Friction: 蓝宝石超声辅助化学机械抛光新型材料去除率模型

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导言

自从化学机械抛光方法（CPM）在半导体的铜互联工艺中得到广泛应用，各种难加工材料也开始采用CMP方法同时获得高去除率和高表面质量。CMP过程主要包含了化学和机械过程。本研究在CMP中引入超声振动，以蓝宝石为例，从理论和实践两方面在宏观-微观尺度上阐明了蓝宝石UA-CMP加工机理。本研究对CMP工艺的创新和应用都有借鉴意义。

研究背景

蓝宝石具有耐磨、耐腐蚀和高硬度等优异的物化性能，广泛应用于半导体照明、芯片和航空航天等领域，对蓝宝石表面质量要求严苛。然而，蓝宝石化学惰性强和硬脆性特点给表面抛光加工带来挑战。为满足市场需求，进一步提高抛光效率和表面质量，研究团队提出蓝宝石超声辅助化学机械抛光(UA-CMP)工艺。

研究思路

本文针对蓝宝石UA-CMP开发了考虑固-固接触和流体动力接触模式的材料去除率数学模型。采用计算流体动力学(CFD)仿真方法可视化超声和抛光转速对抛光液多物理场的影响规律。开展原子力显微镜（AFM）原位试验，从纳米尺度解释两体磨损有利于实现蓝宝石高效加工。实施蓝宝石UA-CMP抛光试验，以材料去除率（MRR）和表面粗糙度为重要评价指标，证明高转速可获得积极反馈。文章从宏观-微观尺度和固-固接触、流体动力接触方面阐明了蓝宝石UA-CMP加工机理。

主要贡献

本文结合新型材料去除率数学模型、CFD仿真、两体磨损AFM原位试验和蓝宝石抛光试验，研究超声与转速对两体磨损及磨粒冲击的影响规律，揭示蓝宝石UA-CMP工艺性能增强机制。

潜在应用

本文结合多种方法深入研究蓝宝石UA-CMP工艺，揭示材料微纳尺度去除机理，可应用于蓝宝石等硬脆性材料的高效超精密抛光。

作者简介

周木芳，南昌大学先进制造学院摩擦学重点实验室在读博士研究生。主要研究课题为超声振动辅助化学机械抛光蓝宝石衬底机理研究。

许文虎，南昌大学赣江特聘教授，博士研究生导师。入选江西省首批“双千计划”。清华大学摩擦学国家重点实验室博士毕业。中国腐蚀与防护学会磨蚀与防护技术专委会委员、中国机械工程学会摩擦学分会青工委委员。研究方向包括集成电路复合抛光、摩擦材料开发和食品口腔摩擦学。近5年主持国家自然科学基金项目2项、省部级项目5项、第一/通讯作者发表SCI论文20余篇。主编/副主编专著教材2部。获授权发明专利8项、实用新型专利20余项。制定国家标准1部、行业标准2部。获省部级奖励1项。