CeO2复合微球的制备及其在化学机械抛光中的应用.pdf

第 2 7卷第 1 期 2 0 1 1年 1月 无 机 化 学 学 报 C HI N ES E J 0U RNAL OF I N 0RGAN I C CHEMI S T RY Vo 1 2 7 No 1 6 6 72 核壳结构 P S C e O2 复合微球的制备及其在化学机械抛光中的应用 陈 杨 - 陆锦 霞 陈志刚 二 ( 常州大学材料科学与工程学院， 常州 2 1 3 1 6 4 ) ( 苏州科技 学院化学与生物工程学院， 苏州 2 1 5 0 1 1 ) 摘要 ： 以原位化学沉淀的方法制备了不 同粒径、 包覆结构 P S ( 核) C e O ： ( 壳) 复合微球 ， 利用 x射线衍射仪、 透射电子显微镜 、 选 区 电子衍射、 场发射扫描电子显微镜 、 能谱分析仪 、 F o u r i e r 转换红外光谱仪 、 热失重分析仪和 电位测定仪等手段对所 制备样 品 的微观结构进行了表征。将所制备 的复合微球用做磨料 ， 考察其对二氧化硅介质层的抛光性能 。 用原子力显微镜观察和测量抛 光表面的微观形貌 、 轮廓 曲线和粗糙度 。结果 表明， 所制备 的 P S C e O 复合微球具有核壳包覆结构 ， 粒径分别约为 1 4 0 ， 1 8 0和 2 2 0 n m， P S内核被粒径约为 5 n m的 C e O 颗粒均匀包覆。A F M结果显示 ， 复合磨料的粒径越小 。 抛光后表面粗糙度越低 ： 且酸 性( o H = 3 1 比碱性f p H ： 1 0 1 抛光浆料具有更好的抛光效果。 关键词 ： P S C e O 复合微球 ； 核壳结构 ； 磨料 ； 化学机械抛光 中图分类号： T B 3 8 3 ； O 6 1 4 3 3 * 2 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 1 4 8 6 1 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 6 6 0 7 Pr e p a r a t i o n o f Co mp o s i t e Po l y s t y r e n e - Co r e Ce O2 - S he l l M i c r o s p he r e s a n d Th e i r App l i c a t i o n i n t h e Ox i d e Ch e mi c a l M e c ha n i c a l Po fis hi n g C HE N Ya n g L U J i n - Xi a C HE N Z h i Ga n g 工 ( S c h o o l o fMa t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g , C h a n g z h o u U n i v e r s i t y , C h a n g z h o u , J i a n g s u 2 1 3 1 6 4 ， C h i n a ) ( 2 D e p a r t m e n t ofC h e m i s t r y a n d B i o e n g i n e e r i n g , S u z h o u U n i v e r s i t y ofS c ie nce a n d T e c h n o l o g y , S u z h o u , J i a n g s u 2 1 5 0 1 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ：C o mp o s i t e p o l y s t y r e n e - c o r e C e O 2 - s h e l l( P S C e O m i c r o s p h e r e s w i t h d i ff e r e n t p a r t i c l e s i z e h a d b e e n s y n t h e s i z e d b y i n - s i t u c he mi c a l p r e c i p i t a t i o n t e c hn i q u e T he a s s y n t h e s i z e d PS Ce O2 c o mp o s i