لتحقيق التشطيبات السطحية عالية الجودة، عمليات التلميع إزالة المواد من سطح قطعة العمل من خلال الآثار المشتركة للعمل الميكانيكي والتفاعلات الكيميائية.هذه العمليات عادة ما تستخدم جزيئات مطحنة دقيقة مع أدوات التلميع الناعمة (مثل الطحالب)، البولي يوريثان، والقماش) ، الحلول الكيميائية، الحقول الكهربائية / المغناطيسية، أو أشعة الجسيمات كطرق مساعدة.
وفقًا لآليات إزالة المواد المختلفة المعنية ، يمكن تصنيف تقنيات التلميع أساسًا إلى:
يزيل التلميع الميكانيكي كمية صغيرة من المواد من سطح القطعة المعدة من خلال التفاعل بين الجسيمات الهشة ووسادة التلميع ، مما ينتج سطحا ناعما.وهي حاليا واحدة من تكنولوجيات التلميع الأكثر استخداما للمكونات البصرية.
يتم توضيح عملية التلميع الميكانيكية التقليدية في الشكل أدناه.
أثناء التلميع الميكانيكي ، يتم الضغط على جزيئات القطع الخشنة في سطح القطعة المعدة تحت الضغط الطبيعي الناتج عن صعوبات وسادة التلميع.كما تتحرك وسادة التلميع بالنسبة لقطعة العمل، تتفاعل جسيمات الحَدَر مع السطح من خلال الاحتكاك والحَرْث والقطع، وبالتالي إزالة المواد من القطعة.
يمكن تقسيم سلوك تشوه المواد السطحية الناجمة عن الجسيمات الهشة إلى ثلاث مراحل:
لأن التلميع الميكانيكي عادة ما يستخدم جسيمات صغيرة من الخشوش وأدوات التلميع الناعمة نسبيا،تتعرض مادة السطح بشكل عام لتشوهات مرنة أو بلاستيكية أثناء عملية التلميع.
من منظور مجهري، تم إنشاء نموذج للتفاعل الميكانيكي بين الجسيمات الهشة وسطح القطعة، كما هو موضح في الشكل (أ).
في هذا النموذج ، يفترض أن الجسيمات الهشة تكون كروية ويتم ضغطها على سطح قطعة العمل تحت الضغط المطبق من قبل صلبات منصة التلميع.
أثناء التلميع الميكانيكي ، يعتمد إزالة المواد بشكل أساسي على عمق التدفق للجزيئات الهشاشة.
هناك عمق حرج للتجاعيد يتوافق مع الانتقال من التشوه المرن إلى التشوه البلاستيكي:
تؤدي أعماق الحفر المختلفة إلى آليات إزالة مختلفة للمواد ، والتي تحدد حالة الارتداء النهائية للسطح المعالج.
كما هو مبين في الشكل (ب):
عندما يصل عمق التدفق إلى المقياس الذري (حوالي 5 Å) ، يخضع سطح القطعة العاملة إلى تشوه مرن فقط. لا يتم إزالة أي ذرات ، ولا يتم إنشاء أي تلف في السطح.
عندما يزداد عمق التجويف إلى حوالي 1015 Å ، تصبح آلية الإزالة المهيمنةإزالة الحراثةتحت تأثير التطويق للجسيمات الهشاشة ، تتراكم ذرات السطح وتشكل مجموعات ذرية ، والتي يتم إزالتها تدريجيا مع تحرك الجسيمات الهشاشة.
يزيد عدد الذرات المحذوفة بنسبة إلى عمق التجويف.
عندما يزيد عمق التدفق إلى حوالي 20 Å ، تتغير آلية إزالة إلىإزالة القطع.
في هذه المرحلة، يتم قطع عدد كبير من ذرات السطح مباشرة بواسطة الجسيمات الهشة، وتشكيل رقائق يتم إزالتها مع حركة الهشة.
أثناء هذه العملية، لا تدفع الجسيمات الهشة وتتراكم الذرات السطحية فحسب، بل تولد أيضاً انتفاضات شديدة حول الخدوش، مما يؤدي إلى زيادة خشونة السطح.
نظرية التلميع الميكانيكية التقليدية تشير إلى أن إزالة المواد لا تحدث خلال مرحلة التشوه المرن.يبدأ إزالة المواد فقط عندما تؤدي الجسيمات الهشة إلى تشوه بلاستيكي من خلال العمل القطع.
ولذلك، فإن التلميع الميكانيكي يقدم حتماً كمية معينة من الأضرار السطحية والجوفية.
في عمليات التلميع الميكانيكية ، يتأثر الضرر السطحي / تحت السطح للمكونات البصرية بشكل قوي بمعلمات العملية ، بما في ذلك:
الشكل (أ) يظهر سطح زجاج BK7 البصري بعد التلميع الميكانيكي.
