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

在宏觀(guān)尺度長(cháng)度下，拋光過(guò)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，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(xué)拋光過(guò)程涉及工件、漿料和搭接之間在多個(gè)尺度長(cháng)度上的一系列復雜的相互作用。因此，普雷斯頓系數代表了眾多拋光參數的集合，包括工件材料、漿料顆粒組成、漿料粒度分布（PSD）、漿料化學(xué)、焊盤(pán)形貌和焊盤(pán)機械性能。這些相互作用及其對工件光學(xué)性能的影響一直是化學(xué)機械平面化（CMP）和光學(xué)制造工藝的一個(gè)研究領(lǐng)域。

拋開(kāi)這些參數和相互作用不談，宏觀(guān)材料去除率和表面粗糙度基本上與單個(gè)漿料顆粒去除的材料量有關(guān)。圖1說(shuō)明了在拋光過(guò)程中可能發(fā)生的各種單顆粒去除機制，包括化學(xué)溶解、納米塑料去除和化學(xué)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(lèi)別。由于化學(xué)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(xué)反應去除機制決定。

圖1磨削和拋光過(guò)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(guān)模型來(lái)描述宏觀(guān)材料速率，例如利用接觸力學(xué)溫度和非牛頓漿料流動(dòng)。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(guān)形式來(lái)說(shuō)明隔離控制材料去除的各種因素的策略。該模型被稱(chēng)為集成赫茲多間隙（EHMG）模型，基于赫茲力學(xué)，該模型考慮了工件-搭接界面處每個(gè)單個(gè)粒子通過(guò)納米塑料或化學(xué)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(pán)界面處顆粒的面數密度，fr是PSD中活性顆粒的分數，fA是與工件接觸的焊盤(pán)面積的分數，fL是顆粒所承受的施加載荷的分數，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半徑，fm是導致化學(xué)反應的活性顆粒的分數，dm是與化學(xué)反應相關(guān)的平均去除深度，am是導致化學(xué)化學(xué)反應的顆粒的均勻接觸區半徑。如果拋光由納米塑料機制主導，括號內的第一項將占主導地位;類(lèi)似地，如果去除是由化學(xué)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(guān)的接觸力學(xué)。之前的實(shí)驗數據表明，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(xué)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(lái)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(xué)去除之間的界限。

Cook還提出，材料去除率由漿液顆粒通過(guò)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(diǎn)(IEP)有關(guān)。對于拋光硅酸鹽玻璃的具體情況，當拋光漿顆粒的等電點(diǎn)(IEP)為7時(shí)，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(diǎn)。后來(lái)，Osseo提出，可以通過(guò)調節漿液pH值來(lái)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(shí)，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，從膠體穩定性的角度來(lái)看，將漿料保持在其IEP附近會(huì )導致團聚，通常會(huì )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(xué)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(jìn)一步證據。例如，對于硅醇氧化合物，當pH值高于或低于SiO2的IEP (IEP = 2)時(shí)，凝結速率(測量為凝膠時(shí)間的倒數)急劇增加，在那里它將有一個(gè)增加的凈表面電荷(或負或正)。

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