1. Introduction aux technologies de polissage de surface

Pour obtenir des finitions de surface de haute qualité, les processus de polissage retirent de la matière de la surface de la pièce par les effets combinés de l'action mécanique et des réactions chimiques. Ces processus utilisent généralement des particules abrasives fines associées à des outils de polissage souples (tels que le brai, le polyuréthane et le tissu), des solutions chimiques, des champs électriques/magnétiques ou des faisceaux de particules comme méthodes auxiliaires.

Selon les différents mécanismes d'enlèvement de matière impliqués, les technologies de polissage peuvent être principalement classées en :

• Polissage mécanique
• Polissage chimique/électrochimique
• Polissage mécano-chimique (CMP)
• Autres technologies de polissage avancées

(1) Polissage mécanique

Le polissage mécanique retire une petite quantité de matière de la surface de la pièce par l'interaction entre les particules abrasives et un tampon de polissage, produisant une surface lisse. C'est actuellement l'une des technologies de polissage les plus utilisées pour les composants optiques.

Le processus conventionnel de polissage mécanique est illustré dans la figure ci-dessous.

Lors du polissage mécanique, les particules abrasives sont pressées dans la surface de la pièce sous la pression normale générée par les aspérités du tampon de polissage. Lorsque le tampon de polissage se déplace par rapport à la pièce, les particules abrasives interagissent avec la surface par friction, labourage et action de coupe, retirant ainsi de la matière de la pièce.

Le comportement de déformation des matériaux de surface causé par les particules abrasives peut généralement être divisé en trois étapes :

• Déformation élastique
• Déformation plastique
• Déformation fragile

Étant donné que le polissage mécanique utilise généralement de petites particules abrasives et des outils de polissage relativement souples, le matériau de surface subit généralement une déformation élastique ou plastique pendant le processus de polissage.

D'un point de vue microscopique, un modèle d'interaction mécanique entre les particules abrasives et la surface de la pièce a été établi, comme le montre la figure (a).

Dans ce modèle, la particule abrasive est supposée sphérique et pressée dans la surface de la pièce sous la pression appliquée par les aspérités du tampon de polissage.

Lors du polissage mécanique, le fait que l'enlèvement de matière se produise dépend principalement de la profondeur d'indentation de la particule abrasive.

Il existe une profondeur d'indentation critique correspondant à la transition de la déformation élastique à la déformation plastique :

• Lorsque la profondeur d'indentation est inférieure à la valeur critique, le matériau de surface subit uniquement une déformation élastique, et aucun enlèvement de matière ne se produit.
• Lorsque la profondeur d'indentation dépasse la valeur critique, une déformation plastique se produit, entraînant un enlèvement de matière efficace.

Différentes profondeurs d'indentation des abrasifs conduisent à différents mécanismes d'enlèvement de matière, qui déterminent l'état d'usure final de la surface traitée.

Comme le montre la figure (b) :

Lorsque la profondeur d'indentation atteint l'échelle atomique (environ 5 Å), la surface de la pièce ne subit qu'une déformation élastique. Aucun atome n'est retiré et aucun dommage de surface n'est généré.

Lorsque la profondeur d'indentation augmente à environ 10-15 Å, le mécanisme d'enlèvement dominant devient le labourage par enlèvement. Sous l'effet d'extrusion des particules abrasives, les atomes de surface s'accumulent et forment des amas atomiques, qui sont progressivement retirés au fur et à mesure du déplacement des particules abrasives.

Le nombre d'atomes retirés augmente proportionnellement à la profondeur d'indentation.

Lorsque la profondeur d'indentation augmente encore à environ 20 Å, le mécanisme d'enlèvement passe à la coupe par enlèvementPression

À ce stade, un grand nombre d'atomes de surface sont directement coupés par les particules abrasives, formant des copeaux qui sont retirés avec le mouvement de l'abrasif.

Au cours de ce processus, les particules abrasives ne font pas que pousser et accumuler les atomes de surface, mais génèrent également des protubérances sévères autour des rayures, entraînant une rugosité de surface accrue.

La théorie traditionnelle du polissage mécanique suggère que l'enlèvement de matière ne se produit pas pendant le stade de déformation élastique. Au lieu de cela, l'enlèvement de matière ne commence que lorsque les particules abrasives induisent une déformation plastique par action de coupe.