استخدمت عملية التلميع جزيئات 10 μm من Al2O3 اللاصقة وأداة التلميع. يمكن ملاحظة عيوب الخدوش الكبيرة الناجمة عن الانسحاب الميكانيكي بوضوح على السطح.
يظهر الشكل (ب) الضرر السطحي والسطحي للوفر CdZnTe بعد 30 دقيقة من التلميع الميكانيكي الذي لوحظ بواسطة المجهر الإلكتروني المسح.
استخدمت عملية التلميع جزيئات طلاء Al2O3 2 ′′5 μm مع أداة تلميع لوحة الألومنيوم.
تم رصد خدوش على نطاق ميكرونية ودون ميكرونية على السطح. وكان سمك طبقة الضرر تحت السطح أقل من 1 ميكرو مترا وتتكون أساسا من طبقة البولي بلورية،تشير إلى تلف التشوه البلاستيكي.
التلميع الكيميائي والتلميع الكهروكيميائي يستخدمون تفاعلات كيميائية أو كهروكيميائية لحل المواد من سطح القطعة.
أثناء العملية ، تذوب النتوءات المجهرية على السطح بشكل مفضل مقارنة بالمناطق المتداخلة ، مما يؤدي إلى سطح أكثر سلاسة.
يتضمن التركيب الأساسي لحلول التلميع الكيميائية / الكهروكيميائية عموماً:
وظائف كل عنصر هي كما يلي:
بالنسبة للمواد المختلفة لقطع العمل، يجب اختيار أنظمة محلول التلميع المقابلة وفقا لخصائصها الكيميائية.
نظرًا لأن المواد البصرية تمتلك بشكل عام استقرارًا كيميائيًا ممتازًا ، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى أحماض قوية أو قليلات قوية أو عوامل أكسدة قوية كمواد حفر أثناء التلميع الكيميائي.
على سبيل المثال ، المكونات البصرية المكونة أساسا من SiO2 ، مثل زجاج K9 والسيليكا المنصهر ، تستخدم عادة حمض الفلورية الهيدروكيرية (HF) كمحفر.
التفاعل الكيميائي هو:
يتميز التلميع الكيميائي بتدفق عملية بسيط وتطبيق سهل نسبيًا.
ومع ذلك، فإنه يعاني أيضا من عدة قيود:
ولذلك، من الصعب تلبية متطلبات تصنيع المكونات البصرية فائقة الدقة.
يتم تطبيق التلميع الكهروكيميائي على نطاق واسع في:
التلميع الكهروكيماوي يستخدم الذوبان النيفسي للمعادن لمعالجة السطح.
تعتبر طريقة معالجة خالية من الإجهاد بدون اتصال مع مزايا تشمل:
ومع ذلك ، فإنه يتطلب من المواد المصنعة أن تمتلك موصلات كهربائية جيدة ، مما يجعلها غير مناسبة لمعظم المواد البصرية.
التلميع الكيميائي والكهروكيميائي يزيل المواد من خلال آليات الذوبان.
لأن عملية الإزالة مستقلة عن الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة، الصلابة، والقوةيمكن لهذه الطرق أن تقلل بسرعة من خشونة السطح وتحقيق جودة لطيفة ممتازة.
في الوقت نفسه ، نظرًا لعدم وجود اصطدام ميكانيكي أو عمل قطع ، فإن المعدات المطلوبة عادة ما تكون أبسط وأقل تكلفة مقارنة بأنظمة التلميع الميكانيكية.
ومع ذلك ، فإن تقنيات التلميع الكيميائية / الكهروكيميائية لها أيضًا العديد من القيود:
بسبب الاختلافات في الخصائص الكيميائية بين المواد ، يجب تطوير حلول تلميع مخصصة لمواد مختلفة ، مما يتطلب تحسينًا تجريبيًا واسعًا لمعلمات العملية.
من الصعب تنظيم معدل التفاعل بدقة، مما يجعل من الصعب الحفاظ على دقة الأبعاد والدقة الهندسية.
تتأثر جودة السطح المتحصل عليها بشكل كبير بالبنية الداخلية ونقاء القطعة.
النجاسات والعيوب الهيكلية داخل المادة قد تقلل بشكل كبير من جودة السطح النهائي.
التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) هو تقنية تسطيح السطح التي تجمع بينردود الفعل الكيميائية والتكسر الميكانيكيوقد تم تطبيقه على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات، ومعالجة المكونات البصرية، وتصنيع المواد المتقدمة.
