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SiCp/Al化学机械抛光的表面氧化机理及材料去除机制研究

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SiCp/Al化学机械抛光的表面氧化机理及材料去除机制研究

作者：郭冬芳吉林大学

学位级别：硕士

随着光学精密仪器、航空航天、汽车制造等领域的迅速发展,碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)因其耐高温、耐磨、低热膨胀系数、高热传导系数、高比模量等诸多优点,在上述领域中获得了广泛应用。由于SiCp/Al中SiC相和Al相的硬度差异较... 详细信息

随着光学精密仪器、航空航天、汽车制造等领域的迅速发展,碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)因其耐高温、耐磨、低热膨胀系数、高热传导系数、高比模量等诸多优点,在上述领域中获得了广泛应用。由于SiCp/Al中SiC相和Al相的硬度差异较大,利用传统加工方法得到的表面会有百纳米深度的离散微观凹陷区域,无法获得优质表面。化学机械抛光(CMP)技术利用化学与机械的协同作用可以提高该材料的加工效率并获得优异的表面质量,因此采用化学机械抛光技术加工SiCp/Al是解决其难加工问题的方法之一。化学机械抛光技术利用化学手段氧化SiCp/Al的表面,生成表面氧化层,再采用抛光磨粒去除氧化层以获得优质表面。本文着重针对SiCp/Al表面氧化机理和材料去除机制开展深入研究。本文的主要研究内容如下:(1)建立SiCp/Al两相材料表面氧化反应速率模型。基于双向扩散原理与经典Deal-Grove氧化模型,建立SiCp/Al中Al相和SiC相在Fenton氧化体系中的氧化模型,计算氧化速率,探究Fenton反应类型、氧化剂浓度以及温度等参数对SiCp/Al表面氧化反应速率的影响趋势。(2)研究SiCp/Al表面氧化机理。开展基于Fenton氧化体系的SiCp/Al氧化试验,通过评估一定时间内SiCp/Al表面的氧化层厚度来判断氧化反应速率的大小,分析氧化参数对Fenton反应中羟基自由基浓度的影响规律,探究Fenton反应类型、氧化剂浓度以及氧化液温度对SiCp/Al氧化层厚度的影响趋势。借助SEM和EDS分析氧化前后SiCp/Al表面形貌及氧化层元素含量,探究氧化剂浓度对氧化层中O元素含量的影响规律;借助XPS分析表面化学键的断裂与生成规律,确定氧化层的化学成分。(3)SiCp/Al化学机械抛光的材料去除率建模研究。根据氧化过程的化学反应原理推导氧化层厚度表达式,考虑磨粒机械去除过程建立单颗磨粒压入工件的深度模型。在此基础上,综合考虑化学和机械的协同作用,建立化学机械抛光中SiCp/Al的材料去除率模型,分析所建立的模型中主要化学参数和机械参数对材料去除率的影响规律。(4)SiCp/Al材料去除试验研究。开展化学机械抛光试验,通过试验研究氧化剂浓度、抛光压力、速度、磨粒粒径和磨粒浓度等参数对SiCp/Al的表面质量和材料去除率的影响趋势,探究化学作用、机械作用和化学机械协同作用等不同试验条件下SiCp/Al的抛光质量和材料去除率。优化CMP工艺参数,获得SiCp/Al化学机械抛光中既有利于提高材料去除率又有利于获得较优表面质量的工艺参数组合。

关键词： SiCp/Al 化学机械抛光表面氧化材料去除机制 Fenton反应

化学机械抛光过程低k/铜表面材料去除机制及损伤机制研究进展

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润滑与密封 2021年第4期46卷 135-139,146页

作者：司丽娜刘万宁吴锐奇阎红娟杨晔张淑婷北方工业大学机械与材料工程学院北京100144

针对低k介质/铜表面在平坦化加工中极易造成材料界面剥离、互连线损伤和表面不平整等问题,国内外学者对CMP过程中的材料去除机制以及损伤机制开展了大量的研究工作。对集成电路平坦化工艺——化学机械抛光过程中低k介质/铜界面的力学行... 详细信息

