CMP流场的数值模拟及离心力影响分析

化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)是一项融合化学分解和机械力学的工艺, 其中包含了流体动力润滑的作用.在已有润滑方程的基础上, 提出并分析了带有离心力项的润滑方程.利用Chebyshev加速超松弛技术对有离心力项的润滑方程进行求解,得到离心力对抛光液压力分布的影响. 数值模拟结果表明,压力分布与不带离心力项的润滑方程得出的明显不同;无量纲载荷和转矩随中心膜厚、转角、倾角、抛光垫旋转角速度等参数的变化趋势相同,但数值相差较大, 抛光垫旋转角速度越大差别越大.      

基于磨损行为的单晶硅片化学机械抛光界面接触形式研究

设计了3种不同的抛光液并进行一系列抛光试验,得到机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率,分析了化学机械抛光时硅片与抛光垫之间接触形式的判别方法及其抛光机理.结果表明:化学机械抛光中的主要作用为磨粒的机械作用;材料的去除率主要为磨粒与抛光液交互作用所引起的材料去除率;硅片表面材料的去除形式主要为化学作用下的二体磨粒磨损;化学机械抛光时硅片与抛光垫之间的接触形式为实体接触.     

半导体芯片化学机械抛光过程中材料去除机理研究进展

就国内外关于集成电路芯片化学机械抛光(CMP)材料去除机理研究的现状和进展进行了评述，总结了集成电路芯片常用介电材料二氧化硅以及导电互连材料钨、铝及铜的化学机械抛光研究现状和进展，进而分析了化学机械抛光过程中化学作用同机械作用的协同效应，指出关于芯片化学机械抛光的材料去除机理尚存在争议，因此有必要在CMP研究领域引入原子力显微镜和电化学显微镜等先进分析测试设备和相关技术，以便在深入揭示CMP过程中材料去除机理的基础上，为更好地控制CMP过程和提高CMP效率提供科学依据．     

氨基乙酸-H2O2体系抛光液中铜的化学机械抛光研究

在CP-4型CMP试验机上采用5μm厚的铜镀层片研究了氨基乙酸-H2O2体系抛光液中铜的化学机械抛光行为,分别采用Sartorius 1712MP8型电子天平和WYKO MHT-Ⅲ型光干涉表面形貌仪检测抛光去除率和抛光后表面粗糙度,用CHI660A型电化学工作站的动电位极化扫描技术和PHI-5300ESCA型X射线光电子能谱仪分析抛光液中氧化剂和络合剂等化学组分对铜的作用机制.结果表明,由于氧化剂H2O2对铜的氧化作用使得氨基乙酸对铜的络合速率从1.4 nm/min提高到47 nm/min,进而提高了铜的化学机械抛光去除率.当抛光压力≤10.35 kPa时,抛光后铜表面出现腐蚀坑,腐蚀坑面积比率随抛光过程相对运动速度的增大而减小;当抛光压力≥17.25 kPa时,铜表面腐蚀坑消失,在相对运动速度≥1 m/s条件下,表面粗糙度为3-5 nm;当抛光压力〉6.9 kPa,在相对运动速度≤1 m/s条件下,随着相对运动速度增大,机械作用增强,抛光去除率增大;当相对运动速度〉1 m/s时,抛光界面区抛光液润滑效应增强,抛光去除率有所降低,化学机械抛光过程中这一临界相对运动速度为1 m/s.     

微循环表面网状形态对其润滑特性影响的研究

为研究微循环表面网状形态对其润滑特性影响,采用飞秒激光和数控加工方法,构建出不同滑动表面网格织构,并以此研究了其形态对润滑特性的影响.研究采用网格形态的参数化设计,并以无量纲长度Λ,无量纲宽度г和夹角α表征其结构特征,采用数值迭代求解和摩擦学试验相结合的方法,研究了不同形态的网格参数对其润滑的影响.研究结果表明:具有微循环网格形态的滑动表面可有效地改善其摩擦系数,当A大于0.45时会使得摩擦系数达到最佳优化值,而当Λ小于0.45时,则网格参数与摩擦系数的关系将变得较为复杂;较大的无量纲深度参数г和较小的夹角也可优化出改善润滑的最优组合;该研究可为滑动表面微循环网状织构优化设计提供了理论基础.     