يرتبط تطوير تكنولوجيا CMP ارتباطًا وثيقًا بتقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات. في المراحل الأولى ، اعتمد التلميع بشكل رئيسي على طرق طحن ميكانيكية بحتة ،مثل التشطيب السطحي للزجاج والمعادنومع ذلك، لم تتمكن هذه الأساليب التقليدية من تلبية المتطلبات الصارمة المتزايدة للدقة العالية والتسطيح السطحي على نطاق نانوي.
في الخمسينيات من القرن الماضي، اكتشف الباحثون أن المفاعلات الكيميائية، مثل الأحماض والحلول القلوية، يمكن أن تساعد في إزالة المواد وتقليل الأضرار الميكانيكية.هذا الاكتشاف وضع الأساس لتطوير تكنولوجيا CMP.
في عام 1965، قدمت شركة آي بي إم تكنولوجيا سي إم بي لطلاء رقائق السيليكون لأول مرة. مع التطور السريع للدارات المتكاملة (ICs) ،لم تتمكن عمليات الحفر الجاف التقليدية وأساليب التلميع الميكانيكية بحتة من القضاء بفعالية على الاختلافات في الطوبوغرافية السطحيةونتيجة لذلك، أصبحت CMP تدريجيا تكنولوجيا عملية حاسمة.
ومع ذلك، لا تزال عمليات CMP المبكرة تواجه العديد من التحديات، بما في ذلك:
في عام 1997، أدخلت IBM بنجاح CMP في عمليات طلاء الترابط النحاسي.
يتطلب CMP النحاس التحكم الدقيق في التوازن بين الذوبان الكيميائي والتكسير الميكانيكي لقمع أكسدة النحاس المفرطة وتحقيق إزالة متساوية للمواد.
مع التطور المستمر لتكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات ، أصبحت CMP الحل الوحيد المستقيم للتسطيح عندما دخلت عمليات أشباه الموصلات العقدة التكنولوجية الفرعية 0.25 ميكرو مترا.
وعلاوة على ذلك، فإن إدخال المواد الديولكتريكية منخفضة الكربون يتطلب عمليات CMP أكثر لطافة للحد من الأضرار الميكانيكية والحفاظ على سلامة الهيكل.
تستخدم CMP جزيئات مطحنة ناعمة نسبياً لتحقيق طلاء السطح عالي الجودة.
أثناء عملية CMP ، يتم الضغط على قطعة العمل ضد وسادة التلميع تحت ضغط خاضع للسيطرة وتتحرك نسبياً إلى وسادة التلميع.
من خلال التفاعل التآزري بين الجسيمات الخشنة على نطاق نانوي والمكونات الكيميائية في سماد التلميع ، يصبح سطح قطعة العمل أكثر سلاسة تدريجياً ،كما هو موضح في الشكل أدناه.
يتكون نظام CMP بشكل عام من حامل دوار ولوحة تلميع.
من خلال دورانهم المنسق ، يتم إنشاء مسار حركة نسبي معقد بين اللوحة ووسادة التلميع.
تتضمن الحمأة التي يتم إمدادها باستمرار بواسطة مضخة تنافسية مكونين وظيفيين:
تتضمن آلية إزالة مواد CMP بشكل رئيسي خطوتين متتاليتين:
تتفاعل عوامل الأكسدة مع سطح قطعة العمل وتولد طبقة سطحية معدلة كيميائياً أو مطرية.
الجزيئات الحادة تزيل هذه الطبقة المرنة من خلال التفاعل الميكانيكي.
هذه العملية الدورية تنتج في النهاية سطحًا ناعمًا للغاية مع نضج منخفض للغاية.
تجدر الإشارة إلى أن التوازن بين التأثيرات الكيميائية والميكانيكية في CMP يلعب دورًا حاسمًا في تحديد جودة المعالجة النهائية.
عندما يكون العمل الميكانيكي مهيمن:
عندما تصبح التأثير الكيميائي مفرطاً:
ولذلك، فإن تحسين التفاعل التآزري بين التفاعلات الكيميائية والتكسر الميكانيكي هو العامل الرئيسي لتحسين أداء CMP.
وقد أظهرت الأبحاث أن كثافة التلميع الميكانيكي ومعدل التفاعل الكيميائي تظهر علاقة إيجابية.
يؤثر تأثير الارتباط هذا بشكل مباشر على كفاءة إزالة المواد.
ولذلك، أصبح التحكم الدقيق في تكوين السماد أحد التحديات التكنولوجية الرئيسية في تطوير عمليات CMP المتقدمة.
للحصول على سطح ملمع عالي الجودة ، يجب أن تصل الآثار الكيميائية والميكانيكية أثناء CMP إلى توازن مناسب.
إذا كان العمل الكيميائي يهيمن على العمل الميكانيكي:
قد يحدث.
وعلى العكس، إذا كان العمل الميكانيكي يهيمن:
من المحتمل أن تتشكل.