针对低k介质/铜表面在平坦化加工中极易造成材料界面剥离、互连线损伤和表面不平整等问题,国内外学者对CMP过程中的材料去除机制以及损伤机制开展了大量的研究工作。对集成电路平坦化工艺——化学机械抛光过程中低k介质/铜界面的力学行为和摩擦损伤特性研究进展进行综述,介绍异质表面的材料去除行为及去除理论研究现状;展望了化学机械抛光过程低k介质/铜表面去除机制研究的研究趋势,即通过对异质界面的分子原子迁移行为研究,揭示异质表面的微观材料去除机制及损伤形成机制,最终寻找到异质表面平坦化及损伤控制方法。

关键词：化学机械抛光 low-k材料异质表面材料去除机制损伤机制

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纳米多层材料去除机制和亚表面损伤机理研究

纳米多层材料去除机制和亚表面损伤机理研究

作者：王琼湖南大学

学位级别：硕士

近年来,纳米多层材料由于其独特的物理结构和优异的力学性能,被广泛应用于微电子机械系统、医学高分子材料、航空航天等民用及军用领域。然而,当材料的几何尺寸达到几个或者几十个纳米时,纳米晶体材料也会因其纳米效应而表现出不同于宏... 详细信息

近年来,纳米多层材料由于其独特的物理结构和优异的力学性能,被广泛应用于微电子机械系统、医学高分子材料、航空航天等民用及军用领域。然而,当材料的几何尺寸达到几个或者几十个纳米时,纳米晶体材料也会因其纳米效应而表现出不同于宏观加工过程的力学性能。因此,为了优化超精密加工过程中的机械性能以及提升加工效率,有必要深入研究纳米多层材料在机械加工过程中的去除机制和亚表面损伤机理,进一步提升加工质量、降低加工成本。众所周知,纳米级机械加工过程存在控制难、测量技术受限、研究成本较高等缺陷,使得利用实验方法研究纳米磨削加工机理存在较大困难。目前,采用分子动力学仿真模拟来研究纳米材料的超精密加工过程,可以实现直观地、动态地追踪原子运动轨迹以及观察微结构演变。因此,基于分子动力学仿真模拟研究纳米多层材料在超精密加工过程中的力学性能和变形机制,对实际微纳机电系统器件的机械加工有着非常重要的参考指导意义,极大地缩短超精密微纳加工的发展周期。对于广受关注的纳米多层材料,其超精密加工性能、表面创成机制以及亚表面损伤机理仍然没有被清楚地揭示。因此,为了使纳米多层材料在超精密加工过程中实现高效低亚表面损伤甚至无损加工,本论文系统地研究了加工过程中刀具与工件之间的交互作用规律,分析了不同的加工参数对纳米多层材料表面完整性和去除机制的影响,探讨了纳米多层材料界面对位错滑移机制的影响。本论文的主要研究工作如下:（1）基于分子动力学模型研究Ni/Cu纳米多层材料在金刚石刀具纳米加工下的去除机制和亚表面损伤机理。通过改变磨削速度、刀具半径和切削深度等机械加工参数,研究了工件的位错滑移、表面形貌、加工温度、切削力的变化规律。通过建立纳米尺度三维仿真模型,使用OVITO可视化软件追踪加工过程中的原子运动轨迹,预测在稳定刻划过程中不全位错的发射条件,为实现低损甚至无损加工提供理论参考依据。结果表明,在Ni/Cu纳米多层材料超精密加工过程中,较高的磨削速度会导致更高的加工温度、较低的亚表面损伤,同时,更多的磨屑被生成,需要更大的切削力来维持稳定的磨削过程。当磨削速度大于150m/s,工件的亚表面损伤有所增加,归因于较高的磨削速度导致更大的磨削温度,进而加速了位错的形核和滑移。随着刀具半径的增大,伴随着层错原子数目增加以及缺陷结构的增加。换而言之,较大的刀具半径增加了刀具和工件间的作用面积,导致更高的磨削温度和磨削力以及大量的位错产生。随着切削深度的增加,工件的缺陷结构增加,较低的切削深度可以有效地提高Ni/Cu纳米多层材料的去除率和降低亚表面损伤。（2）使用分子动力学三维仿真软件研究了金刚石刀具磨削Al/Si金属陶瓷纳米多层材料的机械加工过程的塑性变形机制。从位错运动、原子轨迹、缺陷结构、堆垛层错的演变、磨削温度和平均磨削力方面,深入研究了刀具半径、切削深度和磨削速度对材料去除机制的影响。研究表明,金属-陶瓷（Al-Si）纳米多层材料界面的存在阻碍了位错的通过,使得金属-陶瓷（Al-Si）纳米多层材料的强度得到增强;其次,陶瓷-金属（Si-Al）纳米多层材料界面能够增加位错通过界面时的能力,从而提升材料的延展性。此外,较大的刀具半径、较高的磨削速度和较深的切削深度会增加纳米多层材料的切削体积,并导致更高的磨削温度。在相同的加工条件下,由于Si的硬度和屈服强度均高于Al,因此陶瓷-金属（Si-Al）纳米多层材料中的上述变化比金属-陶瓷（Al-Si）纳米多层材料中的变化更加明显。

