Page 5 - 《摩擦学学报》2020年第5期
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560                                     摩   擦   学   学   报                                 第 40 卷

                 polishing pad surface. With the change of down force, the rotation speed and direction of polishing head / disc as well as
                 the slurry flow rate, the thickness and status of polishing slurries varied at the lead sheet / polishing pad interface, which
                 directly affected the fluidity, lubricity and dispersion of polishing slurries and the chemical-mechanical interaction
                 between polishing particles, chemical reagent and lead sheet surface, thereby affecting the polishing quality and the
                 material removal rate. By the investigation of the influence of process parameters and parameters optimization, this work
                 finally obtained an ideal ultra-smooth pure lead surface with surface roughness of R a  1.5 nm and the material removal
                 rate of 380 Å/min.
                 Key words: lead; chemical mechanical polishing; process parameters; material removal rate; surface roughness


                铅，作为资源较为丰富的有色金属及有毒重金                           CMP而言，良好的抛光工艺显得尤为重要. 为此，本文
            属，亦作为人类应用最早及最常见的金属，是现代工                            作者采用CMP技术通过自制抛光液，研究了胶体二氧
                                       [1]
            业中不可或缺的基础金属之一 . 铅凭借着低熔点、低                          化硅抛光颗粒的形状、粒径和浓度、加载压力、抛光头
            刚度、高密度和高阻尼等优良性能在如蓄电池、武器                            与抛光盘转向和转速、抛光液流量等工艺参数对纯铅
            弹药、交通建筑和化学化工等各行各业中发挥着极其                            抛光过程中的材料去除率和表面粗糙度的影响规律
            重要的作用      [1-2] . 同时，纯铅有着异于其他常见金属的                和机理，为纯铅的超精密加工提供了切实可靠的工艺
            特性，即低硬度，其莫氏硬度为1.5，布氏硬度仅为HBS                        参考.
                  [1]
            3.2~4.5 . 因此，高表面质量的纯铅试样在我国国防领
                                                               1    试验方法及过程
            域的精密物理实验中有着特殊的应用. 纯铅这类如此
            低硬度的金属被统称之为“超软金属”. 目前对这类                           1.1    试验样品及耗材
            “超软金属”进行超精密表面加工可采用先进的超精
                                                                   本研究所用的纯铅样品为中国工程物理研究院
            密切削或单点金刚石飞切进行，但这类加工技术对机
                                                               所提供，其质量百分数大于99.99%，铸态多晶. 样品被
            床精度以及稳定性要求极高，且具有加工成本高、耗
                                                               加工成φ30 mm×3 mm的铅片，并采用三片组合为一体
            费工时长，以及不能有效避免刀具在加工表面留下刀
                                                               的方式进行试验. 通过显微硬度计(HXD-1000TMC，
            痕等缺点    [3-6] .
                                                               上海泰明)测试获得该铅片的维氏硬度HV 为3.45 MPa.
                                                                                                 0.2
                化 学 机 械 抛 光 (Chemical  Mechanical  Polishing，
                                                                   本研究中所用抛光垫表面材质为软质丝绒，压缩
            CMP)是目前被公认的可完美实现材料表面纳米级全
                                                               率极高且寿命较长. 如图1所示，通过扫描电子显微镜
            局平坦化的技术. 该技术是利用工件表面和抛光垫间
                                                               (JSM-7610F，JEOL，日本)观测，该抛光垫表面结构呈
            的层间抛光液，在工件和抛光垫的相对转动下，通过
                                                               现出无规则且随机分布的网状微孔，微孔孔隙率高且
            纳米抛光颗粒的机械磨削及各类试剂的化学腐蚀作
                                                               大小不一，平均直径约为40 μm. 抛光垫的网状微孔最
            用共同实现工件表面的材料微量去除，从而获得全局
                                                                               [15]
                                                               多占总体积的35% . 该抛光垫上的多微孔可以更好
            平坦的光洁表面       [7-9] . 目前CMP技术已经被成功用于如
                                                               地承载抛光液，软质丝绒材质也容易吸水，因此该抛
            纯铜   [10] 、纯铝  [11] 和纯金  [12] 等软金属的表面超精密加
                                                               光垫具有较强的抛光液储存能力.
            工，并可获得表面粗糙度约1 nm的光滑表面. 由于纯
            铅的硬度远小于铜、铝和金等常见软金属，且塑性流
            动能力更强，因此用于抛光常见软金属的抛光工艺并
            不适合纯铅，纯铅的抛光难度更大. 目前还几乎未见
            通过CMP精密加工纯铅的相关研究报道.
                在CMP中，影响工件表面质量的因素众多且复
            杂，需要各种工艺参数的协同作用，使化学和机械作
            用达到相对平衡，才能获得较为理想的高质量表面.
            由于纯铅的硬度极低，因此在其CMP加工过程中，如
            果不能很好地掌握抛光颗粒形状、粒径和浓度、加载                                                              100 μm
            压力、转速和抛光液流量等抛光工艺，将导致表面产
                                                                  Fig. 1  SEM micrograph of the surface structure of soft
            生划痕、嵌入抛光颗粒等表面缺陷，此外，塑性变形还
                                                                                 polishing pad
            会引起表层流动形成表面变形层               [13-14] . 因此，对于纯铅             图 1  软质抛光垫表面结构的SEM图像
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