أثناء معالجة CMP ، فإن معايير العملية لها تأثير كبير على:
طبقاً لمعادلة (بريستون):
حيث:
يحدد ضغط التلميع وسرعة الدوران معًا كفاءة إزالة المواد.
يحدد ضغط التلميع بشكل مباشر إجهاد الاتصال بين وسادة التلميع و سطح الوافر.
زيادة الضغط بشكل عام تحسن الاتصال بين الجسيمات الهشة والحاوية ، وبالتالي زيادة MRR.
لكن الضغط المفرط قد يؤدي إلى:
لذلك، يجب اختيار نطاق ضغط مناسب لتحقيق التوازن بين الكفاءة وجودة السطح.
وتؤثر سرعة الدوران النسبية بين وسادة التلميع والقماش على السلوك الهيدروديناميكي وتوزيع سماد التلميع.
الفرق الكبير في السرعة قد يسبب إزالة الحافة المفرطة، مما يؤدي إلى الظاهرة المعروفة باسمالتدحرج من الحافة.
زيادة سرعة الدوران تعزز قوى القطع الميكانيكية ، والتي قد تحسن كفاءة إزالة المواد.
ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي السرعة المفرطة إلى زيادة درجة الحرارة المحلية (عادة ما تتجاوز 10 درجة مئوية) ، مما يؤدي إلى تغييرات في النشاط الكيميائي للدلو وتؤثر على استقرار التلميع.
معدل تدفق السماد يؤثر على كل من:
وبالإضافة إلى ذلك، من خلال الحمل الحراري، تعمل السمادة كسائل تبريد وتساعد على إبعاد الحرارة التي تولد في الواجهة بين وسادة التلميع والقماش.
ولذلك، فإن تحسين معدل تدفق السماد يساهم في تحسين كفاءة التلميع وجودة السطح.
تعديل مناسب لمعلمات العملية، بما في ذلك:
أمر ضروري لتحقيق عمليات CMP عالية الأداء.
أظهرت الأبحاث أنه في نطاق ضغط مناسب، يزداد MRR تقريبًا بنسب الضغط المطبق.
عند الضغط المنخفض وسرعات تدفق السماد المنخفضة:
زيادة الضغط أو معدل تدفق السماد يمكن أن:
نتيجة لذلك، يزداد MRR.
ومع ذلك ، فإن الضغط المفرط أو معدل تدفق السماد قد يؤدي إلى السيطرة على الكشط الميكانيكي.
على الرغم من أن MRR قد تستمر في الارتفاع ، فقد تزداد خشونة السطح ويمكن أن تظهر عيوب الخدش.
ولذلك، فإن إنشاء توازن ديناميكي بين تفاعلات الأكسدة والإزالة الميكانيكية أمر ضروري لتحقيق أقصى كفاءة في التلميع.
على الرغم من أن CMP يتطلب التحكم الدقيق في معايير العملية مثل:
لا يزال خليط التلميع هو العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على أداء CMP.
وتشمل المكونات الرئيسية للدلو CMP:
هذه المكونات تؤثر بشكل كبير:
تلعب عوامل الأكسدة دورًا حاسمًا في CMP من خلال تعزيز تفاعلات الأكسدة على سطح المادة.
هذه التفاعلات تنتج طبقة أكسيد ناعمة نسبياً، والتي يمكن إزالتها بسهولة عن طريق التآكل الميكانيكي.
عملية الأكسدة تقلل بشكل فعال من القوة الميكانيكية المطلوبة لإزالة المواد وتساعد على تقليل تلف السطح.
قيمة الحموضة للدلو الملمع تؤثر بشكل مباشر:
يمكن التحكم في معدل التفاعل الكيميائي بين السماد والمسطح من خلال ضبط حموضة السماد أو قليته.
تساعد قيمة الحموضة المثلى على تحقيق توازن بين التعديل الكيميائي والإزالة الميكانيكية.
تعمل مواد السطح النشطة كعوامل استقرارية في سماد CMP.
وتشمل وظائفهم الرئيسية:
المواد السطحيّة تمنع:
وبالتالي الحفاظ على توحيد السماد.
تعمل المواد السطحيّة على تقليل التوتر السطحي للدلو، مما يسمح بالانتشار بشكل أفضل على أسطح اللوحات الهيدروفوبية.
هذا يعزز الاتصال بين:
مما يؤدي إلى تحسين توحيد التلميع وكفاءته.
يمكن لمواد السطح النشطة تنظيم معدلات تفاعل السطح أو تشكيل أفلام واقية على السطح.