Par conséquent, le polissage mécanique introduit inévitablement une certaine quantité de dommages de surface et de subsurface.

Dans les processus de polissage mécanique, les dommages de surface/subsurface des composants optiques sont fortement influencés par les paramètres du processus, notamment :

• Rugosité de surface
• Propriétés mécaniques de l'outil de polissage
• Taille des particules abrasives
• Morphologie des particules abrasives

La figure (a) montre une surface de verre optique BK7 après polissage mécanique.

Le processus de polissage a utilisé des particules abrasives d'Al₂O₃ de 10 µm et un outil de polissage en brai. Des défauts de rayures importants causés par l'abrasion mécanique sont clairement visibles sur la surface.

La figure (b) montre les dommages de surface et de subsurface d'une plaquette de CdZnTe après 30 minutes de polissage mécanique observés par microscopie électronique à balayage.

Le processus de polissage a utilisé des particules abrasives d'Al₂O₃ de 2 à 5 µm avec un outil de polissage en plaque d'aluminium.

Des rayures de taille micrométrique et submicrométrique ont été observées sur la surface. L'épaisseur de la couche de dommages de subsurface était inférieure à 1 µm et consistait principalement en une couche polycristalline, indiquant des dommages par déformation plastique.

(2) Polissage chimique et polissage électrochimique

Le polissage chimique et le polissage électrochimique utilisent des réactions chimiques ou électrochimiques pour dissoudre la matière de la surface de la pièce.

Au cours du processus, les protubérances microscopiques à la surface se dissolvent préférentiellement par rapport aux régions en creux, ce qui donne une surface plus lisse.

La composition de base des solutions de polissage chimique/électrochimique comprend généralement :

• Attaques chimiques
• Inhibiteurs
• Eau

Les fonctions de chaque composant sont les suivantes :

• Attaques chimiques : dissolvent le matériau de surface par des réactions chimiques.
• Inhibiteurs : suppriment la corrosion excessive et améliorent la contrôlabilité du processus.
• Eau : agit comme diluant et facilite la diffusion des produits de réaction.

Pour différents matériaux de pièce, des systèmes de solutions de polissage correspondants doivent être sélectionnés en fonction de leurs propriétés chimiques.

Étant donné que les matériaux optiques possèdent généralement une excellente stabilité chimique, des acides forts, des bases fortes ou des agents oxydants forts sont souvent requis comme agents d'attaque lors du polissage chimique.

Par exemple, les composants optiques principalement composés de SiO₂, tels que le verre K9 et la silice fondue, utilisent couramment l'acide fluorhydrique (HF) comme agent d'attaque.

La réaction chimique est :

$$2{\mathrm{Le\; polissage\; électrochimique\; est\; largement\; appliqué\; dans\; :}}_{\mathrm{Problèmes\; de\; pollution\; environnementale}}Faible\; précision\; de\; traitement\mathrm{Le\; polissage\; chimique\; présente\; un\; flux\; de\; processus\; simple\; et\; une\; mise\; en\; œuvre\; relativement\; facile.}\mathrm{Répétabilité\; limitée}O{\mathrm{Répétabilité\; limitée}}_{\mathrm{Problèmes\; de\; pollution\; environnementale}}2O_{\mathrm{Le\; polissage\; chimique\; présente\; un\; flux\; de\; processus\; simple\; et\; une\; mise\; en\; œuvre\; relativement\; facile.}}Faible\; précision\; de\; traitement\mathrm{Problèmes\; de\; pollution\; environnementale}{\mathrm{Répétabilité\; limitée}}_{\mathrm{Problèmes\; de\; pollution\; environnementale}}\mathrm{Le\; polissage\; électrochimique\; est\; largement\; appliqué\; dans\; :}$$

Finition des métaux

Préparation d'échantillons métallographiques

• Traitement de surface de précision
• Le polissage électrochimique utilise la dissolution anodique des métaux pour le traitement de surface.
• Il est considéré comme une méthode d'usinage sans contact et sans contrainte avec des avantages tels que :
• Haute efficacité d'enlèvement de matière

Aucun dommage mécanique

Aucune couche d'écrouissage

• Aucune génération de contrainte résiduelle
• Cependant, il nécessite que le matériau traité possède une bonne conductivité électrique, ce qui le rend inadapté à la plupart des matériaux optiques.
• Le polissage chimique et électrochimique retirent de la matière par des mécanismes de dissolution.

