前言:本文通過(guò)有關(guān)拋光實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和知識(shí)分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速與粒度理論關(guān)系圖,結(jié)合薄化產(chǎn)業(yè)的面板/玻璃蝕刻減薄中拋光(CMP)原理和需求,從主要設(shè)備材料的物理作用、化學(xué)反應(yīng)及環(huán)境影響等方面分析對(duì)拋光效率的影響。僅供大家參考學(xué)習(xí)。如有未盡之處和不足,歡迎大家糾正告知!
拋光作用原理之說(shuō):
目前業(yè)界中把拋光作業(yè)原理分為三類(lèi):
1、機(jī)械切削學(xué)說(shuō)
通過(guò)堅(jiān)硬的磨料切削玻璃表面凹凸微痕結(jié)構(gòu)。
2、化學(xué)學(xué)說(shuō)
玻璃表面水解成硅酸凝膠層,磨料和拋光共同作用去除這個(gè)凝膠層。
3、表面流動(dòng)理論
表面摩擦生熱導(dǎo)致玻璃表面產(chǎn)生塑性流動(dòng),凸起部分把凹點(diǎn)填平。
目前比較公認(rèn)的理論是用相互交錯(cuò)的機(jī)械、化學(xué)和物理化學(xué)綜合的概念來(lái)解釋拋光機(jī)理。減薄TFT-LCD面板基板/玻璃的拋光也正是通過(guò)拋光機(jī)臺(tái)運(yùn)作配合拋光材料(氧化鈰拋光液和拋光墊)的拋光顆粒進(jìn)行機(jī)械表面的磨削,拋光液又在一定程度下化學(xué)腐蝕玻璃,來(lái)達(dá)到使玻璃表面平整,光滑的過(guò)程。其原理是玻璃拋光及拋光盤(pán)運(yùn)作的全過(guò)程中,它受拋光粉及拋光作用的酸堿度以及拋光液使用時(shí)間延續(xù)趨于成堿性及周?chē)h(huán)境中潮濕空氣、酸性氣體等因素影響而產(chǎn)生的一定化學(xué)腐蝕,并且在機(jī)械磨削的效應(yīng)下將產(chǎn)生的塑性流動(dòng)的玻璃凹凸表面填平。以此過(guò)程不斷重復(fù)作用,使玻璃表面變得光亮平整。
影響研磨拋光效率的因素:
對(duì)薄化產(chǎn)業(yè)的減薄拋光作業(yè),所要求的效率,我們可指對(duì)拋光產(chǎn)品的切削速率和拋光平整度。經(jīng)相關(guān)研究影響拋光效率有如下幾方面:
拋光磨料的性質(zhì)和粒度
拋光時(shí)間
拋光液的濃度
拋光液酸堿度(PH值)
拋光溫度
拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速和壓力、拋光液的流速
?。ㄗⅲ河捎诓煌馁|(zhì)玻璃,其被拋光切削需求都有不同,以下各方面數(shù)據(jù)所探討均是在同等材質(zhì)玻璃和相同環(huán)境作業(yè)中的研磨拋光情況)
1、拋光磨料的性質(zhì)和粒度
磨料的硬度越大,通常研磨效率越高,但是硬度大的磨料使得研磨表面的凹陷層深度加大,且凹陷深度隨粒度的增大而增加。
在實(shí)際拋光作業(yè)需求時(shí),為確保拋光平整均勻同時(shí)需增加切削率,由此不同拋光玻璃材質(zhì),有必要針對(duì)性選擇適當(dāng)粒度的氧化鈰拋光粉等材料。
2、拋光時(shí)間
從圖 1 可以看出,拋光能力與研磨時(shí)間成直線關(guān)系,隨著時(shí)間的增加,切削能力增加,在達(dá)到一定時(shí)間后切削力變化不大,在呈現(xiàn)出拋光面以后,拋光液顆粒開(kāi)始與玻璃表面進(jìn)行分子接觸,由于拋光粉具有一定的化學(xué)活性,易于通過(guò)化學(xué)的吸附作用把玻璃表面的硅酸凝膠層連接起來(lái),隨著時(shí)間的增加拋光液的微晶體發(fā)生斷裂,不斷暴露出高能量的晶格缺陷,這些缺陷瞬間即與玻璃表面進(jìn)行分子接觸,粘合硅酸凝膠層,從而使拋光能力增加,但達(dá)到一定時(shí)間后,隨著玻璃表面的光滑,拋光液趨于飽和,從提高效率的角度出發(fā),不必?zé)o謂延長(zhǎng)時(shí)間。
3、拋光液的濃度
