电致化学抛光中的物料平衡问题研究

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电致化学抛光(Electrogenerated Chemical Polishing,简称EGCP)是一种新的超精密无应力平坦化加工方法,该方法通过电化学氧化将抛光液中的电活性中介体氧化成刻蚀剂,对工件进行刻蚀加工。基于离子扩散控制反应原理,实现工件的抛光加工。EGCP加工方法具有距离敏感性,工作电极与工件表面之间的加工间隙越小,EGCP面形改善能力越好,加工效率越高。所以电极与工件表面之间的加工间隙通常为微纳间隙。但是,在微纳间隙内难以进行有效的物料扩散,会导致加工产生的物质难以快速地扩散出加工区,而这些物质的累积会对整个加工过程造成负面的影响。因此,研究这种影响并提出解决相应方法是改善EGCP抛光能力的关键问题之一。铜的电致化学抛光过程中,加工区域的刻蚀产物Cu2+的浓度对于加工效率和工件表面改善有着很大的影响。在加工过程中,由于Cu2+不能及时扩散出加工区,会在加工区域逐渐累积。当Cu2+的浓度累积到一定程度时,加工效率就会下降,同时,Cu2+浓度的增大也会影响刻蚀后的铜工件表面粗糙度。针对这一问题,本文通过观察Cu2+浓度变化对于铜的电致化学抛光过程的影响,分析了在EGCP中Cu2+浓度、物料扩散条件对于加工效率和工件表面改善能力的影响机理,并通过这些研究来对加工过程进行改善。利用抬起电极方法和切槽电极可以对电致化学抛光加工过程中存在的物料扩散困难问题进行一定程度的改善。通过抬起电极的方法可以有效的提升物料扩散效率,改善加工效率和刻蚀效果:提高电极抬起频率,刻蚀效率可以提升近一倍,表面粗糙度也有明显的改善,加工过程中未抬起电极时加工后工件表面的Ra值为6.30 nm,而通过抬起电极可将工件表面Ra值改善为2.40 nm。与通过抬起电极来改善扩散条件相比,利用切槽电极进行抛光加工在减少实验操作复杂程度的情况下,同样可以有效的改善刻蚀效率。最后,面向实际加工需求,设计了大面积工件电致化学抛光加工试验平台,并利用其进行了加工试验,取得了较好的加工结果。加工后,工件表面粗糙度Ra值从46.75 nm改善至2.79 nm,刻蚀区域的线轮廓PV值从2.13μm改善到0.90μm。
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