考虑对流效应和磁场的CMP模型及其数值模拟

推导了具有对流效应的化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)润滑模型,研究各参数对压力场分布的影响.在此模型基础上,研究了磁流体抛光液在外界磁场作用下的润滑模型,以及外磁场对抛光过程中压力场分布的影响. 数值结果表明,具有对流效应的润滑模型的压力分布与已有经验结果更一致,能更为有效地解释CMP过程中的负压现象; 进一步通过外界磁场的作用, 可以有效地改变磁流体CMP的压力分布,这为实现对晶片的全局抛光提供了一种可供参考的新途径.      

考虑磁头表面高度不连续性气膜润滑的数值模拟与有效算法

随着磁头滑块的飞行高度不断降低,给气体润滑方程的数值求解带来了诸如计算时间过长、甚至计算发散等方面的问题。为了获得1Tbit/in2的存储密度,磁头滑块尾部的最小飞行高度接近1.5nm。本文基于作者提出的修正气膜润滑方程的线性流率(LFR)模型,考虑磁头滑块表面高度的不连续性,建立了基于有限体积法的气膜润滑方程离散格式,并把网格自适应技术与多重网格法应用到离散方程的迭代算法中,发展了可模拟最小飞行高度为0.5nm时磁头滑块压力分布的数值模拟方法与有效算法。文中以一个具有复杂表面形状的磁头滑块为例,检验了计算方法与算法的有效性。数值结果表明:在磁头滑块最小飞行高度较低时,必须要考虑滑块表面高度的不连续性,否则就得不到收敛的数值计算结果;与FK-Boltzmann模型相比,LFR模型具有较高的计算效率,采用网格自适应技术与多重网格法能有效地提高求解气膜润滑方程的计算效率。     

国内润滑材料和摩擦化学的研究

作者阐明了润滑材料和摩擦化学两个方面近年来在我国润滑学科中的应用研究和基础研究的发展概况。润滑材料的研究十分活跃,很多研究成果分别解决了我国宇航、机械、运输和机械加工中的许多润滑难题,经济效益十分显著。近几年来,国内摩擦化学的研究主要在摩擦作用下润滑剂与摩擦表面之间的相互作用、润滑材料的结构与性能的关系、界面与胶体作用的研究,环境气氛对摩擦与润滑表面的影响,以及新的研究方法的利用和发展等五个方面取得了重大进展。对于我国今后应如何开展润滑材料的研究,作者也阐述了一些设想。     

液膜润滑机械端面密封流体动压沟槽侧壁效应研究

针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应,在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程,建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程,研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明:数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变,侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律,高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.      

三维非结构聚合多重网格法数值模拟研究

在三维非结构网格上应用聚合式多重网格技术来加速Euler方程的收敛过程．自行设计了一种高效率的网格聚合方法．采用四重三维非结构网格，在每一层网格上采用有限体积法进行计算．通过对M6翼型的数值求解验证了多重网格加速收敛的高效性．     

缓蚀剂1,2,4-三唑在铜CMP过程中的作用机理

基于静态腐蚀试验和Arrhenius公式,探讨了缓蚀剂1,2,4-三唑在铜晶圆表面的吸附机制,分析了其对铜晶圆表面化学反应活化能的影响;结合CMP试验,阐释了BTA和1,2,4-三唑两种缓蚀剂对CMP材料去除速率的影响.结果表明:在酸性抛光液中,缓蚀剂1,2,4-三唑主要存在两种缓蚀机制:一是在铜表面形成吸附膜Cu:(1,2,4-TAH)_(ads),二是形成聚合物膜Cu(1,2,4-TA)_2.CMP过程中化学反应活化能的降低量不随抛光液中1,2,4-三唑的含量而变化.但是相对于BTA,使用含有1,2,4-三唑的抛光液时CMP过程中晶圆表面的化学反应活化能降低量较大,表明机械促进化学作用较强.本研究结果为CMP过程中抛光液的优化提供了理论支撑.     

