ارتقاء نانومتری صافی سطح ساچمه های سیلیکون نیتراید (Si3N4) با استفاده از پرداختکاری شیمیایی- مکانیکی (CMP)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

پرداختکاری شیمیایی- ­مکانیکی (CMP)، یکی از روش­های پرداختکاری نانومتری ساچمه­ها و ویفرهای غیرفلزی، مانند ساچمه­های سیلیکون نیتراید و انواع سرامیک­ها می­باشد. در این فرآیند، ذرات ساینده (ZrO2, CeO2, Fe2O3) که سختی کمتری نسبت به قطعه­کار دارند، در سیالی غوطه­ور هستند. در همین حالت، قطعه­کار با سیال پایه (آب، هوا، آب اکسیژنه و یا روغن) واکنش شیمیایی داده و یک لایه نازک سیلیکا (SiO2) روی سطح قطعه­کار ایجاد می­شود. برداشت لایه نازک اکسیدشده، توسط ذرات ساینده، در نتیجه­ این واکنش، به­راحتی از سطح قطعه­کار انجام می­گیرد. عوامل موثر در پرداختکاری شیمیایی- مکانیکی شامل 1- غلظت ذرات ساینده، 2- سرعت دوران کله­گی ماشین فرز، 3- زمان پرداختکاری و 4- نوع ذرات ساینده است که با تغییر هر کدام، عواملی مانند 1- زبری سطح، 2- کرویت و 3- نرخ براده­برداری تغییر می­کند. در تحقیق حاضر، برای پرداخت شیمیایی- مکانیکی ساچمه­های سیلیکون نیتراید، دستگاهی آزمایشگاهی طراحی و ساخته شد و جمعاً 24 آزمایش برای بررسی فاکتورهای ذکر شده بر صافی سطح قطعه­کار و نرخ برداشت ماده، با نرم­افزار Minitab، طراحی و انجام گردید. برای هر کدام از فاکتورها، دو سطح تنظیم شد و پس از آنالیز واریانس نتایج تجربی، معادله­های رگرسیون برای صافی سطح و نرخ برداشت ماده بدست آمد. در آزمایش­های انجام شده، با استفاده از هر سه ذره ساینده، با افزایش زمان پرداختکاری، سرعت دوران کله­گی ماشین فرز و غلظت ذرات ساینده، میزان برداشت ماده بیشتر شده و کیفیت سطح نیز بهبود یافت. ریخت­شناسی زبری سطح با استفاده از طیف­نمائی پرتو ایکس مطالعه شد. هم­چنین، امکان­پذیری انجام واکنش­های شیمیایی توسط معادله انرژی آزاد گیبس بررسی گردید. درنهایت، راه­کارهایی برای پرداخت بهینه ساچمه­های سرامیکی با توجه به شرایط آزمایشگاهی و آنالیز واریانس پیشنهاد شد. مقایسه نتایج تجربی نشان داد که زبری سطح ساچمه­های پرداخت­شده توسط ذرات ساینده Fe2O3  به مراتب بهتر از دو ساینده دیگر است(Ra= 69 nm).

کلیدواژه‌ها

موضوعات


]1[ وحدتی م.، عاملی کلخوران س. ع.، پرداخت نانومتری سطوح لنزهای کروی به­وسیله ذرات ساینده شناور در سیال مغناطیسی، مجله علمی- پژوهشی مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، اسفند 97، (پذیرفته‌شده برای انتشار).
[2] Fritze K. Z., Removal mechanism in polishing of silicon based advanced ceramics. CIRP Annals-Manufacturing Technology, vol.58, pp. 491-494, 2009.
[3] Fischer T. e., Tribo-Chemistry. Ann. Rev. Material Science, pp. 303-32, 1998.
[4] Kikuchi M, Takashi Y, Suga T, Suzuki S, Mechano-Chemical Polishing of Silicon Carbide Proc. Eall Meeting of JSPE, vol.1190, pp. 327-328 in Japanese, 1979.
[5] Zhu Y., Xia C., Zhou H., Huang C., Effect of chemical action on the chemical mechanical Polishing of β-Ga2O3 substrate. Precision Engineering, Vol. 56, pp. 184-190, 2019.
[6] Zhang Z., Cui J., Zhang J., Liu D., Yu Z., Guo D., Environment friendly chemical mechanical polishing of copper. Applied Surface Science , Vol. 467-648, pp. 5-11, 2019.
[7] Jiang M., Wood N.O, Komanduri R., On Chemo- Mechanical Polishing (CMP) of silicon nitride work material with various abrasives, Mechanical and Aerospace Engineering, Oklahoma State University, Still water, OK74078, USA TACS Midwest City, OK, Vol. 73130, USA, Wear, Vol. 220, pp. 59-71, 1998.
[8] Chen R., Li S., Wang Z., Lu X., Mechanical Model of single Abrasive during chemical mechanical Polishing: Molecular Dynamics Simulation. Tribology International, Vol. 133, pp. 40-46, 2019.
[9] Forsberg M., keskitalo N., Olsson J., Effect of dopants on chemical mechanical polishing of silicon, 2002.
[10] Mandal S., Thomas E. L. H., Gines L., Morgan D., Green J., Brousseau E. B., Williams O. A., Redox Agent enhanced chemical mechanical polishing of thin film diamond. Carbon, Vol. 130, pp. 25-30, 2018.
[11] Kim H., Hong S., Shin C., Jin Y., Lim D. H., Kim J. Y., Hwang H., Kim T., Investigation of the pad-conditioning performance deterioration in the chemical mechanical polishing process. Wear, Vol. 392-393, pp. 93-98, 2017.
[12] Song Z., Liu W., Wang L., Chemical Mechanical Polishing Slurry for Amorphous Ge2Sb2Te5. Procedia Engineering, Vol. 102, pp. 582-589, 2015.
[13] Pan G., Shi X., Zhou Y., Xu L., Zou C., Gong H., A study of chemical products formed on sapphire (0001) during chemical- mechanical polishing. Surface & Coatings Technology, Vol. 270, pp. 206-220, 2015.
[14] Basim G. B., Ozdemir Z., Ozdemir A., Application of Chemical Mechanical Polishing process on titanium based implants. Materials Science and Engineering, Vol. 68, pp. 383-396, 2016.
[15] Jonas P., Ederer J., Pilarova V., Henych J., Tolasz J., Milde D., Opletal D., Chemical Mechanical glass polishing with cerium oxide: effect of selected physico- chemical characteristics on polishing efficiency. Wear, Vol. 362-363, pp. 114-120, 2016.
[16] Mahalik N. P., Micromanufacturing and Nanotechnology, Springer, 2014.
[17] Kenneth C. C., Lucy N., Handbook of thin film deposition (Forth Edition), Chapter 10, Chemical Mechanical Polishing and Practice, Willian Andrew, pp. 317-357, 2018.