化學(xué)機械拋光(CMP)是目前最普遍的表面加工技術(shù),是公認的唯一可以實現(xiàn)全局平坦化的拋光方法。磨料作為CMP中的重要組成部分,直接影響拋光工件加工后的表面質(zhì)量。本文以水玻璃為原料,采用離子交換法制備了大粒徑硅溶膠,并在此基礎(chǔ)上,通過化學(xué)沉淀法,對純硅溶膠進行鈰鋯、鈰鈣改性,制備拋光用CeO2/ZrO2/硅溶膠復(fù)合磨料及CeO2/Ca(OH)2/硅溶膠復(fù)合磨料。對各產(chǎn)品生產(chǎn)過程的設(shè)備選型、經(jīng)濟效益、環(huán)保安全方面進行合理的分析。通過透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)-能譜(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)等手段對樣品的組成、形貌等進行表征。以所制備的復(fù)合磨料對藍寶石晶片進行拋光,利用原子力顯微鏡(AFM)檢測拋光后的藍寶石晶片表面粗糙度。主要結(jié)果如下:(1)實驗確定最佳母液制備條件為:水玻璃濃度5%,水玻璃通過樹脂床流量16.4mL/min,陳化時間2h,陳化溫度20℃;最佳硅溶膠制備條件為:反應(yīng)溫度98℃,攪拌速度300r/min,活性硅酸滴加速度為4.2mL/min,活性硅酸濃度為4%,添加量與母液質(zhì)量比為7:1,反應(yīng)中pH范圍9-10。經(jīng)過五次粒徑增長,其粒徑達到100nm-120nm左右,硅溶膠中SiO2粒子基本為球形,濃度可以達到30%,Na2O含量約為0.06%,pH值為9-10,密度為1.20g/mL。以所制備的硅溶膠對藍寶石晶片進行拋光,材料去除速率為18.4nm/min,表面粗糙度為1.59nm。(2)實驗確定最佳鈰鋯、鈰鈣摻雜量為:鈰摻雜量為1.5wt%,鋯摻雜量為1.0wt%,鈣摻雜量為2.0wt%。所制備的兩種復(fù)合磨料粒徑均約為100-120nm,復(fù)合磨料中SiO2粒子基本為球形,濃度為10%左右,粒徑分布較均勻。用所制備的鈰鋯摻雜硅溶膠拋光液對藍寶石晶片進行拋光,材料去除速率為36.1nm/min,表面粗糙度為0.512nm;用所制備的鈰鈣摻雜硅溶膠拋光液對藍寶石晶片進行拋光,材料去除速率為27.9nm/min,表面粗糙度為0.356nm。所制備的改性硅溶膠復(fù)合磨料表現(xiàn)出較好的拋光性能,鈰鋯摻雜硅溶膠在提高拋光的材料去除速率上顯得尤為突出,而鈰鈣摻雜硅溶膠在改善藍寶石表面粗糙度上表現(xiàn)出良好的效果。(3)經(jīng)濟效益估算結(jié)果表明,由水玻璃制備的三種產(chǎn)品(硅溶膠、鈰鋯摻雜硅溶膠、鈰鈣摻雜硅溶膠),可以獲得一定的經(jīng)濟效益。環(huán)保評估結(jié)果表明,該生產(chǎn)過程可以做到基本無三廢排放,是清潔生產(chǎn)工藝。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG73;O786
【部分圖文】：

