Page 7 - 《摩擦学学报》2020年第5期
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562                                     摩   擦   学   学   报                                 第 40 卷

            反应方程(3)所示，此时，*OH自由基的氧化性远大于                         度分别为最高的964 Å/min和最低的2.4 nm；当抛光液
                                     -
                               2+
                    [19]
            过氧化氢 . 随后，Pb 与OH 作用产生沉淀Pb(OH) 并                    中加入粒径为40~60 nm的球形胶体二氧化硅后，铅片
                                                       2
            吸附在铅片表面，如反应方程(4)所示. 同时，铅片还会                        表面材料去除率和粗糙度分别为457 Å/min和7.7 nm；
            被*OH自由基进一步氧化成氧化物α-PbO  (1≤x≤                       当抛光液中加入粒径为70~90 nm的球形胶体二氧化
                                                  x
              [20]
            2) ，如反应方程(5)所示. 最后，生成的沉淀和氧化物                       硅后，铅片表面材料去除率和粗糙度分别为481 Å/min
            共同作用在铅片表面形成铅(水合)氧化膜Pb(OH)  / α-                    和2.9 nm. 可以看出，随着球形胶体二氧化硅粒径的增
                                                      2
                         [21]
            PbO  (1≤x≤2) .                                     大，铅片表面材料去除率逐渐增大，而表面粗糙度逐
                x
                                        2+
                                  +
                       Pb+H 2 O 2 +2H → Pb +2H 2 O      (2)    渐降低.
                               Pb 2+
                       H 2 O 2 +e ←→ OH+OH −            (3)        1 050                         MRR   30
                              −
                                   ∗
                         2+
                               −
                       Pb +2OH → Pb(OH)  2              (4)         900                          R a   25
                        ∗
                   Pb+2x OH → α−PbO x +xH 2 O(1 ⩽ x ⩽ 2)  (5)       750                                20
                                                                    600
                生成的铅(水合)氧化膜相较于纯铅其硬度和脆性                           Material removal rate/(Å/min )  450   15  Surface roughness, R a /nm
                 [22]
            较强 . 由于纯铅本身极软且展性极强，CMP过程中                               300                                10
            易在表面产生划痕、嵌入抛光颗粒和发生塑性流动.                                 150                                5
            而生成的铅的氧化膜提高了铅片表面的硬度和脆性，
                                                                      0                                0
            在抛光颗粒的机械磨削下，产生材料去除的同时不易                                       0     30~40 nm  40~60 nm  70~90 nm
                                                                               brow-shaped spherical   spherical
            在铅片表面产生划痕和塑性流动，因此有利于光滑表
                                                                Fig. 3  Effect of shape and particle size of colloidal silica on
            面的形成，同时也能提高抛光系统的稳定性.
                                                                        the polishing performance of pure lead
                抛光液中的丙三醇在纯铅的CMP中作为润滑剂                             图 3  胶体二氧化硅形状-粒径对纯铅抛光性能的影响
            和分散剂发挥作用         [23-24] . 抛光液中的丙三醇一方面可
            减弱铅片与抛光垫或/和抛光颗粒间的直接机械摩擦，                               当抛光中无抛光颗粒时，铅片表面和抛光垫直接
            另一方面还可吸附在抛光颗粒表面，使颗粒间的静电                            接触，铅片表面的材料去除主要取决于抛光垫表面的
            排斥力增强，防止抛光颗粒发生大规模团聚，从而有                            丝绒与铅片表面的机械剪切作用. 由于本文中所用的
            利于提高铅片表面的抛光质量.                                     软质抛光垫压缩率极高且锐度低，因此抛光垫与铅片
                综上，在纯铅的CMP中，过氧化氢与铅片发生氧                         的机械作用较弱，因而材料去除率较低. 另一方面，由
            化反应生成铅的氧化膜，该氧化膜具有较高的硬度和                            于抛光垫表面丝绒的不规则性，丝绒和铅片表面的接
            脆性，在机械作用(抛光垫、抛光颗粒、加载压力、转                           触状态不稳定，从而易在铅片表面产生划痕等机械损
            速)下更容易被不断去除且弱化铅的塑性流动. 同时，                          伤，导致表面粗糙度较高. 当有抛光颗粒参与抛光时，
            在材料去除过程中，丙三醇起到分散抛光颗粒和界面                            铅片表面的材料去除更多地取决于抛光颗粒与铅片
            润滑作用，更有利于形成铅片的高表面质量. 本文作                           的相互作用. 由于胶体二氧化硅颗粒自身的机械性能
            者基于对上述机械化学耦合过程的理解，开展了如下                            强于抛光垫表面的丝绒，因此由抛光颗粒所造成的材
            工艺参数对纯铅抛光性能的影响研究.                                  料去除率也会明显高于仅抛光垫所造成的去除率. 同
                                                               时，由于抛光颗粒的出现，抛光垫表面不规则丝绒与
            3    结果与讨论
                                                               铅片表面的直接接触区域减少，对铅片表面造成的机
            3.1    胶体二氧化硅的影响                                   械损伤也将减小，故而表面粗糙度降低. 上述结论均
                                                                      [25]
            3.1.1    二氧化硅颗粒形状-粒径的影响                            与Zhu等 在纯铜表面的抛光研究结果相一致.
                图3所示为质量百分数为0.1%的胶体二氧化硅抛                            从图3中还可以发现，使用粒径为30~40 nm的抛
            光颗粒形状-粒径对铅片表面材料去除率及粗糙度的                            光颗粒抛光时，铅片表面材料去除率最高且表面粗糙
            影响. 如图3所示，当抛光液中未加入胶体二氧化硅时                          度最低，说明此时的抛光效果最优. 据生产商提供的
            (无磨粒抛光)，铅片表面材料去除率和粗糙度分别为                           信息，粒径为30~40 nm的抛光颗粒为两颗胶体二氧化
            267 Å/min和23.7 nm；当抛光液中加入粒径为30~40 nm               硅球粘附在一起的眉形颗粒. 由于眉形颗粒为异形颗
            的眉形胶体二氧化硅后，铅片表面材料去除率和粗糙                            粒，相对于形状规则的球形颗粒而言，在同样的加载
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