هذا يساعد على تحقيق التوازن بين التآكل الميكانيكي والتآكل الكيميائي ، وتحسين:
لتحقيق التشطيبات السطحية عالية الجودة، عمليات التلميع إزالة المواد من سطح قطعة العمل من خلال الآثار المشتركة للعمل الميكانيكي والتفاعلات الكيميائية.هذه العمليات عادة ما تستخدم جزيئات مطحنة دقيقة مع أدوات التلميع الناعمة (مثل الطحالب)، البولي يوريثان، والقماش) ، الحلول الكيميائية، الحقول الكهربائية / المغناطيسية، أو أشعة الجسيمات كطرق مساعدة.
وفقًا لآليات إزالة المواد المختلفة المعنية ، يمكن تصنيف تقنيات التلميع أساسًا إلى:
يزيل التلميع الميكانيكي كمية صغيرة من المواد من سطح القطعة المعدة من خلال التفاعل بين الجسيمات الهشة ووسادة التلميع ، مما ينتج سطحا ناعما.وهي حاليا واحدة من تكنولوجيات التلميع الأكثر استخداما للمكونات البصرية.
يتم توضيح عملية التلميع الميكانيكية التقليدية في الشكل أدناه.
أثناء التلميع الميكانيكي ، يتم الضغط على جزيئات القطع الخشنة في سطح القطعة المعدة تحت الضغط الطبيعي الناتج عن صعوبات وسادة التلميع.كما تتحرك وسادة التلميع بالنسبة لقطعة العمل، تتفاعل جسيمات الحَدَر مع السطح من خلال الاحتكاك والحَرْث والقطع، وبالتالي إزالة المواد من القطعة.
يمكن تقسيم سلوك تشوه المواد السطحية الناجمة عن الجسيمات الهشة إلى ثلاث مراحل:
لأن التلميع الميكانيكي عادة ما يستخدم جسيمات صغيرة من الخشوش وأدوات التلميع الناعمة نسبيا،تتعرض مادة السطح بشكل عام لتشوهات مرنة أو بلاستيكية أثناء عملية التلميع.
من منظور مجهري، تم إنشاء نموذج للتفاعل الميكانيكي بين الجسيمات الهشة وسطح القطعة، كما هو موضح في الشكل (أ).
في هذا النموذج ، يفترض أن الجسيمات الهشة تكون كروية ويتم ضغطها على سطح قطعة العمل تحت الضغط المطبق من قبل صلبات منصة التلميع.
أثناء التلميع الميكانيكي ، يعتمد إزالة المواد بشكل أساسي على عمق التدفق للجزيئات الهشاشة.
هناك عمق حرج للتجاعيد يتوافق مع الانتقال من التشوه المرن إلى التشوه البلاستيكي:
تؤدي أعماق الحفر المختلفة إلى آليات إزالة مختلفة للمواد ، والتي تحدد حالة الارتداء النهائية للسطح المعالج.
كما هو مبين في الشكل (ب):
عندما يصل عمق التدفق إلى المقياس الذري (حوالي 5 Å) ، يخضع سطح القطعة العاملة إلى تشوه مرن فقط. لا يتم إزالة أي ذرات ، ولا يتم إنشاء أي تلف في السطح.
عندما يزداد عمق التجويف إلى حوالي 1015 Å ، تصبح آلية الإزالة المهيمنةإزالة الحراثةتحت تأثير التطويق للجسيمات الهشاشة ، تتراكم ذرات السطح وتشكل مجموعات ذرية ، والتي يتم إزالتها تدريجيا مع تحرك الجسيمات الهشاشة.
يزيد عدد الذرات المحذوفة بنسبة إلى عمق التجويف.
عندما يزيد عمق التدفق إلى حوالي 20 Å ، تتغير آلية إزالة إلىإزالة القطع.
في هذه المرحلة، يتم قطع عدد كبير من ذرات السطح مباشرة بواسطة الجسيمات الهشة، وتشكيل رقائق يتم إزالتها مع حركة الهشة.
أثناء هذه العملية، لا تدفع الجسيمات الهشة وتتراكم الذرات السطحية فحسب، بل تولد أيضاً انتفاضات شديدة حول الخدوش، مما يؤدي إلى زيادة خشونة السطح.
نظرية التلميع الميكانيكية التقليدية تشير إلى أن إزالة المواد لا تحدث خلال مرحلة التشوه المرن.يبدأ إزالة المواد فقط عندما تؤدي الجسيمات الهشة إلى تشوه بلاستيكي من خلال العمل القطع.
ولذلك، فإن التلميع الميكانيكي يقدم حتماً كمية معينة من الأضرار السطحية والجوفية.
في عمليات التلميع الميكانيكية ، يتأثر الضرر السطحي / تحت السطح للمكونات البصرية بشكل قوي بمعلمات العملية ، بما في ذلك:
الشكل (أ) يظهر سطح زجاج BK7 البصري بعد التلميع الميكانيكي.