慢、表面平整度差的缺點Ｗ，滿足了特征尺寸在〇．３５ｐｍ以下的全局平面化要求［５］。??目前，ＣＭＰ技術(shù)幾乎己成為公認的唯一可以實現(xiàn)納米級全局平面化技術(shù)［６］。??化學(xué)機械拋光裝置示意圖如圖１．１所示［７］。??下ｆ丨Ｕｊ??＼??晶片雜ｃｉｌｌ漿??＼ｉ＊－??晶片一??ｙｍｍ?誦??拋光作??ｃｌ?１??圖１．１?ＣＭＰ裝置圖??Ｆｉｇｌ．ｌ?Ｄｅｖｉｃｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＣＭＰ??由圖１．１可以看出，ＣＭＰ體系主要是由晶片載體裝置（載樣盤）、拋光墊承載??裝置和拋光漿料供給裝置三部分組成［８］。在拋光過程中，主要存在三種摩擦運動：??晶片載樣盤與承載拋光墊的工作臺做回轉(zhuǎn)摩擦運動；晶片載樣盤在支架的支撐下，??受到工作臺旋轉(zhuǎn)使晶片載樣盤產(chǎn)生的速度差，晶片載體盤在這一速度差作用下產(chǎn)??生自轉(zhuǎn)與工作臺產(chǎn)生又一種摩擦運動；載樣盤中心沿著研磨盤做徑向往復(fù)擺動，??又會產(chǎn)生一種摩擦運動。在這三種摩擦運動下，納米磨料和化學(xué)溶液組成的拋光??漿料在晶片與拋光墊之間流動，在拋光墊的傳輸和旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，均勻分??布其上

類、硬度、形貌、粒徑等直接影響著拋光工件的表面質(zhì)量［１４１。拋光墊的硬度、??性等對拋光工件的拋光質(zhì)量影響較大，硬度高的拋光墊往往會帶來較高的材料??除速率，但拋光工件的表面質(zhì)量會有所降低；而硬度低的拋光墊可以提高拋光??件的表面質(zhì)量，但材料去除速率會有所降低［１５＿１７］。拋光工藝參數(shù)一般有拋光壓??、拋光漿料流速、拋光時間和拋光盤轉(zhuǎn)速［１３］。當(dāng)拋光壓力和底盤轉(zhuǎn)速過大時，??學(xué)機械拋光中機械作用占據(jù)主導(dǎo)地位，材料去除速率增大，但會產(chǎn)生劃痕和損??，拋光壓力和底盤轉(zhuǎn)速過小時，材料表面質(zhì)量有所提高，但材料去除速率會降??。因此，為了達到高表面質(zhì)量的拋光工件，同時盡可能的提高材料去除速率，??須綜合考慮各工藝的參數(shù)。??２藍寶石晶片加工技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀??藍寶石晶片由于其硬度高、熔點高、透光性好、電絕緣性好、化學(xué)性能穩(wěn)定??優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、科研等領(lǐng)域，被用作激光器的窗口、紅??窗口、紅外透光材料、半導(dǎo)體硅的外延基片、半導(dǎo)體ＧａＮ的外延襯底材料等??？］。藍寶石晶格特征如圖１．２所示，用作ＧａＮ生長的襯底多為Ｃ?（０００１）晶面??］??〇??

而研磨拋光領(lǐng)域多使用１００－１３０ｎｍ的硅溶膠［３３］。??硅溶膠有較大的比表面積、高分散性、高吸附性、高耐火絕熱性等［３４］物理??化學(xué)性質(zhì)，且有酸性硅溶膠和堿性硅溶膠之分。膠團結(jié)構(gòu)如圖１．３所示。??卜．??＼、Ｕ?／??圖１．３硅溶膠膠團示意圖??Ｆｉｇｌ．３?Ｍｉｃｅｌｌｅｓ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃｏｌｌｏｉｄａｌ?Ｓｉ〇２??膠團有膠團核心、吸附層、擴散層三層結(jié)構(gòu)。在吸附層內(nèi)，成千上萬個Ｓｉ０２??分子緊密聚合形成的膠核就是膠團中心，它不溶于水且可以從周圍的水溶液中有??選擇性地吸附某種離子。因此，在吸附層內(nèi)聚集著一部分反離子。膠團的另一個??組成部分擴散層則是由另一部分反離子在水中分布形成的。我們所常說的膠粒就??是膠核和吸附層所構(gòu)成的粒子，在溶液中膠核是顯負電性的，反離子連同吸附層??內(nèi)的水分子則是顯正電性，所以當(dāng)膠核運動時，在吸附層內(nèi)的水分子和反離子由??于受到的靜電吸力作用，也會隨之一起移動。膠粒和它周圍的擴散層則組成了膠??團，因此它是電中性的ｔ３５］。??硅溶膠的粒子結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)如圖１．４和圖
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本文編號：2852783