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硬脆材料的摩擦电化学研抛方法
    技术领域：

    本发明是对传统抛光技术的改进，具体涉及一种对陶瓷及金属进行抛光的摩擦电化学方法。

    背景技术：

    在微电子工业领域，以大规模集成电路(LSI)为主的电子元件所用的材料因具有不同的机械、电、热、光学、化学等特殊性能而获得重视，如：用作芯片材料的半导体硅、锗、砷化镓晶体，以及常用作基片的氮化硅、氧化铝陶瓷材料和碳化硅、立方氮化硼、金刚石等材料，此类微电子材料硬且脆，加工性极差。而为保证微电子元件的性能，必须首先获得无加工变质层、无表面损伤的超精研抛的基材表面。此外，在国防及航天领域，由于氮化硅陶瓷材料具有强度/质量比高、硬度大、耐磨性及抗蚀性好等优点，可望在高真空、超高低温，以及高速、重载等苛刻环境和工况下得到应用。但此类硬脆非金属材料的难加工性及由此带来的高费用制约了其广泛应用。上述硬脆材料地超精密加工难度大，因此对该类材料的高效研磨抛光(研抛)已引起研究者的普遍关注，出现了许多新型精密研抛方法。如通过外加能束增强(“场助”)磨粒机械作用的“磁性研磨”和“磁流体研磨”、“超声振动研磨”及“弹性发射加工”(冲蚀)法。这些基于游离磨粒与工件表面的机械微切削作用的加工方法，表面质量较难得到保证。为获得超精表面，可采用减小材料所受的机械应力场大小的非接触“悬浮研抛”和使用不含游离磨粒而仅靠研磨剂与被加工材料的化学(腐蚀)作用的“液面研抛”，但上述方法效率低。研抛系统作为一典型的摩擦学系统，其实质是利用摩擦学原理促进被加工件的磨损进程及获得理想表面。为提高加工效率和表面质量，可从增强机械作用、增大工件界面与液体的化学活性两种方法同时入手。磨粒的机械微切削作用不仅直接使工件磨损，同时该机械作用所释放的能量(热能、外电子发射等)及所形成的新鲜表面的催化作用又促进表面化学反应的进行。由于机械作用和化学作用相互促进，其加工效率比机械研磨可提高数倍至数十倍，而且由于化学作用，还可加工出无变质层的表面。目前，基于该原理的“化学机械研抛法(CMP，参见图1)”成为半导体芯片的超精加工的关键技术，广泛地应用于半导体材料、压电材料、集成电路(IC)芯片用介电材料和导电互连材料的表面平坦化。但应指出，上述含有游离磨粒作用的加工方法因磨粒运动的不定性、可靠性不足而难以保证表面质量。随着IC行业技术的不断发展，人们在不断完善CMP技术的同时也在探索新的全抛与局部平坦化技术。其中摩擦化学研抛技术前景看好。该技术在研磨剂中不使用游离磨粒(因而可避免机械刮削作用)，而是靠研抛液的化学溶解作用及研具与工件接触处的摩擦催(活)化效应使微峰接触体优先溶解，最终得到无缺欠且低残余应力的极光滑表面(表面粗糙度仅数个纳米)。摩擦化学研抛主要用于对Si3N4和SiC的表面抛光和平坦化。“摩擦电化学”是摩擦学研究的新方向，主要是应用电化学手段研究电场或电势对系统摩擦磨损特性的影响规律及机理，并探索其可控制性。目前，这方面的研究已由针对水溶性电解质润滑系统扩展至非水溶性、非极性介质(电导率低)润滑系统的研究；拓展了许多电化学测试技术，并用于研究各种添加剂和固体表面的相互作用性质及其动力学反应过程。摩擦电化学除用于研究金属的腐蚀磨损和减摩耐磨技术外，还是许多现有涉电加工技术(如电化学磨削、电解加工、电抛光及ELID)的理论基础。该理论的深入研究不仅可望促进加工的高效化，而且可实现涉电加工质量的在线控制。