t e mi c r o s p h e r e s s a m p l e s w e r e c h a r a c t e ri z e d b y t e c h n i q u e s o f X r a y d if f r a c t i o n ( X R D ) ， t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n mi c r o s c o p e( T E M ) ， s e l e c t e d a r e a e l e c t r o n d i f f r a c t i o n p a t t e r n s ( S A E D ) ， fi e l d e m i s s i o n s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e( F E S E M) ， e l e c t r o n e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p e ( E D S ) 、 f o u ri e r t r a n s f o r m i r are d s p e c t r u m( F T I R ) ， t h e rmo g r a v i m e t r i c a n al y s i s ( T G A ) a n d p o t e n t i al a n a l y z e r Ef f e c t s o f p a r t i c l e s i z e a n d s l u r r y s p H v a l ue o n t h e o x i de c h e mi c a l me c h a n i c al p o l i s h i n g p e r f o r m a n c e o f P S C e O 2 c o mp o s i t e a b r a s i v e s w e r e c h a r a c t e ri z e d b y a t o m i c f o r c e mi c r o s c o p e( A F M ) T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t P S C e O 2 c o mp o s i t e a b r a s i v e s wi t l c o r e s h e l l mo r p h o l o g y are o b t a i n e d s u c c e s s f u l l y ，a n d t h e p a r t i c l e s i z e o f a s p r e p a r e d PS Ce O2 c o mp o s i t e mi c r o s p h e r e s i s ab o u t 1 4 0，1 8 0 a nd 2 2 0 n m，r e s p e c t i v e l y ，a nd t h e P S m i c r o s p h e r e i s u n i f o rml y c o a t e d b y C e O 2 n a n o p a r t i c l e ( p a rt i c l e s i z e o f- 5 n m ) A f t e r C MP ，t h e s u rf a c e r o u g hH e s s o f S i O2 d i e l e c t ric l a y e r i s d e c r e a s e d i n pa r t i c l e s i z e o f c o mp o s i t e a br a s i v e s ， a n d t h e p o l i s hi n g p e r f o rma n c e u s i n g a c i d s l u r r y( p H = 3 ) i s b e t t e r t h a n t h a t o f a l k a l i n e s l u r r y( p H = l O ) Ke y wo r d s ： P S C e O 2 c o mp o s i t e mi c r o s p h e r e s ； c o r e s h e l l mo r p h o l o g y ； a b r a s i v e s ； c h e mi c a l me c h a n i c al p o l i s h i n g 收稿 日期： 2 0 1 0 0 7 2 0 。