应用案例

【概述】

某研究团队使用功率放大器，搭建超声振动实验系统。

实验名称：蓝宝石UVCMP三相流材料去除验证实验、纳观原位AFM验证实验

研究方向：蓝宝石超声振动辅助化学机械抛光（UVCMP）技术，探究超声空化与气-液-固三相流耦合的材料去除机理。

实验目的：

1.验证模型准确性：以抛光实验与纳观原位AFM实验验证CFD-VOF-DPM模型的MRR预测可靠性。

2.解析去除机制：研究磨粒浓度、粒径及超声振幅、频率对反应层犁削与冲击去除的影响规律。

3.优化工艺参数：为高效低损伤抛光提供参数选择依据。

测试设备：

1.蓝宝石UVCMP三相流材料去除实验

（1）超声振动系统：由超声发生器、功率放大器和超声换能器组成，实验框图见图1。

（2）抛光平台：由TriboCMP平台改装，聚氨酯抛光垫，晶圆-抛光垫间隙约50µm。

（3）检测设备：精密天平（0.01mg）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱仪（XPS）。

图1：蓝宝石UVCMP设备示意图

图2：三相流空化气泡界面追踪模型计算域

2.仿真与抛光液条件

（1）CFD-VOF-DPM模型：50×50×50µm三维计算域，超声能场以正弦声压形式施加于压力入口。

（2）抛光液：商用SiO2抛光液稀释而成，pH10，磨粒粒径20–100nm。

实验过程：

三相流材料去除验证实验

1.样品准备：精抛后C(0001)向蓝宝石晶圆，原始表面粗糙度Rq低至0.19nm。

2.抛光参数设置

（1）抛光液流量100mL/min，转速30–80rpm。

（2）每组实验重复三次，每次0.5h。

3.材料去除率测量：抛光后清洗干燥，用精密天平测质量损失并换算MRR。

4.表面表征：采用AFM表征三相流留下的材料去除痕迹。

纳观原位AFM验证实验

1.两体磨损验证：Ra0.10nm晶圆浸入SiO2中24h生成反应膜，接触模式1×1µm刻划。

2.磨粒冲击验证：轻敲模式0.5×0.5µm刻划30min，对比0.1V（常规CMP）与0.05V（UVCMP）。

3.模型验证：以Wu等人高速摄像实验为基准，对比空化气泡形态与界面速度。

4.数据处理：计算Pearson相关系数与均方根误差（RMSE）。

图3：蓝宝石晶圆原始表面AFM形貌

实验结果：

1.磨粒浓度影响

MRR变化：磨粒浓度1、10、20wt.%对应MRR52.00、173.50、208.59nm/h，与仿真相关系数0.95。

表面形貌：20wt.%样品无明显划痕，磨粒嵌入反应层形成冲击坑。

2.超声参数影响

振幅影响：振幅1、2、3µm对应MRR81.97、173.50、209.70nm/h，相关系数0.99。

频率影响：频率40、80、100kHz对应MRR173.50、242.62、268.36nm/h，高频易诱发点蚀坑。

图4：不同磨粒浓度与超声振幅下实验后蓝宝石表面形貌

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图：ATA-315功率放大器指标参数

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