1Introdução às tecnologias de polimento de superfície

Para obter acabamentos de superfície de alta qualidade, os processos de polimento removem o material da superfície da peça de trabalho através dos efeitos combinados da ação mecânica e das reações químicas.Estes processos utilizam tipicamente partículas abrasivas finas juntamente com ferramentas de polimento suaves (como beterraba)., poliuretano e tecido), soluções químicas, campos elétricos/magnéticos ou feixes de partículas como métodos auxiliares.

De acordo com os diferentes mecanismos de remoção de materiais envolvidos, as tecnologias de polimento podem ser classificadas principalmente em:

• Limpeza mecânica
• Poluição química/electroquímica
• Poluição química mecânica (CMP)
• Outras tecnologias avançadas de polimento

(1) Polir mecânico

O polir mecânico remove uma pequena quantidade de material da superfície da peça de trabalho através da interação entre as partículas abrasivas e uma almofada de polir, produzindo uma superfície lisa.É actualmente uma das tecnologias de polimento mais utilizadas para componentes ópticos.

O processo de polimento mecânico convencional é ilustrado na figura abaixo.

Durante o polimento mecânico, as partículas abrasivas são pressionadas na superfície da peça sob a pressão normal gerada pelas asperezas da almofada de polimento.À medida que a almofada de polir se move em relação à peça de trabalho, as partículas abrasivas interagem com a superfície através de ações de atrito, arado e corte, removendo assim o material da peça.

O comportamento de deformação dos materiais de superfície causado por partículas abrasivas pode ser geralmente dividido em três estágios:

• Deformação elástica
• Deformação plástica
• Deformação frágil

Como o polimento mecânico geralmente utiliza pequenas partículas abrasivas e ferramentas de polimento relativamente macias,O material de superfície geralmente sofre deformações elásticas ou plásticas durante o processo de polimento.

A partir de uma perspectiva microscópica, foi estabelecido um modelo de interação mecânica entre as partículas abrasivas e a superfície da peça de trabalho, tal como mostrado na figura (a).

Neste modelo, assume-se que a partícula abrasiva é esférica e pressionada na superfície da peça sob a pressão aplicada pelas asperezas da almofada de polimento.

Durante o polimento mecânico, a remoção do material depende principalmente da profundidade de indentagem da partícula abrasiva.

Existe uma profundidade crítica de afundamento correspondente à transição da deformação elástica para a deformação plástica:

• Quando a profundidade de inclinação é menor do que o valor crítico, o material de superfície só sofre deformação elástica e não ocorre remoção de material.
• Quando a profundidade de inclinação excede o valor crítico, ocorre deformação plástica, resultando na remoção efetiva do material.

Diferentes profundidades de incisão abrasiva levam a diferentes mecanismos de remoção de materiais, que determinam o estado de desgaste final da superfície processada.

Conforme mostrado na figura b):

Quando a profundidade de inclinação atinge a escala atômica (aproximadamente 5 Å), a superfície da peça de trabalho sofre apenas deformação elástica.

Quando a profundidade de afundamento aumenta para aproximadamente 1015 Å, o mecanismo de remoção dominante torna-seremoção de aradoSob o efeito de extrusão de partículas abrasivas, os átomos da superfície acumulam-se e formam aglomerados atómicos, que são gradualmente removidos à medida que as partículas abrasivas se movem.

O número de átomos removidos aumenta proporcionalmente com a profundidade de indentamento.

Quando a profundidade de inclinação aumenta para aproximadamente 20 Å, o mecanismo de remoção muda pararemoção de corte.

Nesta fase, um grande número de átomos da superfície é cortado diretamente por partículas abrasivas, formando chips que são removidos junto com o movimento abrasivo.

Durante este processo, as partículas abrasivas não só empurram e acumulam átomos da superfície, mas também geram protuberâncias severas ao redor dos arranhões, resultando em um aumento da rugosidade da superfície.