استخدمت عملية التلميع جزيئات 10 μm من Al2O3 اللاصقة وأداة التلميع. يمكن ملاحظة عيوب الخدوش الكبيرة الناجمة عن الانسحاب الميكانيكي بوضوح على السطح.
يظهر الشكل (ب) الضرر السطحي والسطحي للوفر CdZnTe بعد 30 دقيقة من التلميع الميكانيكي الذي لوحظ بواسطة المجهر الإلكتروني المسح.
استخدمت عملية التلميع جزيئات طلاء Al2O3 2 ′′5 μm مع أداة تلميع لوحة الألومنيوم.
تم رصد خدوش على نطاق ميكرونية ودون ميكرونية على السطح. وكان سمك طبقة الضرر تحت السطح أقل من 1 ميكرو مترا وتتكون أساسا من طبقة البولي بلورية،تشير إلى تلف التشوه البلاستيكي.
التلميع الكيميائي والتلميع الكهروكيميائي يستخدمون تفاعلات كيميائية أو كهروكيميائية لحل المواد من سطح القطعة.
أثناء العملية ، تذوب النتوءات المجهرية على السطح بشكل مفضل مقارنة بالمناطق المتداخلة ، مما يؤدي إلى سطح أكثر سلاسة.
يتضمن التركيب الأساسي لحلول التلميع الكيميائية / الكهروكيميائية عموماً:
وظائف كل عنصر هي كما يلي:
بالنسبة للمواد المختلفة لقطع العمل، يجب اختيار أنظمة محلول التلميع المقابلة وفقا لخصائصها الكيميائية.
نظرًا لأن المواد البصرية تمتلك بشكل عام استقرارًا كيميائيًا ممتازًا ، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى أحماض قوية أو قليلات قوية أو عوامل أكسدة قوية كمواد حفر أثناء التلميع الكيميائي.
على سبيل المثال ، المكونات البصرية المكونة أساسا من SiO2 ، مثل زجاج K9 والسيليكا المنصهر ، تستخدم عادة حمض الفلورية الهيدروكيرية (HF) كمحفر.
التفاعل الكيميائي هو:
يتميز التلميع الكيميائي بتدفق عملية بسيط وتطبيق سهل نسبيًا.
ومع ذلك، فإنه يعاني أيضا من عدة قيود:
ولذلك، من الصعب تلبية متطلبات تصنيع المكونات البصرية فائقة الدقة.
يتم تطبيق التلميع الكهروكيميائي على نطاق واسع في:
التلميع الكهروكيماوي يستخدم الذوبان النيفسي للمعادن لمعالجة السطح.
تعتبر طريقة معالجة خالية من الإجهاد بدون اتصال مع مزايا تشمل:
ومع ذلك ، فإنه يتطلب من المواد المصنعة أن تمتلك موصلات كهربائية جيدة ، مما يجعلها غير مناسبة لمعظم المواد البصرية.
التلميع الكيميائي والكهروكيميائي يزيل المواد من خلال آليات الذوبان.
لأن عملية الإزالة مستقلة عن الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة، الصلابة، والقوةيمكن لهذه الطرق أن تقلل بسرعة من خشونة السطح وتحقيق جودة لطيفة ممتازة.
في الوقت نفسه ، نظرًا لعدم وجود اصطدام ميكانيكي أو عمل قطع ، فإن المعدات المطلوبة عادة ما تكون أبسط وأقل تكلفة مقارنة بأنظمة التلميع الميكانيكية.
ومع ذلك ، فإن تقنيات التلميع الكيميائية / الكهروكيميائية لها أيضًا العديد من القيود:
بسبب الاختلافات في الخصائص الكيميائية بين المواد ، يجب تطوير حلول تلميع مخصصة لمواد مختلفة ، مما يتطلب تحسينًا تجريبيًا واسعًا لمعلمات العملية.
من الصعب تنظيم معدل التفاعل بدقة، مما يجعل من الصعب الحفاظ على دقة الأبعاد والدقة الهندسية.
تتأثر جودة السطح المتحصل عليها بشكل كبير بالبنية الداخلية ونقاء القطعة.
النجاسات والعيوب الهيكلية داخل المادة قد تقلل بشكل كبير من جودة السطح النهائي.
التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) هو تقنية تسطيح السطح التي تجمع بينردود الفعل الكيميائية والتكسر الميكانيكيوقد تم تطبيقه على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات، ومعالجة المكونات البصرية، وتصنيع المواد المتقدمة.
