Page 6 - 《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                                       561

                本研究中所用的抛光颗粒为三种不同粒径的胶                           为30~40 nm的抛光颗粒是外形为眉形(两颗二氧化硅
            体二氧化硅抛光颗粒，图2所示为生产商提供的三种                            球粘附在一起)的异形颗粒，粒径为40~60 nm和70~90 nm
            胶体二氧化硅抛光颗粒形貌的SEM照片. 其中，粒径                          的抛光颗粒均为规则球形颗粒.


             (a)                             (b)                              (c)









                                  100 μm                          100 μm                           100 μm

                   Fig. 2  SEM micrographs of (a) 30~40 nm brow-shaped，(b) 40~60 nm spherical，(c) 70~90 nm spherical colloidal
                                                    silica polishing particles
                      图 2  (a) 30~40 nm眉形、(b) 40~60 nm球形、(c) 70~90 nm球形胶体二氧化硅抛光颗粒形貌的SEM照片


            1.2    抛光试验及表征方法                                       在抛光颗粒浓度对抛光性能的影响试验中，所用
                本研究采用自动压力研磨抛光机(UNIPOL-1200S，                   抛光液中各组分及其质量百分数分别为30~40 nm的
            沈阳科晶)进行抛光试验，该抛光机可以自由控制加                            眉形胶体二氧化硅抛光颗粒，3%的丙三醇，0.03%的
            载压力和自由调节抛光头与抛光盘的转向和转速. 抛                           过氧化氢，以及余量的去离子水. 抛光液被调节为弱
            光试验中，抛光头与抛光盘的中心间距设置为105 mm，                        酸性，pH值为4~6. 其中，胶体二氧化硅质量百分数梯
            环境温度24~26 ℃，抛光时间15 min. 抛光过程中的铅                    度设置为0、0.01%、0.03%、0.05%、0.1%、0.3%、0.5%
                                                  [16]
            片表面材料去除率可通过公式(1)计算获得 ，式中：                          和0.7%.
            MRR为材料去除率，Å/min；Δm为质量增量，g；ρ为样                      1.3.2    机械工艺参数的影响试验
                                 3
            品的密度(ρ =11.3 g/cm )；s为样品的表面积(s =3π×                    该部分试验中所用抛光液中各组分及其质量百
                                                    铅
                      铅
               2
                  2
            1.5  cm )；t为抛光时间(t =15 min).                       分数分别为0.1%的粒径为30~40 nm的眉形胶体二氧
                                   ∆m×10 8                     化硅抛光颗粒，3%的丙三醇，0.1%的过氧化氢，以及
                            MRR =                       (1)
                                   ρ× s×t                      余量的去离子水. 抛光液被调节为弱酸性，pH值为4~6.
            其中质量增量通过万分之一电子天平(FA2004G，常                             对于机械工艺参数的影响试验，均采用控制单一
            州万得)称量抛光前后的质量差获得. 每次试验称出                           变量法，并设置相对应的工艺梯度进行试验. 加载压
            5组质量差，求其平均值即为该次试验的质量增量.                            力对抛光性能的影响试验中，压力梯度设置为3.4、
                抛光结束后，采用无水乙醇冲洗清铅片表面，并                          8.1、12.7、17.3和21.9 kPa. 抛光头和抛光盘转向对抛光
            对表面进行抗氧化处理和干燥处理. 随后利用白光干                           性能的影响试验中，转向和转速设置为抛光头顺时针
            涉三维轮廓仪(MFT3000，Rtec，USA)对铅片表面进行                    转动，转速60 r/min；抛光盘逆时针转动，转速60 r/min.
            扫描并计算表面粗糙度(R )，其扫描区域为222 μm×                       抛光头和抛光盘转速对抛光性能的影响试验中，转向
                                    a
            177 μm，所有表面粗糙度值均为随机扫描5个区域所                         和转速设置为抛光头逆时针转动，转速60 r/min；抛光
            求得的平均值.                                            盘逆时针转动，转速20、40、60、80和100 r/min. 抛光液
            1.3    抛光工艺参数                                      流量对抛光性能的影响试验中，流量梯度设置为20、
            1.3.1    胶体二氧化硅的影响试验                               35、50、75、100和125 mL/min.
                首先研究胶体二氧化硅抛光颗粒的形状-粒径对
                                                               2    纯铅CMP的机械化学耦合过程
            抛光性能的影响，试验所用抛光液中各组分及其质量
            百分数分别为0.1%的胶体二氧化硅抛光颗粒(分别选                              在纯铅的CMP时，抛光液中的过氧化氢作为氧化
            择上述三种抛光颗粒)，3%的丙三醇，0.03%的过氧化                        剂发挥化学作用. 在CMP过程中，铅片表面首先与过
                                                                               2+
            氢，以及余量的去离子水. 抛光液被调节为弱酸性，                           氧化氢反应生成Pb ，如反应方程(2)所示. 接着，生成
                                                                   2+
            pH值为4~6.                                           的Pb 催化过氧化氢分解为*OH自由基和OH                 -[17-18] ，如
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