銅電致化學(xué)拋光機(jī)理及性能研究.pdf

1、超平滑無損傷銅表面的超精密加工技術(shù)在微電子器件和微機(jī)電系統(tǒng)制造中具有廣泛的需求。目前，化學(xué)機(jī)械拋光作為常見的超精密加工技術(shù)，在超光滑超平整表面加工中得到廣泛應(yīng)用，但由于其加工過程中的機(jī)械作用而難以獲得無損傷銅表面?，F(xiàn)有的化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光等無應(yīng)力拋光方法由于沒有機(jī)械作用的影響，可獲得高完整性無損傷的銅表面，但化學(xué)拋光僅能達(dá)到亞微米級表面粗糙度且無法改善工件表面的平面度，電化學(xué)拋光雖可達(dá)到納米級表面粗糙度，但也無法實(shí)現(xiàn)高精度平坦化加工。

2、所以，目前的化學(xué)機(jī)械拋光和無應(yīng)力拋光技術(shù)均無法滿足超平滑無損傷銅表面的加工需求。本文針對超平滑無損傷銅表面加工的難題，基于電化學(xué)氧化和擴(kuò)散控制反應(yīng)的基本原理，提出了一種新的無應(yīng)力拋光方法——電致化學(xué)拋光，通過拋光機(jī)理研究，確定了實(shí)現(xiàn)電致化學(xué)拋光的基本條件，開發(fā)了相對應(yīng)的拋光加工試驗(yàn)系統(tǒng)和拋光液體系，利用數(shù)值模型分析了電致化學(xué)拋光的拋光性能并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，且最終針對具有粗糙表面及微圖案表面的銅工件，進(jìn)行了電致化學(xué)拋光工藝試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了無應(yīng)

3、力高精度表面拋光，主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　1)根據(jù)電致化學(xué)拋光的基本原理，建立了電致化學(xué)拋光過程的解析模型，提出了拋光能力指數(shù)（表面粗糙峰峰頂與谷底材料去除率的比值）這一評價指標(biāo)，并對電致化學(xué)拋光的加工效率以及拋光能力指數(shù)進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)制備超光滑表面的工具電極以及盡可能小的控制工具電極與工件表面之間的加工間距d是實(shí)現(xiàn)高效拋光的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，研究了超光滑表面工具電極的制備方法，研制了相對應(yīng)的拋光試驗(yàn)系統(tǒng)，通過采用位移

4、反饋、視覺反饋以及力反饋模塊實(shí)現(xiàn)加工間距d的高精度控制，試驗(yàn)系統(tǒng)的控制精度達(dá)到40nm。
　　2)針對銅電致化學(xué)拋光的拋光液體系需求，開發(fā)出以FeSO4作為基礎(chǔ)拋光液、H2SO4作為pH調(diào)節(jié)劑、苯并三氮唑(BTA)作為側(cè)向電子傳導(dǎo)抑制劑的拋光液，對拋光液粘度以及溫度對拋光過程的影響進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)隨著拋光液粘度的增大，其加工效率及拋光能力指數(shù)均降低;而隨著拋光液溫度的增加，其加工效率會逐漸增加，但拋光能力指數(shù)則隨溫度的變化不大。此

5、外，利用XRD以及XPS等儀器研究了拋光液各組分的作用機(jī)理。通過分析可知，pH調(diào)節(jié)劑(H2SO4)的作用機(jī)理為去除銅工件表面的氧化層從而間接的促進(jìn)了刻蝕劑Fe3+與Cu工件的反應(yīng)，而BTA則通過吸附于Cu工件的表面，實(shí)現(xiàn)了對側(cè)向電子傳導(dǎo)的持續(xù)抑制。
　　3)建立了銅電致化學(xué)拋光過程的數(shù)值模型，研究了初始工件表面波長L、峰谷值h以及加工間距d對拋光能力指數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L＞＞d時，隨加工間距d的逐漸增加，拋光能力指數(shù)逐漸降低，

6、并最終趨近于（d+h)/d;當(dāng)L≤d時，加工間距d對拋光能力指數(shù)影響很小?；跀?shù)值模擬結(jié)果給出了拋光能力指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式和工件表面峰谷值(PV)降到指定值所需平均加工深度的預(yù)測公式，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對拋光過程的量化分析。
　　4)分別對單晶、多晶兩種銅工件進(jìn)行了電致化學(xué)拋光加工，分析了表面粗糙度的變化，發(fā)現(xiàn)電致化學(xué)拋光方法對此兩種不同組織結(jié)構(gòu)的銅工件均有很好的拋光效果;對圖案銅工件也進(jìn)行了電致化學(xué)拋光加工，其PV值由初始

7、的4.70μm改善至了0.059μm，因此電致化學(xué)拋光方法可實(shí)現(xiàn)圖案銅工件的平坦化加工;分別使用6mm直徑電極進(jìn)行了動態(tài)拋光和使用50mm直徑電極進(jìn)行了靜態(tài)以及動態(tài)拋光，從而研究了大面積電致化學(xué)拋光的可行性，由加工結(jié)果可知通過小面積電極的動態(tài)加工可實(shí)現(xiàn)大面積銅工件的拋光。同時針對50mm平面間均勻間隙控制和超光滑電極制備的難題，提出了基于靜壓液浮的間隙控制方法，研制了一套基于靜壓液浮的試驗(yàn)平臺，最終實(shí)現(xiàn)了在靜態(tài)以及動態(tài)狀況下50mm直徑