CN102252928B - 机械与化学交互作用测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学机械抛光技术领域，公开了一种机械与化学交互作用测量装置，包括机架、摩擦力测量部分、杠杆加载部分、往复直线运动的氮化硅小球和三电极部分。本发明的装置可以模拟腐蚀条件下的磨粒磨损性能，实现了同时在线测量电化学参数和机械参数；可以测量化学机械抛光过程中单纯的化学腐蚀量、机械磨损量以及交互作用去除量，从而对化学机械抛光过程中的材料去除机理进行研究。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种机械与化学交互作用的测量装置。
背景技术
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技术是利用化学腐蚀和机械磨削的协同效应实现最佳抛光效果的一种抛光技术。它是一个微观动态并且随机的过程，影响因素复杂多变，很难清楚地确定各因素在抛光过程中的单独作用。迄今为止，CMP的材料去除机理没有一个统一的定论，而且没有一个完整描述CMP材料去除机理的模型，这与不能从大量抛光因素中准确提炼出关联机理的信息密切相关。因此，有必要首先对抛光过程中一些本质问题(如CMP过程中机械作用和化学作用哪个占主导地位，它们的交互作用如何测量)进行研究，然后在此基础上展开对抛光机理的探索，故需要相应的实验装置。
现有技术中公开了研究金属材料腐蚀和磨损同步测量的装置，可以对流动着的腐蚀性砂浆体系中金属试样的腐蚀和磨损速率同步测量，尤其适用于材料冲蚀磨损机理的研究，但是对研究CMP系统不合适。现有技术中还有一种腐蚀与磨损交互作用动态测量装置，其公开了一种对金属材料腐蚀与磨损进行同步测量的腐蚀与磨损交互作用动态测量装置，可测出单纯的腐蚀损失量、单纯的磨损损失量以及腐蚀磨损交互作用的损失量，主要适用于测量材料在非浸泡腐蚀环境下的旋转摩擦运动时的腐蚀磨损交互作用，但是无法在线测量摩擦磨损过程中的摩擦力；而且磨球连续摩擦试样表面的同一点，这与CMP微观过程相悖。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是实现化学机械抛光过程中的机械磨损和化学腐蚀交互作用的测量。
(二)技术方案
为达到上述技术方案，本发明提出了一种机械与化学交互作用测量装置，包括机架、摩擦力测量部分、杠杆加载部分、往复直线运动的氮化硅小球和三电极部分，其中，
摩擦力测量部分包括设置于机架上的气浮导轨外壳和设置于所述气浮导轨外壳内的气浮导轨，以及与所述气浮导轨外壳和所述气浮导轨连接的摩擦力传感器，
所述杠杆加载部分包括设置于所述气浮导轨外壳上的平行调节座、设置于所述平行调节座顶部的销轴、设置于所述销轴上的加载杠杆，所述加载杠杆的一端设置有配重杆，另一端为向下垂直延伸的平面，
所述三电极部分包括，设置于机架上的电解池，作为工作电极的样品、辅助电极、参比电极、鲁金毛细管和电化学工作站，所述电解池内充有抛光液，所述工作电极设置在所述加载杠杆向下垂直延伸的平面上并且半浸在所述抛光液中，所述氮化硅小球加载至工作电极的表面，所述辅助电极设置于工作电极的正对面，所述参比电极的一端与所述鲁金毛细管连接，鲁金毛细管靠近所述工作电极，所述工作电极和辅助电极分别与所述电化学工作站的相应端子连接，所述参比电极与所述电化学工作站的参比接口端子连接。
其中，所述机架与所述气浮导轨外壳之间设置有手动平移台。
其中，所述销轴的两端通过调节螺钉与所述平行调节座连接。
其中，所述加载杠杆的一端上设置有砝码，所述配重杆上设置有配重块。
其中，所述销轴上固定有指针，所述加载杠杆上固定有表盘，使得当所述加载杠杆平衡时所述指针指向所述表盘的中心。
其中，所述气浮导轨的两端通过转接板与所述平行调节座连接。
其中，所述机架和所述电解池之间设置有升降台。
其中，所述工作电极为镀铜硅片。