    发明内容：

    本发明的目的是提供一种硬脆材料的摩擦电化学研抛方法，由于陶瓷及金属均可进行抛光，该方法为集成电路金属镶嵌结构平整化加工提供了有力支持，可望取代传统CMP技术。本发明是这样对硬脆材料进行摩擦电化学研抛的：将需要进行抛光处理的硬脆材料固定在抛光机的夹具下端，硬脆材料的被抛光面与研磨盘表面形成摩擦副，摩擦副在不含磨料的液体介质下相互对磨，摩擦的同时对摩擦副施加外电场。本发明材料去除过程是通过摩擦化学机理实现的，摩擦化学指伴随摩擦而产生的对化学反应的活化及催化，陶瓷及金属与一固体表面在不含磨料的液体介质下相互对磨，而液体介质仅对有摩擦作用下的所选陶瓷或金属起化学作用。所选陶瓷包括任何非化学极稳定状态下的陶瓷，例如硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅、碳化钛或氮化铝。所选金属指任何不形成更强更稳定表面层的金属，如金属钨。固体表面(研磨盘表面)指能与被抛光材料对磨时能产生足够摩擦的表面，如抛光陶瓷时可用铸铁和钢等金属。不含磨料的液体介质指在有摩擦时才与被研抛表面或固体研具表面发生化学反应的液体，包括水、双氧水、铬酸、含铬化合物液体中的一种或几种。本发明使用金属基研具和不含游离磨料的研磨剂，通过摩擦微峰溶解机理抛光表面。在对外加电对试件及研具表面电化学作用机理研究的基础上，进一步考虑通过辅助电极在金属研具/陶瓷研抛系统中施加适当弱电压，使研具表面及研抛陶瓷表面的摩擦化学过程经受可控电场的影响，从中优化得出高效研抛方案。发明提出的针对所选陶瓷及金属抛光的摩擦电化学研抛方法不同于化学机械抛光(CMP)之处主要有三点：第一，所提方法不使用磨料、含有磨料的液浆或其他靠机械力去除材料的手段，不依靠磨削、切削、层剥离及粘着磨损等机理去除表面材料；第二，本发明在传统研抛系统中施加适当控制电势，如图2所示；第三，本发明采用金属研磨盘；相应优点如下：1、本发明较现有含磨料技术相比，可避免磨粒去除法不可避免会带来的机械缺陷如裂纹、划痕等缺陷，从而使材料强度和疲劳寿命提高；2、材料的去除只发生在实际表面凸峰接触处的摩擦点，研磨盘采用金属材料制成，可避免CMP软磨盘引起的表面塌陷(dishing)，更有利于全局平坦化；3、在金属/半导体摩擦副间施加外电场可在接触面间产生很强的静电吸附作用，使其相对运动时产生的摩擦剪切力增大(Johnson-Rahbek effect，电致摩擦效应)，摩擦力的增加使表面剪切应力增大，并使剪应力场趋于表面，亚表层内应力降低，有助于提高加工效率和表面质量；4、采用适当加压方式可使金属研磨盘表面形成硬质钝化层，从而提高陶瓷等材料的研抛效率；5、本发明可通过对现有抛光机进行少许改进即可实现，简单易行。

    附图说明：

    图1为传统平面CMP抛光要素及其运动原理示意图，图2为摩擦电化学研抛加电示意图，图3为摩擦电化学研抛方法应用示例图。

    具体实施方式：

    具体实施方式一：本实施方式是这样对硬脆材料进行摩擦电化学研抛的：将需要进行抛光处理的硬脆材料固定在抛光机的夹具下端，硬脆材料的被抛光面与研磨盘表面形成摩擦副，摩擦副在不含磨料的液体介质下相互对磨，摩擦的同时对摩擦副施加外电场。所述外电场是通过在研磨盘与辅助电极间施加弱电压形成的。

    具体实施方式二：本实施方式是这样对硬脆材料进行摩擦电化学研抛的：将需要进行抛光处理的Si3N4固定在抛光机的夹具下端，铸铁/Si3N4在研磨剂下相互对磨，其中研磨剂为自制水基介质，其组成(质量份数)为：水∶亚硝酸钠∶碳酸钠∶磷酸钠∶硼砂＝495∶1.25∶1.25∶1.25∶1.25，采用石墨作为辅助电极，辅助电极悬置于研磨盘上面2mm左右，在研磨盘与辅助电极间所加电压控制在4V以下，所加载荷及速度等工况参数应控制使摩擦副处于边界或混合摩擦状态下(摩擦系数控制在0.1～0.5之间)。摩擦电化学研抛获得了光滑的Si3N4研抛表面(表面粗糙度低至2nm，参见图3)。加电大小和方式对研抛效率和质量有明显的影响：对金属盘施加正向电压可使Si3N4去除率有明显增大，摩擦系数略微增加；施加反向电压可使摩擦系数及Si3N4去除率有明显减小。上述Si3N4研抛的电摩擦效应是通过外加电压影响研磨盘的钝化反应以及Si3N4的氧化和水解反应综合实现的。