粒又可将该氧                                   0  20   40  60   80   100  120  0
            化膜快速去除，因此材料去除率增加. 同时，更厚的液                                         Slurry flow rate/(mL/min)
            膜其润滑作用和抛光颗粒的分散度更好，且能够顺利                             Fig. 8  Effect of slurry flow rate on the polishing performance
                                                                                 of pure lead
            带走抛光时铅片表面材料去除的副产物，减小铅片表                                   图 8  抛光液流量对纯铅抛光性能的影响
            面的二次损伤. 此外，随着转速的增加产生的热量增
            多，高热量加速了化学反应使铅的氧化膜增厚，从而                                通常，抛光垫具有承载抛光液，传递抛光中剪切
                                                                         [38]
            降低了系列表面缺陷，减小表面粗糙度.                                 应力的作用 ，而在加载压力和转速恒定的情况下抛
                当抛光盘转速高于60 r/min时，随着转速的增加                      光时，控制铅片表面材料的去除主要依靠泵入抛光液
            材料去除率降低. 在抛光垫高速旋转时，抛光液所受                           的多少为主. 当抛光液流量为低于75 mL/min时，随着
            的离心力较高，抛光液在没有进入铅片表面与抛光垫                            抛光液流量的增加，抛光垫中承载的抛光液增多，参
            层间区域时即可能被甩出，使得抛光液在抛光垫上分                            与抛光的二氧化硅抛光颗粒和化学试剂增加，此时机
                     [37]
            布不均匀 . 在同样的加载压力下铅片表面与抛光垫                           械除膜作用和氧化成膜作用均增强，从而导致材料去
                                                                       [39]
            间的间隙变小，抛光液的补充更加困难，因此实际参与                           除率增加 . 同时，更多的抛光液能及时带走抛光时
            抛光的抛光液变少，材料去除率降低，表面粗糙度升高.                          铅片表面材料去除的副产物，并且还能起到较好的润
                可以看出，只有当抛光头和抛光盘转速相同(均                          滑效果，故引起铅片表面粗糙度降低.
            为60 r/min)时，才能同时获得最高的铅片表面材料去                           当抛光液流量高于75 mL/min时，此时抛光液流
            除率(约305 Å/min)和最低的表面粗糙度(R 约为1.5 nm).               量过高，由于加载压力和转速恒定不变，所以当抛光
                                               a
            这是因为此时层间抛光液液膜厚度最高，实际参与抛                            液流量达到一定程度后，单位时间内存留在抛光垫上
            光的抛光液最多，二氧化硅抛光颗粒的机械磨削作用                            的抛光液将不再改变，此时抛光垫上的抛光液趋于饱
            和过氧化氢的氧化作用最强，且抛光液的润滑性和抛                            和状态，机械除膜作用、氧化成膜作用、润滑作用和颗
            光颗粒的分散性也最强. 此外，在该转速下抛光，抛光                          粒分散作用也不再改变，故而铅片表面的材料去除率
                                                                                    [27]
            液具备较好的流动性，能够顺利带走抛光时铅片表面                            和粗糙度也很难再改变 . 可以看出，纯铅CMP的最
            材料去除的副产物，使新铅基层快速生成，从而机械                            优抛光液流量(三片直径30 mm相组合的铅片)为75~
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