其中，所述参比电极为饱和甘汞电极。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的装置实现了定量研究化学机械抛光(CMP)过程中机械磨损与化学腐蚀交互作用；通过实验可测量CMP过程中单纯的化学腐蚀率、机械磨损率以及交互作用去除率，同时可在线测量机械参数摩擦系数；工作电极侧立、半浸安装，使接线简单，且工作电极与辅助电极平行放置，保证电流均匀分布，便于精确测量电化学参数。在测量过程中，总的材料去除量和机械磨损导致的材料去除量可由称重法或者形貌法测量得到，化学腐蚀导致的材料去除量可由浸泡法或者电化学方法测定，交互作用去除量可由实验结果计算得到。
附图说明
图1是本发明的机械与化学交互作用测量装置实施例的示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明的机械与化学交互作用测量装置实施例的左侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1-3所示，为本发明的机械与化学交互作用测量装置的示意图(图中还包括了一电化学工作站1)，包括机架6、摩擦力测量部分、杠杆加载部分、往复直线运动的氮化硅小球20和三电极部分。
摩擦力测量部分包括手动平移台7、气浮导轨外壳8、气浮导轨9以及摩擦力传感器24等。手动平移台7设置在机架6上，手动平移台7上设置有气浮导轨外壳8，气浮导轨9设置在气浮导轨外壳8内，气浮导轨外壳8和气浮导轨9与摩擦力传感器24螺纹连接，气浮导轨9的两端通过转接板22和25与平行调节座10连接，如图3所示。摩擦力传感器为拉压力传感器。在气浮导轨9通气时，导轨9处于浮动状态，工作电极18也就是待测试样品表面的摩擦力通过导轨9传递到摩擦力传感器24上，实现在线测量摩擦系数；手动平移台7与气浮导轨的外壳8连接，通过左侧的旋钮可调节工作电极18与氮化硅小球20的距离。
杠杆加载部分包括平行调节座10、销轴11、加载杠杆15(由聚四氟乙烯制成)等。平行调节座10设置于气浮导轨外壳8上，销轴11设置于平行调节座10的顶部，加载杠杆15可以绕销轴11自由旋转一定角度，销轴11的两端通过调节螺钉21和26与平行调节座10连接，调节螺钉21和26伸在销轴11两端的两个小凹坑内，如图2所示，以固定销轴11的轴向位置，防止销轴11轴向移动和径向移动，改变调节螺钉的拧紧程度可微调工作电极18与氮化硅小球20运动直线的平行度。加载杠杆15设置于销轴11上，加载杠杆15的一端设置有配重杆13并且设置有砝码14，另一端为向下垂直延伸的平面，配重杆13上设置有配重块12。销轴11上固定有指针17，并且指针17可随加载杠杆15绕销轴11转动，加载杠杆15上固定有表盘16，使得当加载杠杆15平衡时指针17指向表盘16的中心。通过调节配重块12在配重杆13上的位置可以调整杠杆15的平衡度。
三电极部分包括电解池4、升降台5、工作电极18、辅助电极2、参比电极、鲁金毛细管19以及电化学工作站1等。升降台5设置在机架6上，电解池设置在升降台5上，电解池4内充有抛光液，升降台5用于调节电解池4的高度。工作电极1(镀铜的硅片，除了密封区外都被密封)侧放在加载杠杆15向下垂直延伸的平面上并且半浸在抛光液中，氮化硅小球20加载至工作电极18的表面，采用铂片的辅助电极2设置于工作电极18的正对面，采用饱和甘汞电极的参比电极的一端与鲁金毛细管19连接，鲁金毛细管19靠近工作电极18，减小欧姆电势降，以保证测量准确性。工作电极18和辅助电极2分别与电化学工作站1的相应端子连接，参比电极与电化学工作站1的参比接口端子连接。氮化硅小球20沿垂直于加载杠杆15的方向作水平往复直线运动，往复直线运动行程控制在5毫米左右。控制氮化硅小球20作往复直线运动的机构未示出。在本实施例中，采用美国阿美特克有限公司生产的Princeton 273A型作为电化学工作站。
在使用本发明的装置进行测量时，将密封好的工作电极18置于工作位置，调节配重块12的位置保持杠杆15平衡；通过手动平移台6调节工作电极18与氮化硅小球20的距离后，将手动平移台6锁死；加载杠杆15作用使工作电极(样品)18与氮化硅小球20接触，三电极之间通过抛光液介质构成闭合的电流回路。通过三电极部分和摩擦力测量部分，可测定腐蚀磨损过程中的交互作用。
腐蚀磨损过程中的材料总去除量：
MRR＝rwc+rcc；
rwc＝rw+rc-w：
rcc＝rc+rw-c；
rs＝rc-w+rw-c。
其中：rwc为机械磨损导致的材料去除量；