A teoria tradicional do polimento mecânico sugere que a remoção do material não ocorre durante o estágio de deformação elástica.A remoção do material só começa quando as partículas abrasivas induzem a deformação plástica através da ação de corte.

Por conseguinte, o polimento mecânico introduz inevitavelmente uma certa quantidade de danos à superfície e ao subsolo.

Em processos de polimento mecânico, os danos à superfície/subsuperfície dos componentes ópticos são fortemente influenciados por parâmetros do processo, incluindo:

• Pressão de polimento
• Propriedades mecânicas da ferramenta de polimento
• Tamanho das partículas do abrasivo
• Morfologia das partículas abrasivas

A figura a) mostra uma superfície de vidro óptico BK7 após polimento mecânico.

O processo de polimento utilizou partículas abrasivas de 10 μm de Al2O3 e uma ferramenta de polimento de pitch.

A figura b) mostra os danos na superfície e no subsuperfício de uma bolacha CdZnTe após 30 minutos de polimento mecânico observados por microscopia eletrônica de varredura.

O processo de polimento utilizou partículas abrasivas de Al2O3 de 2 5 μm com uma ferramenta de polimento de chapas de alumínio.

Observaram-se arranhões em escala de micrões e submicrões na superfície, sendo a espessura da camada de lesão subterrânea inferior a 1 μm e constituída principalmente por uma camada policristalina,Indicando danos por deformação plástica.

(2) Polir química e polir eletroquímica

O polimento químico e o polimento eletroquímico utilizam reações químicas ou eletroquímicas para dissolver o material da superfície da peça de trabalho.

Durante o processo, protuberâncias microscópicas na superfície se dissolvem preferencialmente em comparação com regiões empenhadas, resultando em uma superfície mais lisa.

A composição básica das soluções de polimento químico/electroquímico inclui geralmente:

• Exemplos de produtos químicos
• Inibidores
• Água

As funções de cada componente são as seguintes:

• Exemplos:Dissolver o material da superfície através de reacções químicas.
• Inibidores:suprimir a corrosão excessiva e melhorar a capacidade de controlo do processo.
• Água:Funciona como diluente e facilita a difusão dos produtos da reação.

Para diferentes materiais de peça de trabalho, devem ser selecionados sistemas de solução de polimento correspondentes em função das suas propriedades químicas.

Como os materiais ópticos geralmente possuem excelente estabilidade química, ácidos fortes, álcalis fortes ou agentes oxidantes fortes são frequentemente necessários como etchants durante o polimento químico.

Por exemplo, componentes ópticos compostos principalmente de SiO2, como o vidro K9 e a sílica fundida, geralmente usam ácido fluorídrico (HF) como o gravador.

A reação química é:

$$SI{O}_2+6HF\to H_{2}SI{F}_6+2H_{2}O$$

O polimento químico apresenta um fluxo de processo simples e uma implementação relativamente fácil.

No entanto, também sofre de várias limitações:

• Baixa precisão de processamento
• Pouca capacidade de controlo
• Repetibilidade limitada
• Questões de poluição ambiental

Por conseguinte, é difícil satisfazer os requisitos da fabricação de componentes ópticos de ultra-precisão.

O polimento eletroquímico é amplamente aplicado em:

• Revestimentos metálicos
• Preparação de amostras metalográficas
• Tratamento de superfície de precisão

O polimento eletroquímico utiliza a dissolução anódica de metais para processamento de superfície.

É considerado um método de usinagem sem contato e sem tensão, com vantagens que incluem:

• Eficiência elevada de remoção de materiais
• Sem danos mecânicos
• Sem camada de endurecimento
• Nenhuma geração de tensão residual

No entanto, requer que o material processado possua boa condutividade elétrica, tornando-o inadequado para a maioria dos materiais ópticos.

O polimento químico e eletroquímico remove materiais através de mecanismos de dissolução.

Como o processo de remoção é independente de propriedades mecânicas como dureza, resistência e resistência,Estes métodos podem reduzir rapidamente a rugosidade da superfície e alcançar uma excelente qualidade de polimento.

