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化学抛光液的组成成分及其在化学机械抛光中的作用

文章附图

化学机械抛光已成为公认的纳米级精密超精密加工技术。它是一个动态的微细加工过程,在该过程中,化学抛光液中的组成成分与工件发生反应,在工件加工表面形成一层很薄、结合力较弱的生成物;而抛光液中磨粒在压力和摩擦作用下对工件表面进行微量去除。此外,抛光过程化学抛光液还通过在抛光区域形成流体膜以及带动磨粒在抛光区运动影响抛光过程。所以,化学抛光液在化学机械抛光过程中,在很大程度上决定着化学机械抛光能获得的抛光表面质量和抛光效率。

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化学机械抛光液一般由去离子水、磨料、ph值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂组成,根据ph值不同,分为酸性和碱性。


化学抛光液及其组分的作用


1 磨料


磨料在抛光过程中主要通过微切削、微划擦、滚压等方式作用于工件被加工表面,去除表面材料。最理想的化学机械抛光过程是磨料的机械去除表面材料厚度等于化学反应生成物层厚度,此时,磨粒只需较小的机械作用去除结合力较弱的化学反应层的生成物,可减少或避免抛光表面缺陷。磨料的硬度、粒径、形状及其在抛 光液中的质量浓度等综合因素决定了磨粒的去除行为和能力。


磨料相对工件的硬度对磨料的作用机制有着重要影响。当磨粒硬度相对工件太大时,在抛光压力作用下很容易导致磨粒嵌入工件表面,在抛光表面残留 划 痕、磨蚀坑;磨粒硬度相对于工件太小时,又会延长加工时间。研究表明抛光过程中纳米磨料所发生的自身变形量与磨料的硬度成反比,硬度低的纳米磨料由于自身变形量大,其切入工件的深度小,工件抛光表面粗糙度低。


磨料在粒径大小可影响到磨粒的压强及其切入工件的深度。一般来说,在抛光过程中,粒径大的磨粒压强大,机械去除作用较强,材料去除率较高。所以粒径较大的磨粒容易在抛光表面产生较大的残留划痕甚至残留裂纹;而粒径较小的磨粒可获得较好的抛光表面质量。另外在磨粒直径相同的情况下,球形磨粒比表 面不平的磨粒去除效率更高。


2 ph值调节剂


抛光液中常常添加一些化学试剂用于调节抛光液的ph值,以保证抛光过程化学反应的进行,化学机械抛光抛光液一般分为酸性和碱性两大类。


酸性抛光液最早是由化学腐蚀液改进而来的,具有溶解性强、氧化剂选择范 围大、抛光效率高等优点,常用于金属材料的抛光。酸性抛光液的ph值一般为4左右,可通过加入有机酸作为ph调节剂。其缺点是腐蚀性强,对抛光设备要求高 ,选择性较低,但是可加入抗蚀剂苯并三唑来提高其选择性,不过bta的引入会影响抛光液的稳定性。

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碱性抛光液具有选择性高、腐蚀性弱等优点,一般用于非金属材料的抛光。 碱性抛光液的ph值往往在10~11.5范围内,常采用添加无机碱作为ph值调节剂,但其不足之处是在碱性溶液中很难找到氧化性强的氧化剂,因而抛光效率很低


3 氧化剂


在抛光过程中,为了能够较快地在抛光表面形成一层结合力弱的氧化膜,有利于后续的机械去除,常常会在抛光液中添加氧化剂。在氧化剂的氧化腐蚀和磨料的研磨共同作用下,被加工表面可达到高质量的全局平坦化效果。


不同的氧化剂对工件的氧化效果不同。一般来说,双氧水在抛光液中不能稳定地存在,但添加氯化亚铁可增强其稳定性;二氧化锰作为氧化剂的抛光效果最差,高锰酸钾的最好。


氧化剂的浓度也会对抛光效果产生影响。氧化剂浓度增加,氧化膜厚度会变大,材料的去除率反而会减少。


4 分散剂


一般来说,对抛光液的基本要求是磨粒均匀地悬浮分散在抛光液中,且具有 足够的分布稳定性。所以在抛光之前有必要对抛光液进行过滤,滤掉磨料聚集产生的微量大尺寸磨料颗粒。然而,过滤并不能全部消除这种聚集现象,因为在抛光的实际过程中,工艺参数的变化会导致磨料的软聚集,从而影响工件表面的抛光效果。因此,往往需要在抛光液中添加分散剂来提高抛光液的分散稳定性,以减少溶液中磨料粒子团聚。


不同分散剂会对抛光液中磨粒的分散稳定性产生不同的影响;分散剂的质量浓度也会对抛光液的分散稳定性产生影响。


5 表面活性剂

在抛光液中加入合适的表面活性剂,能够改善抛光液的分散稳定性,使分散剂吸附在磨粒的表面,从而改变磨粒的表面性质,增强了颗粒间的排斥作用能。但是表面活性剂的添加量也必须更具实际情况予以控制,否则会是得抛光效率变 差。


6结束语

化学机械过程中,化学反应作用和机械作用相互促进,合理选择磨料、添加ph值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂,使抛光过程中化学作用和机械作用动态一致时,才有可能获得高的材料去除率的同时获得好的抛光表面质量。因此,研究抛光液的组成原则对于合理配制不同材料的抛光液和优化选择抛光工艺参数,对于完善化学机械抛光抛光理论具有重要作用。


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