原液高濃度Zeta電位分析儀用于化學機械拋光（CMP）過程中顆粒電荷對材料去除率影響的檢測

在宏觀尺度長度下，拋光過程中的材料去除率（dh/dt）被普雷斯頓方程描述為：dh/dt=kpσoVr，其中kp是普雷斯頓系數(shù)，σo是施加的壓力，Vr是拋光顆粒相對于工件表面的平均速度。然而，光學拋光過程涉及工件、漿料和搭接之間在多個尺度長度上的一系列復雜的相互作用。因此，普雷斯頓系數(shù)代表了眾多拋光參數(shù)的集合，包括工件材料、漿料顆粒組成、漿料粒度分布（PSD）、漿料化學、焊盤形貌和焊盤機械性能。這些相互作用及其對工件光學性能的影響一直是化學機械平面化（CMP）和光學制造工藝的一個研究領域。

拋開這些參數(shù)和相互作用不談，宏觀材料去除率和表面粗糙度基本上與單個漿料顆粒去除的材料量有關。圖1說明了在拋光過程中可能發(fā)生的各種單顆粒去除機制，包括化學溶解、納米塑料去除和化學反應。目前已經(jīng)提出的各種去除機制，其效果或特征主要屬于圖1所示的類別。由于化學溶解本身不能提供控制工件形狀的手段，通常并不這樣做。因此，拋光通常由納米塑料或化學反應去除機制決定。

圖1磨削和拋光過程中工件表面的各種去除機制。

基于各種去除機制，目前已經(jīng)提出了許多微觀模型來描述宏觀材料速率，例如利用接觸力學溫度和非牛頓漿料流動。在這里，我們利用最近制定的普雷斯頓材料去除率方程的微觀形式來說明隔離控制材料去除的各種因素的策略。該模型被稱為集成赫茲多間隙（EHMG）模型，基于赫茲力學，該模型考慮了工件-搭接界面處每個單個粒子通過納米塑料或化學反應的去除。使用該公式，去除率方程表示為：

其中，Nt是工件-焊盤界面處顆粒的面數(shù)密度，fr是PSD中活性顆粒的分數(shù)，fA是與工件接觸的焊盤面積的分數(shù)，fL是顆粒所承受的施加載荷的分數(shù)，fp是導致納米塑性去除的活性顆粒的分率，dp是納米塑性機制的平均去除深度，ap是導致納米塑料去除的顆粒的平均接觸區(qū)半徑，fm是導致化學反應的活性顆粒的分數(shù)，dm是與化學反應相關的平均去除深度，am是導致化學化學反應的顆粒的均勻接觸區(qū)半徑。如果拋光由納米塑料機制主導，括號內(nèi)的第一項將占主導地位;類似地，如果去除是由化學反應機制主導的，括號中的第二項將占主導地位。Nt fr fA fL表示與工件-搭接界面上粒子集合相關的接觸力學。之前的實驗數(shù)據(jù)表明，這一公式受到諸如漿料PSD和濃度、墊塊的機械和地形特性以及施加壓力等因素的定量影響。

對于化學反應去除機制，最近提出了被廣泛接受的反應途徑，其中玻璃氧化物工件和漿料顆粒之間先發(fā)生縮合反應，然后是近表面工件的水解反應。在一般形式下，這些反應由下式給出：

其中Mwp是工件的金屬原子（例如，Si表示SiO2，Al表示Al2O3），Mp是拋光顆粒的金屬原子，例如，Ce表示CeO2。注意在水解鍵斷裂步驟中，提出了相對鍵強影響是否從工件、界面鍵或顆粒上發(fā)生去除。Hos-hino等人后來提出，水解步驟可能涉及去除二氧化硅簇，模糊了納米塑料去除和化學去除之間的界限。

Cook還提出，材料去除率由漿液顆粒通過凝結與工件表面部分結合的速率決定。此外，Cook認為這種凝結反應的速率與拋光粒子的等電點(IEP)有關。對于拋光硅酸鹽玻璃的具體情況，當拋光漿顆粒的等電點(IEP)為7時，使用不同拋光漿化合物的相對材料去除率最大，例如CeO2。漿料顆粒的iep值越低或越高，去除率越低。經(jīng)驗上，影響物料去除率的反應速率因子描述為:

其中Esbs為單鍵強度，IEPs為漿料顆粒的等電點。后來，Osseo提出，可以通過調(diào)節(jié)漿液pH值來優(yōu)化各種拋光化合物的材料去除率。

此外，有人提出當工件表面電荷為凈負電荷，而顆粒表面電荷基本為中性時，縮合反應速率反應更有利。對于用CeO2 (IEP = 7)拋光(IEP = 2)的硅玻璃，料漿pH = 7的具體情況，式(3)的縮合反應為:

然而，從膠體穩(wěn)定性的角度來看，將漿料保持在其IEP附近會導致團聚，通常會導致有害影響，例如刮擦或拋光工件的粗糙度增加。溶膠-凝膠科學文獻中可以找到更大的凈表面電荷導致冷凝速率提高的進一步證據(jù)。例如，對于硅醇氧化合物，當pH值高于或低于SiO2的IEP (IEP = 2)時，凝結速率(測量為凝膠時間的倒數(shù))急劇增加，在那里它將有一個增加的凈表面電荷(或負或正)。

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