يرتبط تطوير تكنولوجيا CMP ارتباطًا وثيقًا بتقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات. في المراحل الأولى ، اعتمد التلميع بشكل رئيسي على طرق طحن ميكانيكية بحتة ،مثل التشطيب السطحي للزجاج والمعادنومع ذلك، لم تتمكن هذه الأساليب التقليدية من تلبية المتطلبات الصارمة المتزايدة للدقة العالية والتسطيح السطحي على نطاق نانوي.
في الخمسينيات من القرن الماضي، اكتشف الباحثون أن المفاعلات الكيميائية، مثل الأحماض والحلول القلوية، يمكن أن تساعد في إزالة المواد وتقليل الأضرار الميكانيكية.هذا الاكتشاف وضع الأساس لتطوير تكنولوجيا CMP.
في عام 1965، قدمت شركة آي بي إم تكنولوجيا سي إم بي لطلاء رقائق السيليكون لأول مرة. مع التطور السريع للدارات المتكاملة (ICs) ،لم تتمكن عمليات الحفر الجاف التقليدية وأساليب التلميع الميكانيكية بحتة من القضاء بفعالية على الاختلافات في الطوبوغرافية السطحيةونتيجة لذلك، أصبحت CMP تدريجيا تكنولوجيا عملية حاسمة.
ومع ذلك، لا تزال عمليات CMP المبكرة تواجه العديد من التحديات، بما في ذلك:
في عام 1997، أدخلت IBM بنجاح CMP في عمليات طلاء الترابط النحاسي.
يتطلب CMP النحاس التحكم الدقيق في التوازن بين الذوبان الكيميائي والتكسير الميكانيكي لقمع أكسدة النحاس المفرطة وتحقيق إزالة متساوية للمواد.
مع التطور المستمر لتكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات ، أصبحت CMP الحل الوحيد المستقيم للتسطيح عندما دخلت عمليات أشباه الموصلات العقدة التكنولوجية الفرعية 0.25 ميكرو مترا.
وعلاوة على ذلك، فإن إدخال المواد الديولكتريكية منخفضة الكربون يتطلب عمليات CMP أكثر لطافة للحد من الأضرار الميكانيكية والحفاظ على سلامة الهيكل.
تستخدم CMP جزيئات مطحنة ناعمة نسبياً لتحقيق طلاء السطح عالي الجودة.
أثناء عملية CMP ، يتم الضغط على قطعة العمل ضد وسادة التلميع تحت ضغط خاضع للسيطرة وتتحرك نسبياً إلى وسادة التلميع.
من خلال التفاعل التآزري بين الجسيمات الخشنة على نطاق نانوي والمكونات الكيميائية في سماد التلميع ، يصبح سطح قطعة العمل أكثر سلاسة تدريجياً ،كما هو موضح في الشكل أدناه.
يتكون نظام CMP بشكل عام من حامل دوار ولوحة تلميع.
من خلال دورانهم المنسق ، يتم إنشاء مسار حركة نسبي معقد بين اللوحة ووسادة التلميع.
تتضمن الحمأة التي يتم إمدادها باستمرار بواسطة مضخة تنافسية مكونين وظيفيين:
تتضمن آلية إزالة مواد CMP بشكل رئيسي خطوتين متتاليتين:
تتفاعل عوامل الأكسدة مع سطح قطعة العمل وتولد طبقة سطحية معدلة كيميائياً أو مطرية.
الجزيئات الحادة تزيل هذه الطبقة المرنة من خلال التفاعل الميكانيكي.
هذه العملية الدورية تنتج في النهاية سطحًا ناعمًا للغاية مع نضج منخفض للغاية.
تجدر الإشارة إلى أن التوازن بين التأثيرات الكيميائية والميكانيكية في CMP يلعب دورًا حاسمًا في تحديد جودة المعالجة النهائية.
عندما يكون العمل الميكانيكي مهيمن:
عندما تصبح التأثير الكيميائي مفرطاً:
ولذلك، فإن تحسين التفاعل التآزري بين التفاعلات الكيميائية والتكسر الميكانيكي هو العامل الرئيسي لتحسين أداء CMP.
وقد أظهرت الأبحاث أن كثافة التلميع الميكانيكي ومعدل التفاعل الكيميائي تظهر علاقة إيجابية.
يؤثر تأثير الارتباط هذا بشكل مباشر على كفاءة إزالة المواد.
ولذلك، أصبح التحكم الدقيق في تكوين السماد أحد التحديات التكنولوجية الرئيسية في تطوير عمليات CMP المتقدمة.
للحصول على سطح ملمع عالي الجودة ، يجب أن تصل الآثار الكيميائية والميكانيكية أثناء CMP إلى توازن مناسب.
إذا كان العمل الكيميائي يهيمن على العمل الميكانيكي:
قد يحدث.
وعلى العكس، إذا كان العمل الميكانيكي يهيمن:
من المحتمل أن تتشكل.
