Исследование процесса химико-механического полирования деталей и узлов микросистемной техники Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

электронное научно-техническое издание

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-0408

77-30569/240810 Исследование процесса химико-механического полирования деталей и узлов микросистемной техники

# 10, октябрь 2011 автор: Холевин В. В.

Исследование процесса химико-механического полирования деталей и узлов микросистемной техники УДК 621.923

МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected]

Исследование процесса химико-механического полирования деталей и узлов микросистемной техники

Современный этап создания новых микроэлектромеханических систем (МЭМС) характеризуется постоянно возрастающим интересом к разработке новых методов и средств планаризации поверхности.

Основная задача, стоящая перед изготовителями МЭМС - это интеграция миниатюрных электромеханических систем и микроэлектронных схем, обрабатывающих сигналы сенсорных устройств и формирующих сигналы управления.

В электронной промышленности в течении многих лет были разработаны различные методы интеграции электронных схем: гибридная интеграция с использованием обычных проводных соединений и крепления отдельных кристаллов на общую подложку и монолитная интеграция. Монолитная интеграция обеспечивает более высокую степень интеграции по сравнению с гибридной, но она стоит дороже вследствие повышенной стоимости технологии.

В технологии изготовления МЭМС-устройств, также как и в технологии микроэлектроники основным методом планаризации является химико-механическое полирование (ХМП), однако, требования к процессам планаризации устройств микросистемной техники и микроэлектронных устройств (МЭУ) существенно отличаются.

Основное отличие процесса планаризации МЭМС-устройств состоит в том, что на одной обрабатываемой поверхности могут располагаться элементы с размерами, отличающимися на два порядка.

В то же время для большинства обрабатываемых поверхностей характерны значительные перепады высоты исходного микрорельефа, кроме того, обрабатываемая поверхность может иметь участок из различных материалов, существенно отличающихся по физико-механическим свойствам.

В целях обеспечения жестких требований к поверхности пластины (отклонение от плоскостности <5мкм, шероховатость <10Ä) необходимо разработать методику расчета распределения величин износа по обрабатываемой поверхности пластины в процессе обработки методами ХМП.

Очевидно, что при полировании ожидаемая форма обрабатываемой поверхности будет полностью определена, если известна форма исходной поверхности и распределение величин линейного износа по обрабатываемой поверхности. Однако, непосредственное определение величин линейного износа расчетным путем осложняется многообразием факторов, влияющие на скорость изнашивания обрабатываемой поверхности при механическом или химико-механическом полировании. При решении задачи формообразования целесообразно разбить факторы, влияющие на скорость изнашивания обрабатываемой поверхности, на две группы.

В первую группу включаются постоянные факторы, значения которых одинаковы во всех точках обрабатываемой поверхности и предполагаются неизменными в течение всего временя обработки, например, физико-механические свойства обрабатываемого материала и материала инструмента, род и зернистость абразивной составляющей суспензии, состав и химическая активность жидкой фазы абразивной суспензии и др.

Во вторую группу входят факторы, являющиеся функциями времени и координат (или только координат) произвольной точки «¡обрабатываемой поверхности, например, величина скорости точки at относительно поверхности инструмента, величина давления, плотность абразивной и химически активной среды, температура и т.п.

Выражение для скорости изнашивания обрабатываемой поверхности может быть представлено в форме математической модели, получившей широкое распространение в теории резания:

(И

- ^д^ ^ * ^

(1)

где - скорость абразивного изнашивания, мкм/с; к0 - постоянный коэффициент; Ль Л2,..., Лп - факторы второй группы; т1, ш2,..., тп- показатель степени.

После экспериментального определения величин к0, т!, т2,..., тп величина износа в точке а; за время обработки может быть вычислена путем интегрирования выражения (1):

(2)

Расчет распределения величин линейного износа по обрабатываемой поверхности в некоторых случаях существенно облегчается, если известна или задана величина линейного износа хотя бы в одной точке обрабатываемой поверхности.

Например, можно подобрать время обработки Т таким образом, чтобы величина износа в некоторой избранной точке а1 была определенной (ЦД Тогда для расчета распределения величин линейного износа по обрабатываемой поверхности достаточно провести

расчет соотношении

Предлагаемая методика расчета учитывает действие кинематических, динамических и технологических факторов на процесс изнашивания обрабатываемой поверхности. Величина износа в любой произвольно выбранной точке а; обрабатываемой поверхности может быть определена путем интегрирования по времени обработки выражения:

(3)

где И* - скорость абразивного изнашивания, мкм/с; к0 - постоянный коэффициент;

V - величина скорости абразивной среды относительно изнашиваемой поверхности, м/с; Р(1) - давление, Н/м2; р - плотность абразивной среды, кг/м2;

Т - температура обработки; рН - водородный показатель.

Формула (1) для каждой конкретной схемы и условий обработки приводится к частному виду с учетом распределения величин VP, р, рН, Т в зоне контакта обрабатываемой поверхности и инструмента.