Étant donné que le processus d'enlèvement est indépendant des propriétés mécaniques telles que la dureté, la ténacité et la résistance, ces méthodes peuvent réduire rapidement la rugosité de surface et obtenir une excellente qualité de polissage.

Pendant ce temps, comme il n'y a pas de friction mécanique ni d'action de coupe, l'équipement requis est généralement plus simple et moins cher par rapport aux systèmes de polissage mécanique.

• Cependant, les technologies de polissage chimique/électrochimique présentent également plusieurs limitations :
• 1) Coût de développement élevé
• En raison des différences de propriétés chimiques entre les matériaux, des solutions de polissage dédiées doivent être développées pour différents matériaux, nécessitant une optimisation expérimentale approfondie des paramètres du processus.
• 2) Contrôle difficile des vitesses de réaction chimique

La vitesse de réaction est difficile à réguler précisément, ce qui rend difficile le maintien de la précision dimensionnelle et de la précision géométrique.

3) Forte dépendance à l'uniformité du matériau

La qualité de surface obtenue est fortement affectée par la structure interne et la pureté de la pièce.

Les impuretés et les défauts structurels à l'intérieur du matériau peuvent réduire considérablement la qualité de surface finale.

(3) Technologie de polissage mécano-chimique (CMP)

Le polissage mécano-chimique (CMP) est une technologie de planarisation de surface qui combine

réactions chimiques et abrasion mécanique

. Il est largement appliqué dans la fabrication de semi-conducteurs, le traitement de composants optiques et la fabrication de matériaux avancés.

Le développement de la technologie CMP est étroitement lié aux progrès de la technologie des semi-conducteurs. Aux premiers stades, le polissage reposait principalement sur des méthodes de meulage purement mécaniques, telles que la finition de surface du verre et des métaux. Cependant, ces approches conventionnelles n'étaient pas en mesure de satisfaire les exigences de plus en plus strictes en matière de haute précision et de planarisation de surface à l'échelle nanométrique.

Dans les années 1950, des chercheurs ont découvert que des réactifs chimiques, tels que des acides et des solutions alcalines, pouvaient aider à l'enlèvement de matière et réduire les dommages mécaniques. Cette découverte a jeté les bases du développement de la technologie CMP.

En 1965, IBM a introduit la technologie CMP pour le polissage de plaquettes de silicium pour la première fois. Avec le développement rapide des circuits intégrés (CI), les processus de gravure sèche traditionnels et les méthodes de polissage purement mécaniques n'étaient pas en mesure d'éliminer efficacement les variations de topographie de surface. Par conséquent, le CMP est progressivement devenu une technologie de processus critique.

Cependant, les premiers processus CMP étaient encore confrontés à plusieurs défis, notamment :

Faible stabilité des boues de polissage

Précision insuffisante de l'équipementDifficulté à contrôler les taux d'enlèvement de matièreEn 1997, IBM a introduit avec succès le CMP dans les processus de polissage d'interconnexions en cuivre.

Le CMP du cuivre nécessite un contrôle précis de l'équilibre entre la dissolution chimique et l'abrasion mécanique pour supprimer l'oxydation excessive du cuivre et obtenir un enlèvement de matière uniforme.

Avec l'évolution continue de la technologie de fabrication des semi-conducteurs, le CMP est devenu la seule solution de planarisation viable lorsque les processus de semi-conducteurs sont entrés dans le nœud technologique sub-0,25 µm.

De plus, l'introduction de matériaux diélectriques à faible k a nécessité des processus CMP plus doux pour minimiser les dommages mécaniques et maintenir l'intégrité structurelle.

Mécanisme de traitement CMP

• Le CMP utilise des particules abrasives relativement douces pour obtenir un polissage de surface de haute qualité.
• Au cours du processus CMP, la pièce est pressée contre un tampon de polissage sous une pression contrôlée et se déplace par rapport au tampon.
• Grâce à l'interaction synergique entre les particules abrasives à l'échelle nanométrique et les composants chimiques de la boue de polissage, la surface de la pièce devient progressivement plus lisse, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Le système CMP se compose généralement d'un porte-pièce rotatif et d'une platine de polissage.

