黃華棟　卞　達(dá)　楊大林　閔鵬飛　趙永武

(①蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104； ②江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

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拋光介質(zhì)對(duì)鎂合金化學(xué)機(jī)械拋光的影響*

黃華棟①②卞達(dá)②楊大林②閔鵬飛②趙永武②

(①蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104； ②江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

利用掃描電鏡、X射線(xiàn)光電子能譜儀和白光干涉儀研究了堿性?huà)伖庖褐胁煌袡C(jī)溶劑與無(wú)機(jī)溶劑包括乙二醇、聚乙二醇、去離子水和1%磷酸氫二鈉水溶液對(duì)鎂合金化學(xué)機(jī)械拋光效果的影響，測(cè)試了材料的去除率。結(jié)果表明，當(dāng)采用乙二醇、聚乙二醇等有機(jī)溶劑作為拋光液的拋光介質(zhì)時(shí)，能夠有效改善鎂合金在拋光過(guò)程中的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，但材料去除率較低；采用去離子水作為拋光介質(zhì)時(shí)，雖然材料去除率較高，但拋光后鎂合金表面點(diǎn)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重；采用去離子水作為拋光介質(zhì)并添加1%的緩蝕劑磷酸氫二鈉時(shí)，能夠在保證材料去除率的同時(shí)，有效改善鎂合金拋光后的表面質(zhì)量，而且?guī)缀鯖](méi)有點(diǎn)蝕出現(xiàn)。

化學(xué)機(jī)械拋光；拋光介質(zhì)；粘度；去除率；粗糙度；點(diǎn)蝕

隨著科技和工業(yè)的快速發(fā)展，鎂合金在工業(yè)上的應(yīng)用越來(lái)越多，與其他結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金具有如密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、減振性好、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，在電子、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域都體現(xiàn)著重要的應(yīng)用價(jià)值，由于應(yīng)用前景廣闊，所以追求其表面完美性要求也隨之提高。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于微電子半導(dǎo)體領(lǐng)域的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)已經(jīng)做了大量研究[1-6]，但對(duì)于合金尤其是鎂合金的化學(xué)機(jī)械拋光研究較少。CMP技術(shù)就是通過(guò)表面化學(xué)作用和拋光磨粒等機(jī)械作用二者協(xié)同達(dá)到材料表面的整平去除[7-11]。本文選用堿性?huà)伖庖后w系[12]，針對(duì)不同拋光介質(zhì)對(duì)鎂合金化學(xué)機(jī)械拋光效果和去除率的影響，展開(kāi)拋光實(shí)驗(yàn)和理論研究。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

試樣為20 mm×20 mm×5 mm的AZ91D鎂合金基片，先用砂紙打磨，后經(jīng)過(guò)微米CeO2磨粒拋光液粗拋，最后用丙酮超聲波清洗并冷干處理。

自制納米CeO2磨粒堿性?huà)伖庖海敢褐饕煞譃椋耗チ蟵CeO2，60 g (15wt%)}、表面活性劑{TX-10，8 g (2wt%)}，同時(shí)通過(guò)有機(jī)堿將拋光液pH值調(diào)節(jié)至10。

乙二醇(水分≤0.1%，分析純AR，分子量62.07)，聚乙二醇(液體，化學(xué)純CP，平均分子量190～210)，磷酸氫二鈉(十二水合磷酸氫二鈉，分析純AR，分子量358.14)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

拋光機(jī)：UNIPOL-1200S自動(dòng)壓力研磨拋光機(jī)(沈陽(yáng)科晶設(shè)備有限公司)；超聲波清洗機(jī)：UC1800(廣州維利超聲電子設(shè)備有限公司)；稱(chēng)重天平：XS205-DU精密天平，精度為0.1mg(梅特勒-托利多)；能譜儀(EDS)：Phoenix(美國(guó)伊達(dá)克斯有限公司)；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)：S-4800(日立)；白光干涉儀：Contour GT(布魯克)； X射線(xiàn)光電子能譜儀：Kratos AXIS Ultra DLD(日本島津-KRATOS公司)；旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)：NDJ-1(北京中儀科信科技有限公司)。

1.3拋光參數(shù)

拋光液流量120 mL/min，拋光壓力20.4 kPa，拋光盤(pán)上下盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同[8]，轉(zhuǎn)速為120 r/min，拋光時(shí)間4 min。選用磨砂革拋光墊，拋光后用無(wú)水乙醇在超聲波清洗機(jī)中清洗20 min。

1.4性能檢測(cè)