钛基片的化学机械抛光技术研究

采用化学机械抛光（CMP）方法对钛基片进行纳米级平坦化处理,通过系列抛光试验优化抛光液组成和抛光工艺条件后,得到AFM-Ra为0.159 nm的纳米级抛光表面和156.5 nm/min的抛光速率。抛光液的电化学分析结果表明：二氧化硅颗粒和乳酸在钛表面有不同程度的吸附缓蚀作用,氨水和F-的络合、扩散作用能破坏缓蚀膜层,两者的中间平衡状态才能得到最佳抛光效果。抛光后钛表层XPS测试结果显示钛表层经过化学氧化形成疏松氧化层后,再通过磨粒和抛光垫的机械作用去除。     

磷酸盐激光玻璃在干燥空气和纯水下的摩擦磨损性能研究

通过直线往复摩擦磨损试验机,采用氧化铝陶瓷球作为对摩副,对比研究了磷酸盐激光玻璃在干燥空气和纯水中的摩擦磨损性能.结果表明:纯水下的摩擦系数远小于干燥空气中,液态水在摩擦过程中起到了一定的润滑作用.同等载荷下,磷酸盐激光玻璃的磨损深度和磨损体积在纯水中远大于干燥空气下,水促进了玻璃的材料去除,该玻璃在水下以摩擦化学磨损为主.虽然玻璃在水中的磨损深度较深但是其次表面损伤较浅,这归因于水润滑下摩擦剪切应力的大幅度降低.而干燥环境下,由于纯机械作用,其磨损深度较小,材料损伤以裂纹滋生和脆性剥落为主,并同时引发严重的次表层损伤.     

机械密封织构化表面粗糙度效应的有限元模型与摩擦学特性分析

为研究粗糙度效应对机械密封织构化端面承载能力、摩擦学特性以及密封性能的影响，基于有限元法建立了机械密封的混合润滑模型，针对确定性非高斯随机分布粗糙表面，考虑润滑液膜的宏微观空化作用和粗糙峰的接触，研究了圆孔型织构化机械密封的摩擦学性能和密封性能. 结果表明:平衡状态下处于全膜润滑区间的非高斯型粗糙织构表面，在研究范围内均方根值越大的表面其减摩效果越好，且泄漏率越大，从混合润滑区到全膜润滑区转变的速度也随之增大；非高斯表面的偏态值和峰态值对密封表面的承载能力，润滑性能以及密封性能有影响，但无明显规律；在混合润滑区，圆孔织构具有增摩效果，而在全膜润滑区表现出减摩效果.      

国产润滑油的压粘系数和固化压力

润滑油的压粘系数和固化压力是弹流理论应用于摩擦学工程设计的关键试验数据。本文报道了20种国产润滑油的压粘系数和其中16种润滑油的最小固化压力的测定结果,并对不同油田的基础润滑油、不同化学结构的合成润滑油和不同用途的工业润滑油的压粘系数和固化压力进行了分析比较。     

The Effect of Strain Rate,Specimen Geometry and Lubrication on Responses of Aluminium AA2024 in Uniaxial Compression Experiments

The ability to observe and quantify intrinsic material response to loading at different rates of strain has been improved by reducing the errors of mechanical characterisation in uniaxial compression experiments. In order to perform comparisons of the results from uniaxial compression tests used to characterise mechanical properties of aluminium alloys at different strain rates, it is necessary to reduce errors resulting from factors such as specimen design. In this study, the effects of strain rate, specimen geometry and lubrication on the compressive properties of aluminium AA2024 alloy were quantitatively investigated by measuring the mechanical behaviour of this alloy as functions of strain rate, specimen aspect ratio and lubrication condition. Both the deformation history and the failure mode were identified using low and ultrahigh speed photography. The interaction of factors influencing the measured stress-strain response was quantified, and suitable specimen aspect ratios for compression tests at different strain rates were identified.     

γ射线辐照对机械密封用烧结材料性能的影响

使用不同剂量γ射线对拟用于核电领域机械密封的3种热压烧结材料进行辐照处理，测试了不同辐照条件下材料的热物理性能和力学性能. 使用Plint TE-92摩擦磨损试验机模拟机械密封实际工况进行盘-盘摩擦试验，测试了相同材料自配副的摩擦磨损性能，并采用扫描电子显微镜(SEM)和ZYGO白光干涉仪等表征分析方法，研究了辐照条件对材料微观组织形貌和摩擦磨损机理的影响. 结果表明:本文中γ射线辐照剂量对烧结材料的组织形貌和物理、力学性能影响较小. 在水润滑条件下，烧结材料自配副的摩擦系数为0.04~0.06，没有出现明显的磨损情况，辐照对材料的摩擦磨损性能没有明显影响.