Enquanto isso, como não há atrito mecânico ou ação de corte, o equipamento necessário é geralmente mais simples e menos dispendioso em comparação com os sistemas de polimento mecânico.

No entanto, as tecnologias de polimento químico/electroquímico também apresentam várias limitações:

1) Alto custo de desenvolvimento

Devido às diferenças de propriedades químicas entre os materiais, devem ser desenvolvidas soluções de polimento específicas para diferentes materiais, exigindo uma ampla otimização experimental dos parâmetros do processo.

2) Difícil controlo das taxas de reacção química

A taxa de reação é difícil de regular com precisão, tornando difícil manter a precisão dimensional e a precisão geométrica.

3) Forte dependência da uniformidade dos materiais

A qualidade da superfície obtida é fortemente afectada pela estrutura interna e pela pureza da peça.

Impuridades e defeitos estruturais no interior do material podem reduzir significativamente a qualidade final da superfície.

(3) Tecnologia de polimento químico mecânico (CMP)

O polimento químico mecânico (CMP) é uma tecnologia de planarização de superfície que combinaReações químicas e abrasão mecânicaTem sido amplamente aplicado na fabricação de semicondutores, processamento de componentes ópticos e fabricação de materiais avançados.

O desenvolvimento da tecnologia CMP está estreitamente associado ao avanço da tecnologia dos semicondutores.como acabamento de superfície de vidro e metaisNo entanto, estas abordagens convencionais não foram capazes de satisfazer os requisitos cada vez mais rigorosos de alta precisão e planarização da superfície em nanoescala.

Na década de 1950, os pesquisadores descobriram que os reagentes químicos, como ácidos e soluções alcalinas, poderiam auxiliar na remoção de materiais e reduzir danos mecânicos.Esta descoberta lançou as bases para o desenvolvimento da tecnologia CMP.

Em 1965, a IBM introduziu pela primeira vez a tecnologia CMP para polimento de wafers de silício.Os processos tradicionais de gravação a seco e os métodos de polimento puramente mecânicos não foram capazes de eliminar eficazmente as variações topográficas da superfícieComo resultado, a CMP tornou-se gradualmente uma tecnologia de processo crítica.

No entanto, os processos iniciais de CMP ainda enfrentavam vários desafios, incluindo:

• Má estabilidade das pastas de polimento
• Precisão insuficiente do equipamento
• Dificuldade de controlar as taxas de remoção de material

Em 1997, a IBM introduziu com sucesso o CMP em processos de polimento de interconexão de cobre.

O CMP de cobre requer um controle preciso do equilíbrio entre a dissolução química e a abrasão mecânica para suprimir a oxidação excessiva do cobre e obter uma remoção uniforme do material.

Com a evolução contínua da tecnologia de fabricação de semicondutores, o CMP tornou-se a única solução de planarização viável quando os processos de semicondutores entraram no nó da tecnologia sub-0,25 μm.

Além disso, a introdução de materiais dielétricos de baixo k exigiu processos CMP mais suaves para minimizar danos mecânicos e manter a integridade estrutural.

Mecanismo de processamento CMP

A CMP utiliza partículas abrasivas relativamente macias para obter um polir de superfície de alta qualidade.

Durante o processo CMP, a peça de trabalho é pressionada contra uma almofada de polimento sob pressão controlada e se move em relação à almofada.

A superfície da peça de trabalho torna-se gradualmente mais lisa através da interacção sinérgica entre as partículas abrasivas em nanoescala e os componentes químicos da lama de polimento.Tal como ilustrado na figura abaixo.

O sistema CMP consiste geralmente num transportador rotativo e numa placa de polimento.

Através de sua rotação coordenada, uma complexa trajetória de movimento relativo é gerada entre a bolacha e a almofada de polimento.

Uma lama fornecida continuamente por uma bomba peristáltica contém dois componentes funcionais:

• Partículas abrasivas:proporcionar uma acção de polimento mecânico.
• Agentes oxidantes:induzir reações químicas na superfície do material.

