硬盘盘片化学机械抛光材料去除机理的研究

摘要

在计算机硬盘技术中，随着硬盘存储器容量及存储密度的快速上升，对磁头磁盘的表面质量要求也越来越高，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是目前唯一对磁头磁盘表面进行全局平面化的最有效的技术，在实践中已经得到了广泛应用。CMP技术是化学腐蚀作用和机械磨损作用相互结合的技术，CMP过程的精确控制在很大程度上取决于对其材料去除机理的认识和理解，但是目前对CMP的材料去除机理、材料去除非均匀性形成机理、CMP过程变量和技术等方面的许多问题还没有完全弄清楚，在很大程度上人们还是依赖于经验或半经验的手段控制CMP过程。 本文简介了CMP技术的基本工作原理及研究现状，着重介绍了CMP的材料去除机理，根据CMP系统各变量对CMP材料去除的作用性质及使用的理论对CMP的材料去除机理从机械作用和化学作用两方面分别进行研究。对CMP过程中机械作用的研究主要通过分析抛光垫、研磨颗粒和被抛光表面两两之间的接触情况，建立了抛光垫凸起的变形分别为塑性变形和弹性变形时CMP机械作用的去除模型，并用MATLAB软件对该模型进行模拟获得了抛光压力、抛光垫与被抛光工件间的相对运动速度及抛光液中的颗粒浓度三个过程变量对CMP材料去除速率的影响。对CMP过程中化学作用的研究着重研究了CMP的抛光工具为轨道工具时CMP化学去除速率的影响因素，通过分析CMP化学作用去除模型中抛光垫与被抛光工件的相对运动关系以及抛光液的流动规律，得出了相对运动速度随被抛光表面半径及抛光垫轨道速度的变化关系、抛光垫表面上液体压力的分布情况及化学物质氨基乙酸的浓度分布情况，并在此基础上重点分析了氨基乙酸浓度和抛光垫的轨道速度两个变量对化学去除速率的影响；最后在该化学去除模型中综合考虑机械去除作用，简单分析了机械作用与化学作用的相互作用对CMP总的材料去除速率的影响。 本文的研究成果将为提高硬盘表面加工质量，精确控制CMP过程及其终点检测提供重要的理论依据，使CMP过程更加稳定且易于实现自动化控制。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 CMP技术的应用与发展

1.1.1 CMP技术的基本原理

1.1.2 CMP技术的特点

1.1.3 CMP技术的三大要素

1.1.4 CMP过程的输入输出变量

1.1.5 CMP的抛光工具

1.2 CMP技术的研究现状

1.3课题来源、意义及研究内容

1.3.1课题来源与意义

1.3.2研究内容

第2章CMP材料去除机理的基本理论

2.1 CMP材料去除机理的研究现状

2.2 CMP材料去除模型的分类

2.3 CMP材料去除机理的相关理论

2.3.1机械接触理论

2.3.2普列斯顿方程

2.4 CMP材料去除机理的典型模型

2.4.1 Luo和Dornfeld的模型

2.4.2 Ahmadi和Xia模型

2.5本章小结

第3章CMP中机械作用去除机理的研究

3.1实际CMP过程中材料去除速率的测量方法

3.2机械去除模型

3.3硬盘盘片和抛光垫之间的接触

3.3.1弹性模型和塑性模型

3.3.2弹性变形和塑性变形时接触面积和压力

3.4单位时间内单个研磨颗粒的材料去除速率

3.5与硬盘盘片实际接触的抛光垫表面研磨颗粒的浓度

3.6总的材料去除速率

3.7机械去除速率的模拟结果

3.7.1去除速率模型合理性的验证

3.7.2 CMP过程变量对材料去除速率的影响

3.8本章小结

第4章CMP中化学作用去除机理的研究

4.1旋转工具和轨道工具

4.1.1抛光液的传输系统

4.1.2被抛光芯片和抛光垫间的相对位置

4.1.3抛光垫

4.2实际CMP中芯片表面上铜反应层厚度的测量方法

4.3化学去除模型

4.3.1被抛光芯片和抛光垫的相对运动

4.3.2化学去除速率相关概念

4.3.3芯片表面铜的化学反应机理

4.3.4抛光垫表面上抛光液的压力分布及抛光垫槽内抛光液的流动速度

4.3.5抛光垫表面上氨基乙酸的浓度分布

4.4总的材料去除速率

4.5本章小结

第5章总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况