Следует отметить, что процессы доводки и полирования имеют статистическую природу, характеризуясь массовым динамическим воздействием абразивных зерен на обрабатываемую поверхность, поэтому под символами V, Рц), р, рН, Т подразумеваются средние значения величин в окрестности точки а;.

При изменении во времени величин Рц), р, Уи постоянных рН, Гвеличина износа за время X может быть выражена как:

п

(4)

Для определения функций Р^О р(Х), У(Х) при заданном законе движения точки а;, описываемом в полярной системе координат уравнениями Я=ЯА), а=а(г), необходимо определять распределение величин Ра), р, У в системе координат И, а (т.е. определить поля этих величин).

(а) (б)

Рис.1. Схема установки для ХМП (а) и расчетная схема (б)

Поле скоростей абразивной среды в неподвижной системе координат И, а описывается уравнениями:

= ЧЬщКъ йш(ог)

= [л\ - Щ сох(в)

(5)

где Уаки Уа; - проекции скорости абразивной среды на направления И, а;

к - коэффициент, описывающий передачу импульса абразивным зернам со стороны звеньев 1 и 2.

При абразивной доводке величину коэффициента к приближенно можно выразить через твердости (по Бринеллю) поверхностей звеньев 1 и 2:

(6)

При полировании на мягких полировальниках основная масса абразивных зерен удерживается поверхностью полировальника, поэтому: коэффициент к можно принять равным единице, если инструментов является звено 2, или нулю, если инструментом является звено 1.

Распределение плотностей абразивной среды в зоне контакта деталь-инструмент связано с полем скоростей абразивной среды уравнением неразрывности:

которое преобразуемся для случая обработки по схеме, представленной на рис. 1б, к виду:

где:

(2ЬК + а со*+ ^ а - О-

а - -ксо^

(8)

Общее решение уравнения (8) имеет вид:

(9)

где Б - произвольная дифференцируемая функция.

Для определения функции Б необходимо определить распределение плотностей абразивной среды вдоль границы зоны контакта деталь-инструмент (линия Г1, рис.1б), т.е. определить граничные условия.

Предложенная методика может быть использована при проектировании процессов ХМП, а также при разработке оборудования и инструментов для ХМП.

В работе были проведены расчеты распределения величин износа по обрабатываемой поверхности для некоторых частных случаев. При расчете было использовано допущение о симметрии поля давления абразивной среды относительно центра условной детали (точка Оь рис. 1б). моделирование поля распределения плотности абразивной среды проводилось для граничных условий заданных по линейному закону:

(10)

где

-

постоянные положительные параметры, имеющие размерность длины.

При постоянных угловых скоростях ^^ и * вращения звеньев 1, 2 и непрерывной подаче абразивной суспензии поля величин яи р

стационары, следовательно, можно предположить, что поле величин Р(1) при полировании также стационарно.

Это означает, что скорость изнашивания в произвольно выбранных точках звеньев 1, 2 изменяется по периодическому закону. Поэтому для определения величины износа в любой точке поверхности звена 2 за время обработки X достаточно проинтегрировать выражение (4) от нуля до X

(11)

где ц - время одного цикла (полного оборота точки а; вокруг точки ОД а затем умножить полученный результат на число циклов за полное время обработки:

со-Л

=

2 п

(12)

Таким образом, осуществляется замена переменной интегрирования с X на ф.

На основании сделанных допущений соотношение

1 для звена 2 приобретает вид (при

)

Соотношение при распределении по закону (10) равно:

(14)

Полученные результаты были использованы при расчете распределения величин износа при ХМП подложек диаметром 100мм. Некоторые частные зависимости предложены на рис.2

IN

Ш

LOi]

L KH

i 1 1» L ¡6 и * И Ю

4l

Рис.2. Распределение величин вдоль радиуса подложки, при параметрах:

m1 = 9,1 1/с; R0 = 115 мм;р(Я)=р0 = const; P(1) = const.

б)

Рис.3. Распределение величин ^ ii.io. ii> радиуса подложки с>1 = 9.1 1/с, ю2 = 7.86 1/с;

На основе проведённых расчётов установлено влияние режимов и условий полирования на распределение величин износа вдоль радиуса подложки.

Результаты исследования получены в ходе поисковой научно-исследовательской работы в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и могут быть использованы при проектировании операций химико-механического полирования деталей и узлов микросистемной техники.

Список литературы

1. В.Варадан, К.Виной, К.Джозе ВЧ МЭМС и их применение. Москва: Техносфера, 2004.

2. Jeffry J.Sniegowski Chemical-mechanical polishing: enhancing the manufacturability of MEMS.- Intelligent Micromachines Deportament, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87185

3. Lebrecht von Trotha et al. Advanced MEMS fabrication using CMP. Semiconductor International - 8/1/2004.