收修改稿 13 期 ： 2 0 1 0 0 8 1 5 。 江苏省工业支撑计划项 目( N o B E 2 0 0 8 0 3 7 ) ， 常州市工业科技攻关项 目( N o c E 2 o o 7 0 6 8 、 C E 2 0 0 8 0 8 3 ) ， 常州大学青年人才基金( N o J Q 2 0 1 0 0 5 ) 资助。 通讯联系人 。E m a i l ： c y j p u 1 2 6 c o rn 第 1 期 陈杨 等： 核壳结构 P S C e O ： 复合微球的制备及其在化学机械抛光中的应用 6 7 0 引 言 包覆型有机物( 核1 无机物f 壳1 复合微球材料I 1 - 7 1 兼有 无机材 料 和有 机材 料 的优 点 表现 出优越 的物 理化学性能 对复合微球 的微观结构进行设计 可 以 充分利用有机物内核和壳层无机物的特性 使之在 力 学 、 光学 和 电磁学等 方面表 现 出的优异 性能 。 并通 过 两者之 间 的耦 合作用 产生 出新性 能 已成 为材 料 学 科一个研 究热 点 化 学 机 械 抛 光 f C h e m i c a l Me c h a n i c a l P o l i s h i n g C MP ) 作为一种基于化学和机械复合作用的超精密 加工技术 其中磨料的种类和性质对抛光质量具有 极 大地 影 fl j i s 。近 年来 研 究人 员开 始 将这 种 “ 内柔 外 硬” 、具有特 殊结 构和 特殊 力学 特性 的有 机 无 机 复合微球做为磨料应用于 C MP技术旨在获得光 洁 、 平坦及 无缺 陷 的抛光 表 面 C e O ， 具有 高 化学 活 性 以及合适 的硬度 特 别是对 超大规 模集 成 电路 制 造 中二氧化 硅介 质层 的化学机 械抛光 具有其 他磨 料 所 无法 比拟 的优 势 因此进 一 步 开 发 和研 究 C e O ， 复合磨料具有重要的意义 C o u t i n h o等 制 备 了 以 N 一 异 丙 基 丙 烯 酰 胺 f P N I P A M) 为 核 ， 表 面包 覆 纳 米 C e O 颗 粒 的球 形 复 合磨料 ， 其粒径在 8 0 0 n m左右 应用于氧化物化学 机械抛光，抛光表面无明显划痕 抛光速率达到近 1 0 0 n m rai n 认为由于复合磨料中聚合物 内核 自 身 的 变 形 使 得 抛 光 表 面 划 痕 数 量 减 少 比 利 时 K a t h o l i e k e大学的 A r m i n i t I 1 - 1 5 】 和美国 I n t e l 公司合作 以聚 甲基丙 烯酸 酯( P M MA ) 球 为 内核 采 用两 种方 法制备了包覆均匀的球形 P MMA S i O ， 复合磨料 其 中 P MMA内核的粒径分别为 3 0 0和 6 0 0 n m壳层 中氧 化硅 的粒径 分别 为 1 5 、 3 0和 9 0 n m。一 种 制备 办 法是 通 过 硅 烷偶 联 剂 对 P MMA微球 进 行 表 面 处 理 ，使其与纳米 S i O 粒子表面形成化学键结合； 另 一 种制备办法是通过调整溶液 p H值，使得 P MMA 内核 与纳 米 S i O ， 粒子之 间产生 静 电吸附作用 。将所 制备的 P M MA S i O ， 复合磨料用于氧化物和铜的化 学机 械抛 光 获得 了 良好 的抛 光效果 ， 并将此 归 因于 复合磨料的内柔外硬的特性 以及所具有的弹簧状 f s p i n g l i k e ) 结 构 。有趣 的是 ， A r mi n i 在研究 中发现 ， 较 大粒径的复合磨料反而表现出更好 的抛光特性 所 获得 的抛 光表 面反而具 有更 少的表 面缺 陷 但没有 深入探讨其原因 当 A r m i n i 等 J再采用类似办法制 备 P MMA C e O ， 复合磨料 时效 果并 不理想 纳米 C e O ， 颗粒 在 P MMA 内核 表 面包 覆很 不均匀 尽管 如 此该复合磨料仍然表现出了良好的抛光效果 为 了进一 步研 究 P S C e O ， 复合磨 料 本 工作 以 不同粒径 的聚苯乙烯f P S 1 微球为 内核 使用原位化 学沉 淀 的方 法简 单 、有效 的制 备 了不 同粒径 的 P S C e O 复合微球 将所制备的复合微球配制成抛光浆 料 。 