关键词：分子动力学纳米多层材料材料去除机制亚表面损伤位错运动

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雾化施液CMP工艺及材料去除机制研究

润滑与密封 2014年第2期39卷 56-60页

作者：王陈李庆忠朱仌闫俊霞江南大学机械工程学院江苏无锡214122

介绍通过雾化供液方式进行化学机械抛光(CMP)的工作原理以及试验装置设计,通过雾化供液抛光工艺试验考察该方法的抛光效果,分析其材料去除机制。结果表明,雾化施液CMP方法的抛光浆料利用率高,在达到去除率为257.5 nm/min,表面粗糙度小于... 详细信息

介绍通过雾化供液方式进行化学机械抛光(CMP)的工作原理以及试验装置设计,通过雾化供液抛光工艺试验考察该方法的抛光效果,分析其材料去除机制。结果表明,雾化施液CMP方法的抛光浆料利用率高,在达到去除率为257.5 nm/min,表面粗糙度小于3.8 nm的抛光效果时,雾化抛光液消耗量仅为350 mL。雾化抛光材料去除机制是表面材料分子级氧化磨损去除,即通过抛光液中氧化剂的化学作用使表面原子氧化并弱化其结合键能,通过磨粒的机械作用将能量传递给表面分子,使表面分子的能量大于其结合键能而被去除。

关键词：雾化施液 CMP 工艺试验材料去除机制

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CMP材料去除机制的研究进展

润滑与密封 2011年第5期36卷 101-105,121页

作者：蒋建忠袁晓林赵永武江南大学机械工程学院江苏无锡214122 常州轻工职业技术学院江苏常州213004

CMP已成为IC制造中的关键工艺之一,其材料去除机制及理论模型的研究已经成为当前CMP研究的热点。综述基于流体润滑、磨粒磨损、化学作用、原子/分子去除等不同机制的集成电路芯片化学机械抛光(CMP)材料去除率的理论模型的研究现状和进展... 详细信息

CMP已成为IC制造中的关键工艺之一,其材料去除机制及理论模型的研究已经成为当前CMP研究的热点。综述基于流体润滑、磨粒磨损、化学作用、原子/分子去除等不同机制的集成电路芯片化学机械抛光(CMP)材料去除率的理论模型的研究现状和进展,分析和比较基于不同假设的理论模型,展望CMP材料去除机制研究的未来发展方向。CMP理论真正应用于实际生产指导,许多影响因素的定量研究还要细化,抛光盘的黏弹性和抛光液的流体动力学性能对CMP过程的影响还需深入研究。

关键词：机械化学抛光材料去除机制模型芯片

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磨料水射流加工材料去除机制及影响因素分析

山东化工 2021年第2期50卷 129-132页

作者：李福来荆正军马少华杜明超石油工业训练中心山东青岛266580 中国石油大学(华东)机电工程学院山东青岛266580

对磨料水射流加工过程材料的去除机制及相关影响因素进行了分析,结果表明:工件表面材料的去除主要取决于磨料粒子的切削、铲削以及压痕成坑等侵蚀行为的综合作用,介质水起到加速粒子以及冷却工件作用,保证加工过程材料无热变形现象发生... 详细信息

对磨料水射流加工过程材料的去除机制及相关影响因素进行了分析,结果表明:工件表面材料的去除主要取决于磨料粒子的切削、铲削以及压痕成坑等侵蚀行为的综合作用,介质水起到加速粒子以及冷却工件作用,保证加工过程材料无热变形现象发生。影响工件切割效果的因素有很多,包括射流压力P、进砂比、进给速率V以及喷嘴高度h等,其中射流压力P和进砂比影响工件切割深度和切割效率,进给速率V影响切面质量及切缝角的大小,喷嘴高度h影响切缝形态及切割深度,h过大时射流束失去聚合性,出现发散现象,无法完成预设切割深度。