O mecanismo de eliminação de material CMP envolve principalmente duas etapas sequenciais:

Fase 1: Oxidação da superfície e modificação química

Os agentes oxidantes reagem com a superfície da peça de trabalho e geram uma camada de superfície quimicamente modificada ou suavizada.

Passo 2: remoção mecânica da camada reagida

As partículas abrasivas removem esta camada de reação suavizada através de interação mecânica.

Este processo cíclico produz finalmente uma superfície ultra suave com uma rugosidade extremamente baixa.

Deve notar-se que o equilíbrio entre os efeitos químicos e mecânicos no CMP desempenha um papel decisivo na determinação da qualidade final do processamento.

Quando a acção mecânica é predominante:

• Podem ocorrer arranhões na superfície.
• A concentração de esforço residual pode aumentar.
• Pode haver danos no subsolo.

Quando a acção química se torna excessiva:

• Podem aparecer defeitos de corrosão da superfície.
• Pode ocorrer gravura localizada.
• A morfologia da superfície pode deteriorar.

Por conseguinte, a otimização da interacção sinérgica entre as reações químicas e a abrasão mecânica é o fator chave para melhorar o desempenho do CMP.

A investigação demonstrou que a intensidade de polimento mecânico e a taxa de reacção química apresentam uma correlação positiva.

Este efeito de acoplamento influencia diretamente a eficiência da remoção de materiais.

Por conseguinte, o controlo preciso da composição da lama tornou-se um dos principais desafios tecnológicos no desenvolvimento de processos avançados de CMP.

Para se obter uma superfície polida de elevada qualidade, os efeitos químicos e mecânicos durante a MPC devem atingir um equilíbrio adequado.

Se a acção química prevalecer sobre a acção mecânica:

• Poços de corrosão
• Padrões de superfície semelhantes a casca de laranja
• Morfologia da superfície não uniforme

podem ocorrer.

Por outro lado, se a acção mecânica dominar:

• Arranhões
• Fissuras
• Camadas de danos subterrâneos

são susceptíveis de se formar.

2. Fatores que afectam o polimento químico mecânico

Durante o processamento CMP, os parâmetros do processo têm uma influência significativa sobre:

• Taxa de remoção de material (MRR)
• A rugosidade da superfície
• Integridade da superfície
• Uniformidade do processamento

De acordo com a equação de Preston:

$$MRR=K\times P\times V$$

em que:

• MRRrepresenta a taxa de remoção do material.
• Ké o coeficiente de Preston relacionado com as condições de polimento.
• Prepresenta a pressão de polimento.
• Vrepresenta a velocidade relativa de polimento.

A pressão de polimento e a velocidade de rotação determinam conjuntamente a eficiência de remoção do material.

(1) Efeito da pressão de polimento

A pressão de polimento determina directamente a tensão de contacto entre a almofada de polimento e a superfície da bolacha.

O aumento da pressão geralmente melhora o contato entre as partículas abrasivas e a bolacha, aumentando assim o MRR.

No entanto, a pressão excessiva pode resultar em:

• Micro-arranhões na superfície
• Deformação da wafer
• Poluição excessiva localizada
• Defeitos na preparação dos pratos

Por conseguinte, deve ser seleccionada uma faixa de pressão adequada para equilibrar a eficiência e a qualidade da superfície.

(2) Efeito da velocidade de rotação

A velocidade de rotação relativa entre a almofada de polimento e a bolacha afeta o comportamento hidrodinâmico e a distribuição da lama de polimento.

Uma grande diferença de velocidade pode causar remoção excessiva da borda, levando ao fenômeno conhecido comorolagem da borda.

O aumento da velocidade de rotação aumenta as forças de cisalhamento mecânico, o que pode melhorar a eficiência da remoção de material.

No entanto, uma velocidade excessivamente elevada pode gerar aumentos de temperatura localizados (normalmente superiores a 10 °C), resultando em alterações na atividade química da lama e afetando a estabilidade do polimento.