用于硅晶片热氧化层的化学机械抛光 用原子力 显 微镜 f A F M 1 观 察 抛 光表 面 的二 维 和 三 维 形貌 ， 测 量表 面粗 糙度 及微 观轮廓 考察 了复合磨 料 的粒径 以及抛光浆料的 p H值对抛光性能的影响 1 实验部分 1 1原 料 自制 的 P s微 球 乳胶 液( P 1 P 3 其 中 P S微 球 的 粒径分别约在 1 2 0 、 1 6 0和 2 0 0 n m其 F E S E M照片 如 图 1 所 示) 、 六 水硝 酸 亚铈 、 六 亚 甲基 四 胺( H MT ) 、 氨水、盐酸和十二烷基苯磺酸钠等均购 自上海国药 集团化学试剂有限公司 未作任何处理直接使用 图 1 所使用 P s微球的 F E S E M照片 F i g 1 F E S EM i ma g e s o f t h e P S mi c r o s p h e r e s a mp l e s 1 2 P S Ce O2 复合微 球 的制备 分别量 取 4 mL的 P S乳胶 液 f P 1 P 3 ) J J H 入 到 2 0 0m L蒸馏 水 中 超声分 散 1 0 m i n后 加 入 0 5 0 45 g C e ( N O 3 ) 3 6 H 2 O和过量 的沉淀剂 HM T， 控 制反应体 系中 C e ( N O 3 ) ， 与 HM T的物质 的量之 比为 l ： 5 。将配 制的反应液在电磁搅拌的条件下于 7 5反应 2 h 无机化学学报 第 2 7卷 将沉淀物离心分离 、 洗涤 再置于 8 O 鼓风干燥箱 中烘干， 经研磨后即可得到 P S C e O ， 复合微球 所得 样品依次标记为 S 1 S 3 1 3样品 的表征 用 日本理学 D m a x 2 5 0 0 P C型 x 衍射仪分析 样 品的物 相结 构 ；用 荷 兰 P h i l i p s 公 司产 T e c n a i 1 2 型透射 电镜 观察样 品 的微观 结构 并 通过选 区 电子 衍射分析 晶型 ： 用 日本 Hi t a c h i 公 司产 S - 4 8 0 0 I I 型场 发射扫描 电镜观察样 品的粒 径大小 、表面形 貌和 团 聚情况 ， 并用所配带的美国 E D A X公司能谱分析仪 分析 样 品表 面化 学组成 ：用美 国 T h e r mo N i c o l e t 公 司产 A v a t a r 3 7 0型 F o u r i e r 转 换 红 外 光谱 仪 对 样 品 的红外 吸收进行 测试 ： 用美 国 T A公 司 S D T Q 6 0 0 T A 型热重示 差扫描量热 仪测定 样 品的热 性能 ：用英 国 Ma l v e r n公 司产 N a n o Z S型 电位仪测定样品的 ( 电位 。 1 4抛光 试验 称取一定量的 P S C e O ， 复合微球配制成抛光浆 料 ， 用氨水和盐酸作为 p H值调节剂 ， 再加入质量分 数为 0 5的十二烷基苯磺酸钠作为分散剂 在表 1 所示 的抛光 工艺 条件下 使用丹 麦 S t r u e r s公 司 T e g r a F o r c e 一 1 T r g r a P o 1 1 5型精 密 抛 光机 对 硅 热 氧化 片( 购 自常州华 诚 常半微 电子 有 限公 司1 进行 抛 光实 验。 用原子力显微镜( N a n o s c o p e l l I a M u t i mo d e S P M 美国 D I 公司 纵向分辨率为 0 1 n 1 13 横向分辨率为 0 O 1 n m 1 观察 抛 光 后 表 面 的微 观 形貌 测 量 表 面粗 糙度和轮廓曲线 表 1抛 光工 艺 参 数 Ta b l e 1 Pa r a me t e r s o f p o l i s h i n g p r o c e s s 2 结果与讨论 2 1 样 品的 F T I R分析 图 2给 出 了 P S微 球 和 所制 备 P s C e O ， 复 合 微 球样 品的 F T I R图谱 。从 P S C e O ， 复合微球样 品的 兀 I R图谱 中可以看出聚苯 乙烯红外谱 图中所有的 特征吸收峰。 这说明样品中存在聚苯乙烯。