أثناء معالجة CMP ، فإن معايير العملية لها تأثير كبير على:
طبقاً لمعادلة (بريستون):
حيث:
يحدد ضغط التلميع وسرعة الدوران معًا كفاءة إزالة المواد.
يحدد ضغط التلميع بشكل مباشر إجهاد الاتصال بين وسادة التلميع و سطح الوافر.
زيادة الضغط بشكل عام تحسن الاتصال بين الجسيمات الهشة والحاوية ، وبالتالي زيادة MRR.
لكن الضغط المفرط قد يؤدي إلى:
لذلك، يجب اختيار نطاق ضغط مناسب لتحقيق التوازن بين الكفاءة وجودة السطح.
وتؤثر سرعة الدوران النسبية بين وسادة التلميع والقماش على السلوك الهيدروديناميكي وتوزيع سماد التلميع.
الفرق الكبير في السرعة قد يسبب إزالة الحافة المفرطة، مما يؤدي إلى الظاهرة المعروفة باسمالتدحرج من الحافة.
زيادة سرعة الدوران تعزز قوى القطع الميكانيكية ، والتي قد تحسن كفاءة إزالة المواد.
ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي السرعة المفرطة إلى زيادة درجة الحرارة المحلية (عادة ما تتجاوز 10 درجة مئوية) ، مما يؤدي إلى تغييرات في النشاط الكيميائي للدلو وتؤثر على استقرار التلميع.
معدل تدفق السماد يؤثر على كل من:
وبالإضافة إلى ذلك، من خلال الحمل الحراري، تعمل السمادة كسائل تبريد وتساعد على إبعاد الحرارة التي تولد في الواجهة بين وسادة التلميع والقماش.
ولذلك، فإن تحسين معدل تدفق السماد يساهم في تحسين كفاءة التلميع وجودة السطح.
تعديل مناسب لمعلمات العملية، بما في ذلك:
أمر ضروري لتحقيق عمليات CMP عالية الأداء.
أظهرت الأبحاث أنه في نطاق ضغط مناسب، يزداد MRR تقريبًا بنسب الضغط المطبق.
عند الضغط المنخفض وسرعات تدفق السماد المنخفضة:
زيادة الضغط أو معدل تدفق السماد يمكن أن:
نتيجة لذلك، يزداد MRR.
ومع ذلك ، فإن الضغط المفرط أو معدل تدفق السماد قد يؤدي إلى السيطرة على الكشط الميكانيكي.
على الرغم من أن MRR قد تستمر في الارتفاع ، فقد تزداد خشونة السطح ويمكن أن تظهر عيوب الخدش.
ولذلك، فإن إنشاء توازن ديناميكي بين تفاعلات الأكسدة والإزالة الميكانيكية أمر ضروري لتحقيق أقصى كفاءة في التلميع.
على الرغم من أن CMP يتطلب التحكم الدقيق في معايير العملية مثل:
لا يزال خليط التلميع هو العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على أداء CMP.
وتشمل المكونات الرئيسية للدلو CMP:
هذه المكونات تؤثر بشكل كبير:
تلعب عوامل الأكسدة دورًا حاسمًا في CMP من خلال تعزيز تفاعلات الأكسدة على سطح المادة.
هذه التفاعلات تنتج طبقة أكسيد ناعمة نسبياً، والتي يمكن إزالتها بسهولة عن طريق التآكل الميكانيكي.
عملية الأكسدة تقلل بشكل فعال من القوة الميكانيكية المطلوبة لإزالة المواد وتساعد على تقليل تلف السطح.
قيمة الحموضة للدلو الملمع تؤثر بشكل مباشر:
يمكن التحكم في معدل التفاعل الكيميائي بين السماد والمسطح من خلال ضبط حموضة السماد أو قليته.
تساعد قيمة الحموضة المثلى على تحقيق توازن بين التعديل الكيميائي والإزالة الميكانيكية.
تعمل مواد السطح النشطة كعوامل استقرارية في سماد CMP.
وتشمل وظائفهم الرئيسية:
المواد السطحيّة تمنع:
وبالتالي الحفاظ على توحيد السماد.
تعمل المواد السطحيّة على تقليل التوتر السطحي للدلو، مما يسمح بالانتشار بشكل أفضل على أسطح اللوحات الهيدروفوبية.
هذا يعزز الاتصال بين:
مما يؤدي إلى تحسين توحيد التلميع وكفاءته.
يمكن لمواد السطح النشطة تنظيم معدلات تفاعل السطح أو تشكيل أفلام واقية على السطح.
هذا يساعد على تحقيق التوازن بين التآكل الميكانيكي والتآكل الكيميائي ، وتحسين:
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
हिन्दी
Türkçe
indonesia
tiếng Việt
ไทย
বাংলা
فارسی
polski