(3) Efeito da taxa de fluxo da lama

A taxa de fluxo da lama influencia ambos:

• Reacções químicas entre a lama e a superfície da bolacha.
• Eliminação mecânica da camada de reacção oxidada.

Além disso, através da convecção, a lama atua como um refrigerante e ajuda a dissipar o calor gerado na interface entre a almofada de polimento e a bolacha.

Por conseguinte, a otimização do caudal da lama contribui para melhorar a eficiência de polimento e a qualidade da superfície.

Ajuste adequado dos parâmetros do processo, incluindo:

• Pressão
• Velocidade de rotação
• Fluxo de lama

É essencial para alcançar processos CMP de alto desempenho.

A investigação demonstrou que, dentro de uma faixa de pressão adequada, a MRR aumenta aproximadamente proporcionalmente à pressão aplicada.

A baixa pressão e a baixos caudais de lodo:

• Podem ocorrer reacções de oxidação insuficientes.
• A eficiência de remoção de material diminui.

O aumento da pressão ou do caudal da lama pode:

• Reduzir a temperatura da almofada de polir.
• Melhorar a capacidade de oxidação.
• Melhorar a eficiência da remoção mecânica.

Como resultado, o MRR aumenta.

No entanto, a pressão excessiva ou o caudal da lama podem causar uma abrasão mecânica predominante.

Embora a MRR possa continuar a aumentar, a rugosidade da superfície também pode aumentar e podem aparecer defeitos de arranhões.

Por conseguinte, é essencial estabelecer um equilíbrio dinâmico entre as reacções de oxidação e a remoção mecânica para alcançar a máxima eficiência de polimento.

(a) Composição da lama de polimento

Embora a MPC exija um controlo preciso dos parâmetros do processo, tais como:

• Pressão de polimento
• Velocidade de rotação
• Fluxo de lama

A lama de polimento continua a ser o fator mais crítico que afeta o desempenho do CMP.

Os principais componentes da lama de CMP incluem:

• Partículas abrasivas
• Agentes oxidantes
• Reguladores de pH

Estes componentes influenciam significativamente:

• Taxa de remoção de material (MRR)
• A rugosidade da superfície
• Formação de defeitos de superfície

b) Agentes oxidantes

Os agentes oxidantes desempenham um papel crítico na CMP, promovendo reações de oxidação na superfície do material.

Essas reações geram uma camada de óxido relativamente mais macia, que pode então ser facilmente removida por abrasão mecânica.

O processo de oxidação reduz efetivamente a força mecânica necessária para remover o material e ajuda a minimizar os danos à superfície.

c) Valor do pH

O valor do pH da lama de polimento afeta directamente:

• Taxa de polir
• Qualidade da superfície
• Mecanismo de remoção de material

A concentração de ácido e alcalinidade da lama pode ser regulada para controlar a taxa de reação química entre a lama e a superfície do material.

Um valor de pH otimizado ajuda a alcançar um equilíbrio entre modificação química e remoção mecânica.

d) Substâncias tensioativas

Os tensioativos atuam como agentes estabilizadores na lama de CMP.

As suas principais funções incluem:

1. Manutenção da estabilidade da lama

Os tensioativos impedem:

• Agregação de partículas abrasivas
• Separação dos componentes
• Sedimentação

mantendo assim a uniformidade da lama.

2. Melhoramento do comportamento de propagação de lodo

Os surfactantes reduzem a tensão superficial da lama, permitindo uma melhor disseminação nas superfícies de wafer hidrofóbicas.

Isto reforça o contacto entre:

• Partículas abrasivas
• Componentes químicos
• Superfície do material

que conduz a uma melhoria da uniformidade e da eficiência do polimento.

3Redução dos danos à superfície

Os tensioativos podem regular as taxas de reação da superfície ou formar filmes protetores na superfície.

Isto ajuda a equilibrar a abrasão mecânica e a corrosão química, melhorando:

• Eficiência de remoção de materiais
• Suavidade da superfície
• Resistência a danos no subsolo