此外 复 合微球样品的 F T I R图谱中在 6 9 0 c m一 1 附近出现 了 C e O C e的振 动峰 l l 7 1 ， 在 4 3 0 c m 附近 出现 了 C e 0 图2 P S微球和 P S C e O ： 复合微球样 品的红外图谱 F i g 2 F TI R s p e c t r a o f PS mi c r o s p he r e a nd P S Ce O2 c o mp o s i t e mi c r o s p he r e s a mp l e s 键的伸缩振动峰【 1 8 】 这说明样品中存在 C e O ， 由此说 明形成了 P S C e O ， 复合材料 2 2 样 品 的 X R D分 析 图 3为 P S微 球 和 所制 备 P S C e O ， 复合 微 球 的 X R D图 。如 图所 示 ， P S微 球 的 X射线 衍 射 强度 2 在 2 0 左右出现一个弥散、宽化的衍射峰 属于 P S 的非晶特征衍射峰 而复合微球样 品的 X R D图在 2 8 8 o 、 3 3 1 o 、 4 8 1 。 和 5 6 8 o 出现了衍射峰 ， 对照 C e O ， 的标准 卡( J C P D S c a r d N o 3 4 0 3 9 4 ) 可 知其 归属 于 立 图 3 P S微球和 P S C e O 2 复合微球样品的 X R D图 F i g 3 XRD p a t t e r n s o f t h e PS mi c r o s p he r e a nd P S Ce O2 c o mp o s i t e mi c r o s ph e r e s a mpl e s 第 1 期 陈杨等 ： 核壳结构 P S C e O 2 复合微球的制备及其在化学机械抛光巾的应用 6 9 方 相萤石 结构 C e O ， 的f 1 l l 1 、 ( 2 0 0 ) 、 ( 2 2 0 ) 和( 3 1 1 ) 晶 面 ，而且 衍射峰 峰形尖 锐对称 、强度 高且 没有 杂质 峰 这说明样品中存在晶体结构完整、 结晶度高的立 方 萤石结 构 C e 0 ， 同时 复合微 球样 品的 X R D 图 中 P S的非 晶特 征峰依 然存 在 这 表 明样 品中 聚苯 乙烯 内核主要是由非晶态构成 但其强度明显减弱 这可 能是由于 C e O ， 包覆在 P S内核表面所造成的 2 3样 品的 T E M 观察 为进 一 步 研 究 复 合 微 球 的结 构 形 式 对 样 品 S l S 3进 行 T E M 和 S A E D分析 结 果 如图 4所 示 从 图 可 以看 出 样 品 S l S 3均 呈规 则球 形 ， 平 均粒 径依 次约 在 1 4 0 、 l 8 O和 2 2 0 n m 样 品 中心 部分 与表 层形貌明显不同 存在明显的衬度差 ， 中心部分物质 分布 均 匀 而表 层 则被 粒 径约 为 5 n m 的 C e O 颗 粒 紧密包覆 表 明样品具有核壳型包覆结构。 进一步观 察 可 知 C e O ， 纳 米 颗 粒 在 P S微 球 表 面包 覆 均 匀 ， 但并 没有 完全将 P s内核表 面 覆盖 从与 样 品对 应 的选 区电子衍射( S A E D 1 图谱 中可以看出 ， 衍射环很 清 晰 ， 说 明包覆 在 P S内核 表面 的 C e O 为多晶结 构 。 图 4 P S C e O 2 复合微球样品的 F E S E M照片和 E D S图谱 F i g 4 F ES EM i ma g e s a n d E DS s p e c t r u m o f t h e P S C e O 2 c o mp o s i t e mi c r o s p h e r e s a mp l e s 2 4样 品的 F E S E M 和 E D S分 析 图 5给 J 了复合 微球 样 品 S 1 S 3的 F E S E M 照 片及样品 S l的 E D S图谱 由图可知 所制备复合微 球样 品均呈 规则球形 表面 略显粗 糙 从样 品 S l的 E D S谱 图上 可 以看 出 样 品表 面存 在 C e元 素 和 0 元 素 ， 而且 C元素 的峰较 强 这 可能 的原 因有 二 ： 一 是由于复合微球样品表面的 C e O 包覆层较薄， 电子 束穿 过包 覆层后 作用 到 了聚苯 乙烯 内核上 激发 出 C元素所致 ：二是可能是由于复合微球样品表面的 纳 米 C e O ： 颗 粒没 有 完全 将 P S内核 包覆 ， 电子 束直 接作用到 P S内核表面所致。 