采用EDS分析鎂合金基片中元素的具體成分含量；采用SEM觀測(cè)磨粒，對(duì)粒徑大小以及形狀進(jìn)行表征；采用白光干涉儀對(duì)微米CeO2磨粒拋光液拋光處理后的鎂合金基片表面，進(jìn)行形貌觀測(cè)和粗糙度測(cè)量；采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量不同拋光介質(zhì)配制而成的拋光液粘度值，結(jié)合材料去除率，分析不同拋光介質(zhì)對(duì)鎂合金材料去除率的影響；采用精密天平測(cè)定拋光前后鎂合金基片的質(zhì)量損失(Δm)并計(jì)算拋光去除速率MRR為：

(1)

式中：M0為拋光前鎂合金基片質(zhì)量，g；M1為拋光后鎂合金基片質(zhì)量，g；ρ為鎂合金密度，g/cm3；S1為鎂合金基片面積，cm2；T為拋光時(shí)間，min。

2　結(jié)果與討論

2.1磨粒表征及試樣粗拋表征

實(shí)驗(yàn)試樣為鎂合金基片，其化學(xué)成分通過(guò)EDS分析如圖1a所示，鎂合金基片其鎂元素含量為97.25wt%，鋁元素含量為2.75wt%；由圖1b看出，自制納米CeO2堿性?huà)伖庖耗敢耗チ５钠骄綖?0 nm左右，磨粒形貌為圓形。圖2是鎂合金基片經(jīng)微米CeO2拋光液預(yù)拋光處理后的表面形貌及粗糙度，由圖看出，預(yù)拋光處理后的試樣表面粗糙度為0.55 μm左右。

2.2不同拋光介質(zhì)對(duì)鎂合金CMP點(diǎn)蝕的影響

實(shí)驗(yàn)分4組進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，拋光介質(zhì)分別為：拋光液(A)“乙二醇”，拋光液(B)“聚乙二醇”，拋光液(C)“去離子水”，拋光液(D)“去離子水 + 緩蝕劑{Na2HPO44g(1wt%)}”。采用50 nm粒徑15wt%的CeO2磨粒，在上述1.3節(jié)拋光參數(shù)條件下，對(duì)鎂合金基片進(jìn)行不同拋光介質(zhì)下的拋光后，鎂合金表面點(diǎn)蝕情況見(jiàn)圖3所示。

從表面形貌圖3中d-b、a-c的色澤反映為：其粗糙度值依次增大。在白光干涉儀測(cè)量的表面形貌圖3a、b、c可以看出，采用拋光液(A、B、C)拋光后的鎂合金基片表面均存在一定的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，并且圖3c的點(diǎn)蝕現(xiàn)象比圖3a、b明顯。圖3d所示鎂合金基片表面形貌較好，幾乎沒(méi)有點(diǎn)蝕存在。分析認(rèn)為：拋光液(A、B)是分別以乙二醇和聚乙二醇兩種有機(jī)溶劑作為拋光介質(zhì)的拋光液，而鎂合金在有機(jī)溶劑拋光介質(zhì)中幾乎不發(fā)生腐蝕反應(yīng)，所以點(diǎn)蝕現(xiàn)象輕微；拋光液(C)是以去離子水為拋光介質(zhì)的拋光液，由于鎂合金基片性質(zhì)活躍，其表面與去離子水接觸發(fā)生腐蝕反應(yīng)，從而在拋光后點(diǎn)蝕現(xiàn)象明顯；拋光液(D)是以去離子水為拋光介質(zhì)并添加緩蝕劑Na2HPO4(1%)配制而成的拋光液，拋光后鎂合金基片表面幾乎沒(méi)有點(diǎn)蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖3d。

2.3磷酸氫二鈉對(duì)鎂合金CMP緩蝕作用

圖4為鎂合金基片經(jīng)Na2HPO4(1wt%)水性?huà)伖庖簰伖夂蟮谋砻鎄PS圖譜，其Mg、Na、C、O、P等元素的峰位置見(jiàn)表1。發(fā)現(xiàn)在130.6eV處有P2p峰，分析認(rèn)為當(dāng)拋光液中添加磷酸氫二鈉后，在拋光液中鎂合金表面發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

Mg2++HPO42-→MgHPO4

(2)

表1XPS圖譜中Mg、Na、O、C、P的峰值位置

元素峰位置/eVMg1s242.22Na1s1072.0O1s531.32C1s399.98P2p130.6

反應(yīng)生成的MgHPO4沉淀物與鎂合金基片上生成的Mg(OH)2共同沉積在基片表面，從而有效抑制鎂合金在拋光液中的腐蝕反應(yīng)，起到緩蝕作用，使鎂合金基片拋光表面幾乎沒(méi)有點(diǎn)蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.4不同拋光介質(zhì)對(duì)鎂合金CMP粗糙度與去除率的影響