rcc为化学腐蚀导致的材料去除量；
rw为纯机械磨损导致的材料去除量；
rc为纯化学腐蚀导致的材料去除量；
rs为交互作用导致的材料去除量；
rc-w为化学腐蚀促进机械磨损加速部分材料去除量；
rw-c为机械磨损促进化学腐蚀加速部分材料去除量；
在三电极部分中进行摩擦磨损试验，MRR和rw可通过测量工作电极上的划痕深度获得，其中rw在阴极保护下测定，MRR在腐蚀磨损条件下测量；同时分别记录腐蚀磨损和纯腐蚀条件下的电化学参数，按照法拉第定律计算得到rw-c和rc；则rcc和rc-w可由上述公式计算获得。
本发明的特点是：本发明的装置可以模拟腐蚀情况下的磨粒磨损，同时在线测量电化学参数和机械参数；通过实验可测量单纯的机械磨损(磨粒磨损)量、单纯的化学腐蚀量以及机械化学的交互作用量，从而对化学机械抛光过程中的材料去除机理进行研究。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，包括机架(6)、摩擦力测量部分、杠杆加载部分、往复直线运动的氮化硅小球(20)和三电极部分，其中，
摩擦力测量部分包括设置于机架(6)上的气浮导轨外壳(8)和设置于所述气浮导轨外壳(8)内的气浮导轨(9)，以及与所述气浮导轨外壳(8)和所述气浮导轨(9)连接的摩擦力传感器(24)，
所述杠杆加载部分包括设置于所述气浮导轨外壳(8)上的平行调节座(10)、设置于所述平行调节座(10)顶部的销轴(11)、设置于所述销轴(11)上的加载杠杆(15)，所述加载杠杆(15)的一端设置有配重杆(13)，另一端为向下垂直延伸的平面，
所述三电极部分包括，设置于机架(6)上的电解池(4)，作为工作电极(18)的样品、辅助电极(2)、参比电极、鲁金毛细管(19)和电化学工作站(1)，所述电解池(4)内充有抛光液，所述工作电极(18)设置在所述加载杠杆(15)向下垂直延伸的平面上并且半浸在所述抛光液中，所述氮化硅小球(20)加载至工作电极(18)的表面，所述辅助电极(2)设置于工作电极(18)的正对面，所述参比电极的一端与所述鲁金毛细管(19)连接，鲁金毛细管(19)靠近所述工作电极(18)，所述工作电极(18)和辅助电极(2)分别与所述电化学工作站的相应端子连接，所述参比电极与所述电化学工作站的参比接口端子连接。
2.如权利要求1所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述机架(6)与所述气浮导轨外壳(8)之间设置有手动平移台(7)。
3.如权利要求2所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述销轴(11)的两端通过调节螺钉(21，26)与所述平行调节座(10)连接。
4.如权利要求3所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述加载杠杆(15)的一端上设置有砝码(14)，所述配重杆(13)上设置有配重块(12)。
5.如权利要求4所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述销轴(11)上固定有指针(17)，所述加载杠杆(15)上固定有表盘(16)，使得当所述加载杠杆(15)平衡时所述指针(17)指向所述表盘(16)的中心。
6.如权利要求5所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述气浮导轨(9)的两端通过转接板(22，25)与所述平行调节座(10)连接。
7.如权利要求6所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述机架(6)和所述电解池(4)之间设置有升降台(5)。
8.如权利要求7所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述工作电极(18)为镀铜硅片。
9.如权利要求8所述的机械与化学交互作用测量装置，其特征在于，所述参比电极为饱和甘汞电极。
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