关键词：磨料水射流材料去除机制射流压力进给速率喷嘴高度

ULSI化学机械抛光(CMP)材料去除机制模型

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润滑与密封 2006年第5期31卷 170-173页

作者：钟旻张楷亮宋志棠封松林中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米技术研究室半导体功能薄膜工程技术研究中心上海200050

CMP已成为IC制造中的关键工艺之一,相关机制模型的研究是当前CMP的热点。综述了考虑抛光液的流动、抛光垫的弹性和硬度、研磨颗粒的大小和硬度等不同因素的机制模型,并对基于不同假设的模型作了分析和比较。最后对CMP模型未来的发展和... 详细信息

CMP已成为IC制造中的关键工艺之一,相关机制模型的研究是当前CMP的热点。综述了考虑抛光液的流动、抛光垫的弹性和硬度、研磨颗粒的大小和硬度等不同因素的机制模型,并对基于不同假设的模型作了分析和比较。最后对CMP模型未来的发展和研究方向提出了展望。

关键词：化学机械抛光平坦化材料去除机制模型集成电路

平纹编织结构CFRP正交切削切屑形成及表面损伤

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复合材料学报 2023年第9期40卷 5371-5385页

作者：周强陈燕王晓宇张川川陈雪梅刘元吉陈清良勾江洋南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室南京210016 成都飞机工业(集团)有限责任公司成都610092

平纹编织结构碳纤维增强树脂基复合材料(Plain-woven carbon fiber-reinforced plastic,PW-CFRP)展现出高损伤容限特性,在航空航天领域应用广泛,但PW-CFRP是一种多尺度复合材料,传统的微、宏观尺度并不能较好地去研究其切削机制,因此本... 详细信息

平纹编织结构碳纤维增强树脂基复合材料(Plain-woven carbon fiber-reinforced plastic,PW-CFRP)展现出高损伤容限特性,在航空航天领域应用广泛,但PW-CFRP是一种多尺度复合材料,传统的微、宏观尺度并不能较好地去研究其切削机制,因此本文采用介观层面切削仿真手段对其切屑形成机制进行研究。本文根据PW-CFRP的几何结构特点建立介观尺度的三维正交切削仿真模型,同时开展正交切削试验,对仿真模型进行验证;研究了不同纤维编织方向PW-CFRP在切削加工中的材料去除机制。研究结果表明:在相同工艺参数条件下,切削力和表面损伤的仿真与实验结果最大相对误差不超过15%,仿真模型的可靠性得以验证;其中各纤维方向纤维束区域的最大损伤深度依次为0°材料表面损伤呈弧形分布。

关键词：平纹编织结构CFRP ABAQUS 正交切削纤维方向材料去除机制

超声振动辅助磨削加工技术及装备研究的现状与展望

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机械工程学报 2022年第9期58卷 244-269页

作者：丁文锋曹洋赵彪徐九华南京航空航天大学机电学院南京210016

超声振动辅助磨削加工技术通过在传统磨削加工基础上叠加高频微幅超声振动,可以减小磨削力,降低磨削温度,提高材料去除率,改善工件表面质量,在航空航天、高档机床、高速列车、能源动力等高端装备高效高品质制造方面具有显著优势和广阔... 详细信息

超声振动辅助磨削加工技术通过在传统磨削加工基础上叠加高频微幅超声振动,可以减小磨削力,降低磨削温度,提高材料去除率,改善工件表面质量,在航空航天、高档机床、高速列车、能源动力等高端装备高效高品质制造方面具有显著优势和广阔应用前景。现阶段,国内外已经开展了众多超声振动辅助磨削加工技术及装备的研究工作,相关成果已在多种难加工材料关键部件加工中得到工程应用。在概述超声振动辅助磨削加工技术的基本原理、加工优势、主要分类和发展趋势的基础上,系统总结了国内外学者在超声振动辅助磨削装备及设计方法、材料去除机制和表面形成机制方面的研究成果,并对超声振动辅助磨削加工技术未来发展趋势和重要研究问题进行了展望。

关键词：超声振动辅助磨削超声装置材料去除机制表面形成机制