在上述4組拋光實(shí)驗(yàn)中，鎂合金基片拋光后的表面粗糙度、材料去除率與拋光液粘度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2?？梢钥闯?，拋光介質(zhì)不同，拋光液粘度、鎂合金材料去除率以及拋光后表面粗糙度均有顯著差異。在四組拋光液中，以去離子水作為拋光介質(zhì)并添加緩蝕劑Na2HPO4(1wt%)的拋光液對(duì)鎂合金基片拋光效果最佳，拋光后表面粗糙度為9.835 nm，且材料去除率也較高為700.12 nm/min。以去離子水作為拋光介質(zhì)但不添加緩蝕劑的拋光液，鎂合金基片雖然材料去除率最高可達(dá)1 302 nm/min，但拋光后表面粗糙度值達(dá)60.047 nm。采用乙二醇和聚乙二醇有機(jī)溶劑作為拋光介質(zhì)的拋光液對(duì)鎂合金基片拋光后，表面粗糙度值較小僅僅20 nm左右，但在相同的拋光工藝參數(shù)下材料去除率較低為250 nm左右，并且采用兩種有機(jī)溶劑作為拋光介質(zhì)配制成的拋光液粘度較大為80 mPa·s左右，由于流動(dòng)性差，存在拋光后鎂合金基片與拋光盤(pán)不易清洗的現(xiàn)象。

表2鎂合金片在不同拋光介質(zhì)中的拋光結(jié)果

拋光介質(zhì) (溶液)因素乙二醇聚乙二醇去離子水去離子水+磷酸氫二鈉拋光液粘度(mPa·s)79871723材料去除率/nm/min242.22263.891302700.12拋光前表面粗糙度/μm0.0430.0580.0640.057拋光后表面粗糙度/nm20.12518.33360.0479.835

3　結(jié)語(yǔ)

(1)選用乙二醇和聚乙二醇有機(jī)溶劑作為拋光介質(zhì)配制而成的拋光液，對(duì)鎂合金基片拋光表面形貌有很好的改善作用，點(diǎn)蝕不明顯，表面質(zhì)量好，但材料去除率較低且拋光液粘度較大。

(2)以去離子水作為拋光介質(zhì)配制而成的拋光液，對(duì)鎂合金基片材料去除率大，但拋光后鎂合金表面點(diǎn)蝕現(xiàn)象明顯且表面較粗糙。

(3)以去離子水作為拋光介質(zhì)并加入適量磷酸二氫鈉緩蝕劑配制而成的拋光液，不僅能夠有效抑制拋光過(guò)程中的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，達(dá)到理想的表面粗糙度，同時(shí)較低的粘度保證了較高的材料去除率。

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(編輯譚弘穎)

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Effect of polishing medium in the chemical mechanical polishing of Mg alloy

HUANG Huadong①②,BIAN Da②,YANG Dalin②,MIN Pengfei②,ZHAO Yongwu②

(①Suzhou Institute of Industrial Technology, Suzhou 215104, CHN; ②School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, CHN)

Scanning electron microscope(SEM), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and scanning white light interferometer(SWI) were used to investigate the effect of polishing medium on the chemical mechanical polishing(CMP)of magnesium alloy. And the material removal of magnesium alloy was also calculated. It was found that: less surface pittings were found on the polished surface by the organic polishing medium, such as Ethylene glycol and polyethylene glycol. However the material removal of magnesium alloy was low; in contrast, the material removal of magnesium alloy was high when the demonized water was used as polishing medium, while much surface pittings were found on the finished surface; when the demonized water with 1% disodium hydrogen phosphate was used as polishing medium, the material removal of magnesium alloy achieved high level and the quality of polished surface was approved with less surface pittings.

chemical mechanical polishing；polishing medium；viscosity；removal rate；roughness；pitting

TG146.2

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.023

黃華棟，男，1976年生，碩士，副教授，專(zhuān)業(yè)帶頭人，從事摩擦學(xué)與表面工程技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)研究與教學(xué)工作，已發(fā)表論文26篇。

2015-08-26)

160639

* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005102) ;清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKLTKF101304) ;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(JUDCF13028) ;江蘇省高等職業(yè)院校國(guó)內(nèi)高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014FX057) ;江蘇省高校品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目(PPZY2015B186)