编号：CYYJ04419
篇名： 介孔磨粒在熔融石英化学机械抛光中的应用与微观机制研究
作者： 刘振颂
关键词： 熔融石英; 介孔磨粒; 化学机械抛光; 分子动力学;
机构：大连理工大学
摘要： 熔融石英因其优异的物理化学性能被广泛应用于精密光学、航空航天、医疗服务、军事国防等领域。然而,由于熔融石英的硬脆特性,其在传统加工过程中极容易形成凹坑、划痕、亚表面微裂纹、致密化等缺陷,这将严重影响材料的使用性能和使用寿命。基于机械与化学的耦合作用,介孔磨粒改性与化学机械抛光（CMP）技术相结合的方式可有效避免上述缺陷,在材料的高质高效低损伤加工中表现出巨大潜力。然而,由于检测技术的限制,介孔磨粒在CMP中的微观作用机制仍不明确,有待于进一步探索。本文采用分子动力学（MD）模拟与实验相结合的方式,揭示了介孔磨粒在熔融石英CMP中的原子尺度作用机制及相应的抛光性能影响机制。 首先,合成了粒径均匀的实心氧化硅（s Si O2）磨粒和介孔氧化硅（s Si O2@m Si O2）磨粒,并通过一系列表征手段证明介孔结构是二者的主要区别。此外,研制了以碳酸钠、D-山梨醇、过氧化氢、去离子水为主要成分的绿色化学机械抛光液,并通过正交实验和正交分析,探究了磨粒含量、分散剂含量、p H调节剂含量和抛光压力对抛光效率和抛光质量的影响,优化了抛光液配比参数与工艺参数。 之后,将合成磨粒应用于CMP中。根据实验结果,与s Si O2磨粒相比,s Si O2@m Si O2磨粒作用下熔融石英的表面质量和材料去除率分别改善了27.1%和81.4%。基于MD模拟,提出了一种由介孔结构和原子弹性变形引起的材料去除形式,即弹性回复原子的再去除（RERA）。RERA作用可以抑制表面凸峰和凹谷的形成,促进了原子的均匀分布和去除。此外,发现RERA的作用强度与介孔的孔径大小密切相关。根据模拟结果,当孔径为3 nm时,RERA效应最为显著。反应力场结果表明,原子去除有两个必经阶段,即Si工件-O-Si磨粒桥键的形成和桥键牵引下周围化学键的断裂。在介孔结构作用下,熔融石英形成了更多的Si-O-Si桥键和更低的Si-O平均键序值。因此,介孔磨粒体系普遍比普通磨粒体系去除更多的原子。 最后,对熔融石英的亚表面损伤进行表征。与s Si O2相比,s Si O2@m Si O2磨粒作用下熔融石英的亚表面损伤深度降低了47.3%。CMP后,致密化为熔融石英亚表面损伤的主要表现形式。基于MD模拟,提出了熔融石英内部致密化的原子级形成机理。高剪切应力是致密化形成的必要条件,磨粒与工件之间的摩擦和黏附作用会促进致密化的形成。随着孔径从0 nm增加到5 nm,致密原子数从13364个减少到4551个,介孔结构在降低熔融石英致密化强度、分布范围和分布深度方面均表现出显著的潜力。