Sl 2 0 0 O o o t 。 ：4 o瑚o ii, l 丛 窖 ； 强 t 一r一 r 一 图 5 P S C e O 2 复合微球样 品的 F E S E M照片和 E D S图谱 F i g 5 F E S EM i ma g e s a n d E DS s p e c t r u m o f t h e P S Ce O2 c o mp o s i t e mi c r o s p h e r e s a mp l e s 7 0 无机化学学报 第 2 7卷 2 5 样品 的 T G 分 析 图 6是 P S微 球 和 P S C e O ， 复 合微 球样 品 的 T G A曲线。由图可见 ， 复合微球样品在 3 0 0 o C 范围 内开始 出现轻微 的失重 这 主要是 由于样 品表 面物 理吸 附水 的去 除所 引起 的 ：样 品的主要质量损 失处 于 3 0 0 4 5 0 o C 范 围内 这 主要 是 由于聚苯 乙烯 链段 断裂 ， 即复合颗粒中的内核的分解所造成的 当加热 温度升高到 5 0 0 o C 以后 复合微球中P S内核完全分 解， 而 C e O 纳米颗粒则残余下来， 这样可由复合微球 的失重曲线 求得样 品 S 1 S 3中 C e 0 ， 的包覆量分别 约 为 5 3 2 3 w t 、 4 0 6 1 w t 和 2 4 1 4 w t ( 首先 将干燥 至恒 重 的纳米 C e O ， 用热 分析仪测得其表 面失重约 为 6 6 2 w t ， 计算时已扣除了C e O 本身的表面失重1 。 图6 P S 微球和P S C ； O 2 复合微球样品的T G A曲线 Fi g 6 TGA c ur v e s o f t he PS mi c r o s p he r e a nd P S Ce O2 c o mp o s i t e mi c r o s p h e r e s a mp l e s 2 6 样 品表面 电位的测定 图 7给出了 P S微球 、 P S C e O 复合微球 f 样 品 S 3 )及 纯 C e O 的 电位 随 p H值 的关 系 曲线 P S C e O 复合微球 以及纯 C e O 的 电位随 p H值 的关 系曲线呈 S型其等电点分别在 5 9和 6 8附近。 可 以看出复合微球 的等 电点明显的偏向纯 C e O ， 这表 明 P S 微球内核由于 C e O ， 颗粒的包覆使其表面电性 发生改变。此外也能说明， 复合微球表面 C e O 颗粒 的包覆并不是完全致密的 或者说复合微球的 P S 内核仍然对 电位产生影响 而加入质量分数为 图 7 P S， C e O2 和 P S C e O2 复合 微 球 的 电位 与 p H 值 的关 系 曲线 F i g 7 p o t e n t i a l s o f P S ， C e O2 a n d P S C e 02 c o mp o s i t e mi c r o s p h e r e a s a f u n c ti o n of t h e p H v a l u e 0 5 的十二烷基苯磺酸钠( S D B S ) 复合微球在测 试 的 p H值 范 围内带 负 电荷 。且 其 电位 的绝 对值 增 加 这 表 明 S D B S可 以较 为有 效 的提 高 P S C e O ， 复合 微球在 水相介 质 中分散 稳定性 故在抛 光试 验 中选 择 S D B S做为抛 光浆料 的分散剂 2 7抛光表面 A M 观 察 考察了不同粒径的 P S C e O ， 复合磨料分别在酸 性( p H = 3 ) 1 I 碱性( p H= 1 0 ) 抛光浆料中的抛光效果 ， 其 结果 如表 2所示 可 以看 出 在 本实验抛 光工艺 参数条 件下 相 对 于碱性抛光 浆料 使用 酸性浆料 抛光后 表面可 以获 得更低的粗糙度值 ； 而且随着复合磨料粒径的减小， 抛 光表 面的粗糙 度也随 之降低 且表面 轮廓 曲线 也 更趋于平缓 图 8分别给出了复合磨料 S I ( 粒径约 1 4 0 n m ) 在 酸性 和 复合 磨料 S 3 f 粒径 约 2 2 0 n m 1 在 碱 性条件下 抛光后表面的 A F M二维形貌和三维立体 形貌f 其 中垂直方 向单 位高度 均 为 1 0 n m1 ， 以及表 面 微观轮廓曲线 f 均选择两个对角线做为测量位置1 。 