Grâce à leur rotation coordonnée, une trajectoire de mouvement relatif complexe est générée entre la plaquette et le tampon de polissage.

Une boue fournie en continu par une pompe péristaltique contient deux composants fonctionnels :

Particules abrasives :

fournissent une action de polissage mécanique.

Agents oxydants :

induisent des réactions chimiques à la surface du matériau.

Le mécanisme d'enlèvement de matière CMP implique principalement deux étapes séquentielles :

Étape 1 : Oxydation de surface et modification chimique

Les agents oxydants réagissent avec la surface de la pièce et génèrent une couche de surface chimiquement modifiée ou ramollie.

Étape 2 : Enlèvement mécanique de la couche réagie

• Les particules abrasives retirent cette couche ramollie par interaction mécanique.Ce processus cyclique produit finalement une surface ultra-lisse avec une rugosité extrêmement faible.
• Il convient de noter que l'équilibre entre les effets chimiques et mécaniques dans le CMP joue un rôle décisif dans la détermination de la qualité de traitement finale.Lorsque l'action mécanique domine :

Des rayures de surface peuvent survenir.

La concentration de contraintes résiduelles peut augmenter.

Des dommages de subsurface peuvent être générés.

Lorsque l'action chimique devient excessive :

Des défauts de corrosion de surface peuvent apparaître.

Une gravure localisée peut se produire.

La morphologie de surface peut se détériorer.

Par conséquent, l'optimisation de l'interaction synergique entre les réactions chimiques et l'abrasion mécanique est le facteur clé pour améliorer les performances du CMP.

• La recherche a démontré que l'intensité du polissage mécanique et la vitesse de réaction chimique présentent une corrélation positive.
• Cet effet de couplage influence directement l'efficacité de l'enlèvement de matière.
• Par conséquent, le contrôle précis de la composition de la boue est devenu l'un des principaux défis technologiques dans le développement de processus CMP avancés.

Pour obtenir une surface polie de haute qualité, les effets chimiques et mécaniques pendant le CMP doivent atteindre un équilibre approprié.

• Si l'action chimique domine sur l'action mécanique :
• Pits de corrosion
• Motifs de surface semblables à une peau d'orange

Morphologie de surface non uniforme

peuvent survenir.

Inversement, si l'action mécanique domine :

Rayures

Fissures

Couches de dommages de subsurface

• sont susceptibles de se former.
• 2. Facteurs affectant le polissage mécano-chimique
• Pendant le traitement CMP, les paramètres du processus ont une influence significative sur :

Taux d'enlèvement de matière (MRR)

Rugosité de surface

• Intégrité de surface
• Uniformité du traitement
• Selon l'équation de Preston :

MRR

=

K

• Qualité de surface
• Mécanisme d'enlèvement de matière
• ×
• V

MRR = K fois P fois V

$$\mathrm{MRR}KKest\; le\; coefficient\; de\; Preston\; lié\; aux\; conditions\; de\; polissage.\mathrm{Cependant,\; une\; pression\; excessive\; peut\; entraîner\; :}représente\; la\; vitesse\; de\; polissage\; relative.\mathrm{Déformation\; de\; la\; plaquette}représente\; la\; vitesse\; de\; polissage\; relative.\mathrm{Défauts\; de\; cuvette}$$

(1) Effet de la pression de polissage

• La pression de polissage détermine directement la contrainte de contact entre le tampon de polissage et la surface de la plaquette.L'augmentation de la pression améliore généralement le contact entre les particules abrasives et la plaquette, augmentant ainsi le MRR.
• Cependant, une pression excessive peut entraîner :Micro-rayures de surface
• Déformation de la plaquetteSur-polissage localisé
• Défauts de cuvettePar conséquent, une plage de pression appropriée doit être sélectionnée pour équilibrer l'efficacité et la qualité de surface.

(2) Effet de la vitesse de rotation

La vitesse de rotation relative entre le tampon de polissage et la plaquette affecte le comportement hydrodynamique et la distribution de la boue de polissage.

Une grande différence de vitesse peut provoquer un enlèvement excessif des bords, entraînant le phénomène connu sous le nom de

rejet de bord

.

