熔融石英化学机械抛光过程的流-固耦合数值模拟

研究背景与问题

在半导体制造过程中，熔融石英作为重要的基板材料，其表面质量直接影响到电子器件的性能。化学机械抛光（CMP）技术是实现熔融石英表面超光滑处理的关键工艺。然而，传统CMP过程中，抛光液的润滑和承载效应对抛光效果具有重要影响，但现有有限元研究往往忽视这一点。因此，本文旨在通过引入流-固耦合建模方法，优化CMP工艺参数，以提高熔融石英表面的抛光质量。

研究方法

本研究采用ABAQUS/Explicit软件，结合欧拉-拉格朗日耦合方法，建立了熔融石英CMP过程的流-固耦合数值模型。首先，通过实验测定了CeO_2抛光液的流变学参数，然后利用该参数建立了抛光液的动态流场模型。接着，考虑了抛光头的机械运动和熔融石英基板的弹性变形，对CMP过程中的力学行为进行了详细分析。最后，通过调整工艺参数，如抛光液的压力、速度和浓度等，对抛光效果进行了优化。

核心结果

本研究的主要结果如下：首先，通过流-固耦合模拟，揭示了抛光液在CMP过程中的润滑和承载效应，并验证了这些效应对抛光质量的重要性。其次，通过优化工艺参数，实现了熔融石英表面的超光滑处理，表面粗糙度达到亚纳米级别。此外，研究发现，抛光液的压力和速度对抛光效果有显著影响，而抛光液浓度对表面质量的影响相对较小。

结论与意义

本文通过引入流-固耦合建模方法，对熔融石英CMP过程的力学行为进行了深入分析，并优化了工艺参数，实现了熔融石英表面的超光滑处理。研究结果表明，流-固耦合模拟在CMP工艺参数优化中具有重要作用。此外，本研究为熔融石英CMP工艺的进一步研究和应用提供了理论依据和技术支持，有助于提高半导体器件的制造质量和效率。

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