关键词：碳化硅;;化学改性;;材料去除率;;有限元仿真;;化学机械协同作用
摘 要：随着国家汽车工业、电子信息、航空航天和军事等领域的不断发展,碳化硅材料由其优异性能得到广泛的应用。然而,碳化硅材料硬度高,脆性大,具有难加工的特性。化学机械抛光(CMP)针对硬脆性材料可以提高材料去除率,缩短产品的生产周期,同时基于“软磨硬”原理,使得抛光后工件具有较好的表面质量。因此,CMP获得各国研究学者的广泛关注。化学机械抛光技术包括化学作用和机械作用。因此,抛光过程中不仅需要考虑化学作用和机械作用单独作用效果,还要研究化学机械的协同作用效果。本文分别研究化学作用、机械作用及化学机械协同作用对碳化硅材料去除率的影响。本文主要研究工作如下:(1)研究化学改性机理。改性为利用化学试剂与工件表面层材料发生反应,来改变工件表面层机械性能。其中,改性层厚度和硬度会影响机械去除时磨粒去除深度,进而影响CMP的材料去除率。因此,为分析化学作用对改性层厚度的影响,基于表面扩散原理和氧化模型建立化学改性速率模型,获得改性速率先线性后抛物线变化规律。并进行过氧化氢改性碳化硅实验,研究分别改变时间、浓度和温度等参数时的改性层厚度。基于薄膜力学原理,对改性层进行纳米压痕实验,获得改性层硬度随压头压入深度变化曲线,与后期机械作用的磨粒压入工件深度建立联系,从而分析改性过程对材料去除率的影响。(2)研究机械作用去除机理。机械去除过程中,抛光垫和磨粒性质均会对工件材料去除产生影响。对抛光垫表面进行特征高度建模,对磨粒进行受力分析,研究抛光垫性质、磨粒粒径和法向压力对单颗磨粒压入工件深度的影响。建立上下抛光盘的相对速度模型,研究单颗磨粒去除体积模型。计算抛光去除过程中的瞬时有效磨粒数,将单颗磨粒去除深度按瞬时有效磨粒数进行累加,获得多颗磨粒材料去除深度,对其进行积分可得材料去除率。此模型不只预测压力和速度等工艺参数对材料去除的影响,还真实的反应了抛光过程中抛光垫表面廓形、抛光垫承载磨粒能力、磨粒粒径、磨粒体积比浓度以及工件表面硬度对材料去除的影响。通过改变抛光过程的压力和速度,对碳化硅材料进行去除实验,获得压力和转速对材料去除的影响,从而验证模型准确性。(3)材料去除仿真研究。单颗磨粒去除为材料去除的基础,本文采用ABAQUS软件对单颗磨粒作用的材料去除过程进行仿真。分别用残余应力、等效塑性应变(PEEQ)和剖面高度来描述抛光后工件表面强度、材料去除量和抛光后工件表面质量,获得了压力、转速、磨粒粒径和种类等因素对残余应力,PEEQ和剖面高度的影响。进行NiP抛光实验,获得压力、转速和粒径等参数对抛光后表面质量的影响,从而验证仿真的准确性。(4)化学机械协同作用实验。在化学和机械作用基础上,通过实验研究化学机械协同作用影响效果。改性过程可有效降低工件表面硬度,使得磨粒压入工件改性层的深度变大,导致材料去除率增加。研究改性层生成速率与单位时间内磨粒去除厚度的关系,探索在化学作用下,抛光去除层材料为改性层或碳化硅基体。通过实验研究磨粒性质、抛光液中离子添加剂种类、浓度和抛光液的化学性质等对材料去除率的影响。获得在最佳抛光压力和转速下,化学机械协同作用的最优抛光液组分。
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