• L'augmentation de la vitesse de rotation renforce les forces de cisaillement mécaniques, ce qui peut améliorer l'efficacité de l'enlèvement de matière.
• Cependant, une vitesse excessivement élevée peut générer des augmentations de température localisées (généralement supérieures à 10 °C), entraînant des changements dans l'activité chimique de la boue et affectant la stabilité du polissage.
• (3) Effet du débit de la boue
• Le débit de la boue influence à la fois :

Les réactions chimiques entre la boue et la surface de la plaquette.

L'enlèvement mécanique de la couche de réaction oxydée.

De plus, par convection, la boue agit comme un réfrigérant et aide à dissiper la chaleur générée à l'interface entre le tampon de polissage et la plaquette.

Par conséquent, l'optimisation du débit de la boue contribue à améliorer l'efficacité du polissage et la qualité de surface.Un ajustement approprié des paramètres du processus, notamment :Pression

Vitesse de rotation

Débit de la boue

est essentiel pour obtenir des processus CMP haute performance.

La recherche a montré que dans une plage de pression appropriée, le MRR augmente approximativement proportionnellement à la pression appliquée.

• À basse pression et à faible débit de boue :
• Des réactions d'oxydation insuffisantes peuvent se produire.

L'efficacité de l'enlèvement de matière diminue.

L'augmentation de la pression ou du débit de boue peut :

Réduire la température du tampon de polissage.

• Améliorer la capacité d'oxydation.
• Formation de défauts de surface
• (b) Agents oxydants

Cependant, une pression ou un débit de boue excessif peut entraîner une domination de l'abrasion mécanique.

Bien que le MRR puisse continuer à augmenter, la rugosité de surface peut également augmenter et des défauts de rayures peuvent apparaître.

Par conséquent, l'établissement d'un équilibre dynamique entre les réactions d'oxydation et l'enlèvement mécanique est essentiel pour obtenir une efficacité de polissage maximale.

• (a) Composition de la boue de polissage
• Bien que le CMP nécessite un contrôle précis des paramètres du processus tels que :

Pression de polissage

• Vitesse de rotation
• Débit de la boue
• la boue de polissage reste le facteur le plus critique affectant les performances du CMP.

Les composants clés de la boue CMP comprennent :

Particules abrasives

Agents oxydants

Régulateurs de pH

Ces composants influencent significativement :

Taux d'enlèvement de matière (MRR)

• Rugosité de surface
• Formation de défauts de surface
• (b) Agents oxydants

Les agents oxydants jouent un rôle essentiel dans le CMP en favorisant les réactions d'oxydation à la surface du matériau.

Ces réactions génèrent une couche d'oxyde relativement plus douce, qui peut ensuite être facilement retirée par abrasion mécanique.

• (c) Valeur du pH
• La valeur du pH de la boue de polissage affecte directement :

Taux de polissage

• Qualité de surface
• Mécanisme d'enlèvement de matière
• En ajustant l'acidité ou l'alcalinité de la boue, la vitesse de réaction chimique entre la boue et la surface du matériau peut être contrôlée.

Un pH optimisé aide à atteindre un équilibre entre la modification chimique et l'enlèvement mécanique.

(d) Tensioactifs

Les tensioactifs agissent comme agents stabilisants dans la boue CMP.

Leurs fonctions principales comprennent :

1. Maintien de la stabilité de la boue

Les tensioactifs empêchent :

• Agrégation des particules abrasives
• Séparation des composants
• Sédimentation

maintenant ainsi l'uniformité de la boue.

2. Amélioration du comportement d'étalement de la boue

Les tensioactifs réduisent la tension superficielle de la boue, permettant un meilleur étalement sur les surfaces de plaquettes hydrophobes.

Cela améliore le contact entre :

Particules abrasives

Composants chimiques

Surface du matériau

• conduisant à une uniformité et une efficacité de polissage améliorées.
• 3. Réduction des dommages de surface
• Les tensioactifs peuvent réguler les vitesses de réaction de surface ou former des films protecteurs sur la surface.

Cela aide à équilibrer l'abrasion mécanique et la corrosion chimique, améliorant :

Efficacité de l'enlèvement de matière

Lissage de surface

Résistance aux dommages de subsurface