从 A F M二维形貌可以看出 经 P S C e O ， 复合磨料抛 光后二 氧化硅介 质层表 面平整 无 明显 划痕 。 表 明所 制备 的 P S C e O ， 复合 磨料 对二 氧化硅介 质 层有 良好 的抛光效果 其 中使用复合磨料 S 1 在酸性条件下。 表 2 复合磨料抛光后晶片表面粗糙度值 Ta b l e 2 Ro u g h n e s s v a l u e o f wa f e r s u r f a c e p o l i s h e d b y c o mp o s i t e a b r a s i v e 第 1 期 陈杨等 ： 核壳结构 P S C e O 复合微球的制备及其在化学机械抛光中的应用 7 1 图 8 复合磨料抛光后表面的 A F M二维、 三维形貌和 微观轮廓图 F i g 8 AF M to p o g r a p h i e s a n d p r o f i l o g r a ms o f t h e o x i d e w a f e r s u r f a c e a f t e r p o l i s h e d b y c o mp o s i t e a b r a s i v e s 晶片抛光表面在 5 x 5 m范围内粗糙度 值( 平均 值) 和 R 值( 均方根值) 分别为 0 1 6 7和 0 2 1 4 n m。 可以推测 由于复合磨料中聚合物内核的作用 ， 使其表 现 出固有的弹性 又 由于表 面 C e O ， 纳米颗 粒 的包覆 又使得复合磨料具有可观的表面硬度 从而 使得这种核壳结构的有机物f 核) 无机物( 壳) 的复合 磨 料具有 独特 的 “ 内柔外硬 ”的力学 性质 比利 时 K a t h o l i e k e大学 的 A r m i n i 等 I 1 9 1 研 究 表 明 核 壳 结 构 的 P MMMS i O ， 复合磨料( P MMA内核约 为 3 7 0 n m S i O ， 壳层厚度 约 为 3 0 n m 1 在 液相 环境 中所测得 的弹 性 模 量 为 f 2 9 + 0 6 1 G P a 并 由此 认 为 复合 磨 料 在 与 芷 ： 片表 面接 触过 程 中可 能会 产 生一 定 的 弹性 变形 作者认为。本实验所制备的 P S C e O ， 复合磨料也具 有类似 的力学 特性 基 于 以上 分析 给 出了晶片 、 复合 磨料 和抛光垫 之间 的接 触模 型 如 图 9所 示 假设复合磨料在接触力 F的作 用下所产生 的 弹性性变形量为 即球形复合磨料在垂直轴向上 的 直径 变 化1 由弹性 力 学 可 知 ， 弹 性 变形 量 6与 球 形磨 料 的 直径 D 和弹 性模 量 E均 呈 非线 性 递减 关 系 由于复合磨料 自身的弹性变形 增大了磨料与晶 片表面的接触面积 可以将抛光压力更加温和地传 递给抛光表面， 使得接触应力降低 使得单个磨料的 图 9晶片 复合磨料 抛光垫三者之间的接触模型 F i g 9 S c h e ma t i c o f t h e wa f e r c o mp o s i t e a b r a s i v e p a d mi c r o c o n t a c t 在晶片表面的压人深度 d减少 因此不仅抛光表面 粗糙度得 以降低而且还有利于减少划痕和亚表层 损伤 考虑到抛光垫表面所存在的凹凸峰， 该复合磨 料所特 有 的“ 弹簧状 ” 状结 构还有 利于 调节磨 料粒子 与晶片之间的接触状态 有利于提高抛光表面的平 整度 获得高质量的抛光效果。 目前 关 于复 合磨 料 的研 究还 主 要处 在 制备 、 表 征以及抛光性能的评价等方面 而关于复合磨料 自 身 力学 特性f 弹性 模量 和表 面硬 度等 1 的研 究 尚不深 入 其具体的抛光机理有待通过试验研究与模拟仿 真相结合的方法进一步讨论 3 结 论 本文 以 自制 的P S微球 为 内核 采 用原 位 化学沉 淀的方法制备了不同粒径的核壳包覆结构 P S C e O ， 复合磨料。 所制备的复合磨料呈规则球形 平均粒径 分 别 约 为 1 4 0 、 1 8 0和 2 2 0 n m， P S内 核 被 粒 径 约 为 5 n m的 C e O 颗粒均匀包覆。