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钽棒钽丝等钽制品的抛光及抛光机理

发布时间:2021-04-14 22:35:01 浏览次数 :

1、引言

目前CMP技术已在微电子技术多层平整化方面获得了巨大成功,正向计算机硬盘基片、微机械系统、蓝宝石、机械磨具、精密阀门、光学玻璃金属材料等方面扩展,并从工业加工扩展到军事应用,如核试验条件下的精密抛光试验以及在平面爆轰驱动试验装置中的靶板、探针支架、样品等关键零件等,都需要对金属铜、W-Mo合金Mg-Ag合金、聚碳酸脂等材料实现极高的平坦化加工精度。

钽棒

因此我们与中国工程物理研究院机械制造工艺研究所合作研制适合W-Mo/Mg-Al 合金化学机械抛光的抛光液项目,提供的片子成分以钽为主还含有少量钨、铁。

金属钽Ta 是一种略呈蓝色的浅灰色金属,具有许多奇异特性,有“金属王国”多面手之誉。钽质地十分坚硬硬度可达6~6.5,熔点高达2996℃,仅次于钨和铼位居第三。在制取各种无机酸的设备中,钽棒可用来替代不锈钢其寿命比不锈钢提高几十倍。在化工、电子、电气等工业中,钽常被用来取代铂,降低费用。钽具有的特性,使其在电容器 、高温合金、化工和原子能工业、医学等领域有十分广阔的应用前景。但钽质地很硬,提高它的CMP 速率很不容易,因此我们尝试了一种新型的抛光液,在保证其抛光表面质量的前提下提高其抛光速率。

2、实验研究

2.1 实验设备和材料

实验设备电热鼓风干燥箱,C6382I W/YJ型抛光机,JJ2000 型电子天平。

检测设备:红外线测温仪、千分表。

实验材料:硅溶胶(自制)、去离子水(自制),制电导率>5Ω活性剂(自制),由中国工程物理研究院机械制造工艺研究所提供的φ50mm钽片,钽含量较高含有少量的钨和铁。

2.2 实验步骤

1)将陶瓷托盘放入恒温箱从室温升高到一定温度,恒温一段时间后,取出,然后将抛光蜡均匀涂抹在粘片处,把片子轻轻放在涂蜡处,缓缓轻揉,最后取另一平滑的托盘轻放其上,待冷却到室温后,用脱脂棉蘸酒精将片子表面及其周边处理干净; 

2)将测量点定位,并用千分表测量抛光前厚度的初始值;

3)使用配制的抛光液在抛光机上抛光钽片,并记录试验现象;

4)抛光结束后,观察抛光片的表面状态,测量抛光后钽片的厚度;

5)清洗抛光片及抛光机的浆料通道和抛光布。

2.3 实验结果与讨论

采用河北工业大学自制硅溶胶,向其中加入一定量的有机碱,搅拌均匀;再向其中加入适量螯合剂,FA/O 活性剂及氧化剂,搅拌均匀在C6382I W/YJ 型抛光机上对钽片抛光,实验条件为温度25℃,浆料的流速250ml/min;抛光时间15min,水抛1min 抛光后得到抛光压力与抛光速率的关系曲线如图1 所示。

抛光压力与抛光速率的关系曲线

从图中可看出,随抛光压力的增大,抛光速率加快,而且,总体来看,抛光速率均较大,并且其表面光亮、平整,表面粗糙度为0.1409~0.1429nm符合抛光要求。

3、钽抛光机理

CMP 利用机械力量对抛光片表面做功,提供表面薄膜层断裂腐蚀或生长的力量,并使用浆料中的化学物质来提高抛光效率。

目前CMP机理模型大多采用Preston方程R=Kppv( R为抛光速率;p为压力;v 为抛光垫与晶片的相对转速),主要考虑压力、转速等机械作用对抛光速率的影响。Preston模型只从机械作用的角度定性给出去除速率与压力和转速的关系而没有考虑化学作用,而化学作用应更复杂重要。展现化学作用速率的是Arrhenius方程,v=Kexp(-Ea/Rt) ,但它忽视了机械作用的影响。经大量实验后发现,CMP过程中速率不是机械与化学作用的简单相加,而是v>>v+v。CMP是在一定压力下,在旋转有磨料状态下的多相化学机械的复杂过程,按现有的Preston方程和Arrhenius 方程均无法全面解释CMP过程中的现象。试验表明,CMP是一个多相作用过程。是机械作用与化学作用互相加强与促进的过程。当钽与抛光液接触时,表面发生钝化发生反应

2Ta+5H2O Ta2O5+10H++10e- (1)

然后钽表面的Ta-0-H 与硅溶胶中的Si-0H团形成化学链,发生反应

Ta-0-H+Si-0-H Ta0-Si+H20

其抛光机理如图2 所示。

抛光机理

首先硅溶胶粒子和Ta2O5 表面发生键合, 然后,周围硅溶胶粒子的运动产生的应力使二氧化硅粒子和Ta2O5 在研磨粒子及抛光布的磨擦携带下从Ta 表面剥离,脱离表面,使新裸露的表面再继续反应,循环往复。由于磨料硅溶胶粒子与Ta表面的键合作用强烈,因此抛光速率较高。

4、结语

随着微电子技术的发展,CMP技术不断拓展,应用范围也不断扩大。现将该技术应用于工程物理研究院工程物理仿真实验用以Ta为主要元素的材料表面加工过程中时,因其一直以机械加工为主要加工手段,精度较低,表面粗糙度只能达到微米级。而目前急于提高加工的精密度,使粗糙度能达到纳米级,故我们采用的技术路线是增加化学作用,利用化学机械全局平整化的方法进行加工,根据CMP理论及相关技术获得突破达到良好的抛光效果。

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