该复合磨料对二氧化 硅介 质层具 有 良好 的抛光 效果 在本 实验条 件下均 获得 了具 有亚纳米 量级 粗糙度 的抛 光表面 A F M结 果显示 复 合磨料 的粒径 越小 抛 光后 二氧化 硅介质 层 表面粗 糙 度越 低 ； 且酸 性( p H= 3 ) 比碱 性( p H = l O ) 抛 光浆料具有更好的抛光效果 在酸性条件下使用复 合磨料 S 1 f 约 1 4 0 n m 1 抛光后晶片表面具有最低 的 粗糙度值 ， 5 x 5 m范围内粗糙度 值和 RR 值分 别 为 0 1 6 7和 0 2 1 4 n m 参 考文献 ： 【 1 】 S h e n H X ， X u M M， Y a n X ， e t a 1 C o l l o id s S u ， A ， 2 0 1 0 ， 3 5 3 ( 2 3 ) ： 2 0 4 2 0 9 【 2 】 H e L ， L i a n g J Y F l u o r i n e C h e m ， 2 0 0 8 ， 1 2 9 ( 7 ) ： 5 9 0 - 5 9 7 【 3 】 Z h u A P ， S h i Z H ， C a i A Y ， e t a 1 e o l y m T e s t ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 5 ) ： 54 0 54 7 一 5432 OJ00 7 2 无机化学学报 第 2 7卷 4 F a n g X J ， Y a n g H ， Wu G ， e t a 1 C u r r A p p 1 P h y s ， 2 0 0 9 ， 9 ( 4 ) ： 7 5 5 7 5 9 5 C H E N Mi n ( 陈敏) T h e s s f o r t h e D o c t o r a t e o f F u d a n U n i v e r s i t y r 复旦大学博士论文1 2 0 0 6 6 Z H A O J i “( 赵吉丽) ， Y I N R o n g ( 荣) e o y M a t e r S c i E n g ( G a o f e n g z i C a i l i a o Y u G o n g c h e n g ) ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 1 0 ) ： 1 0 9 1 1 2 【 7 】 Z H O U Q i a n ( 倩) ， D O N G P e n g ( 董鹏) C h e m I n d E n g ( Hu a g o n g X u e b a o ) ， 2 0 0 9 ， 6 0 ( 4 ) ： 1 0 3 5 - 0 1 3 9 【 8 】 F e n g X D ， S a y l e D C ， Wa n g Z L ， e t a 1 S c i e n c e ， 2 0 0 6 ， 3 1 2 ： 1 5 0 4 5 0 8 9 H o s h i n o T ， K u r a t a Y ， T e r a s a k i Y ， e t a 1 N o n C r y s t S o l i d s ， 2 0 0 1 ， 2 8 3 ( 1 2 3 ) ： 1 2 9 1 3 6 【 t 0 C o u t i n h o C A ， Mu d h i v a r t h i S R ， K u ma r A ， e t a 1 A p p 1 S u S c i ， 2 0 0 8 ， 2 5 5 ： 3 0 9 0 - 3 0 9 6 【 1 1 A r m i n i S ， Wh e l a n C M， M o i n p o u r M， e t a 1 E l e c t r o c h e m S o c ， 2 O 0 7 ， 1 5 4 ( 8 ) ： 6 6 1 6 7 1 【 1 2 A r m i n i S ，W h e l a n C M，M o i n p o u r M， e t a 1 E l e c t r o c hem S o l i d S t a t e L e t t ， 2 0 0 7 1 0 ( 9 ) ： 2 4 3 2 4 7 1 3 A r mi n i S ， Wh e l a n C M， Mo i n p o u r M ， e t a 1 上E le c t r o