濃度和給料量過(guò)大或過(guò)小,都影響研磨拋光效率。磨料濃度過(guò)小,研磨效率很低,隨著磨料濃度的不斷提高,開(kāi)始階段研磨效率上升,繼續(xù)提高,研磨效率就不再增加。給料量過(guò)小,除磨粒不足外,還會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱甚至干磨,隨給料量的提高,研磨效率提高到一定階段效率不再提高。由圖 2 可知,隨著拋光液濃度的增加,拋光粉的切削力增大,但在濃度達(dá)到20%左右切削力達(dá)到最大值,隨著濃度的繼續(xù)增加,拋光能力反而下降。另外,由此說(shuō)明對(duì)拋光液來(lái)說(shuō),固液比在一個(gè)合適的條件下,才能發(fā)揮出最大效應(yīng)。因此,足夠的研磨時(shí)間和恰當(dāng)?shù)膾伖庖簼舛葘?duì)拋光性能有決定性的影響。
4、拋光液酸堿度(PH值)
當(dāng)拋光液pH在6~8之間時(shí),主要是拋光液中的水和玻璃中的SiO2作用。
當(dāng)拋光液pH<6時(shí),主要是玻璃中的堿金屬離子(主要是Na+與H+進(jìn)行交換)
當(dāng)拋光液pH>8時(shí),主要是OH-對(duì)玻璃網(wǎng)構(gòu)中的硅原子發(fā)生強(qiáng)力的親核反應(yīng),使得硅氧鍵斷裂
由此參考建議拋光效應(yīng)保持拋光液在一個(gè)最佳的范圍內(nèi)(6-8),當(dāng)拋光液PH<6的時(shí)候我們需要添加適當(dāng)?shù)臍溲趸c來(lái)加強(qiáng)其堿性值,攪拌均勻后再測(cè)試,若不符再行添加;當(dāng)拋光液PH>8時(shí),需要添加適當(dāng)?shù)臋幟仕醽?lái)降低其堿性值。
5、拋光溫度
溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的一個(gè)重要因素。
拋光過(guò)程中對(duì)其速率的溫度影響,主要有拋光過(guò)程機(jī)臺(tái)的拋光臺(tái)溫度和周?chē)h(huán)境溫差影響兩方面導(dǎo)致。而拋光機(jī)臺(tái)溫度是為溫度影響的關(guān)鍵。
?。?)拋光機(jī)臺(tái)溫度的控制(以?huà)伖馀_(tái)可控溫度的拋光機(jī)為例)
如圖3,根據(jù)拋光機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)和溫度控制原理(一般通過(guò)熱交換的形式),結(jié)合拋光工藝要求機(jī)臺(tái)溫度一般控制在18~40℃為佳。
雖然拋光機(jī)臺(tái)的溫度越高能使化學(xué)反應(yīng)速率越快,但同時(shí)也必須注意,其會(huì)引起拋光液的快速揮發(fā),這樣將導(dǎo)致玻璃表面腐蝕嚴(yán)重、去除率不均勻,從而使得拋光質(zhì)量下降。但拋光機(jī)臺(tái)溫度過(guò)低又會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率降低,進(jìn)而使得機(jī)械作用大于化學(xué)作用,玻璃機(jī)械損傷嚴(yán)重。因此在提高拋光率同時(shí)也保證拋光質(zhì)量,也就必須快速、穩(wěn)定、精確地控制拋光機(jī)臺(tái)的溫度。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知在拋光機(jī)臺(tái)溫度控制系統(tǒng)中,循環(huán)水溫度對(duì)換熱效率的影響比循環(huán)水流量的影響要顯著;在溫度控制過(guò)程中,使用大溫差大流量的循環(huán)水對(duì)拋光臺(tái)進(jìn)行初步加熱或冷卻,再調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量使拋光臺(tái)達(dá)到熱平衡,既可以提高溫度控制的效率又可以提高控制的精度。
?。?)周?chē)h(huán)境溫度的控制
另外周?chē)臻g溫度對(duì)玻璃表面溫度有影響,特別是氣溫低的時(shí)候,沒(méi)有保暖措施,對(duì)玻璃表面溫度有一定影響,同時(shí)也會(huì)影響到實(shí)際拋光機(jī)臺(tái)溫度控制中對(duì)拋光效率。由此在拋光作業(yè)保證一個(gè)較為恒溫恒濕拋光環(huán)境同樣對(duì)提高拋光效率有著一定的意義。經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì),可參考作業(yè)環(huán)境溫度控制25℃左右,相對(duì)濕度保持在60~75%左右。
6、拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速和壓力、拋光液的流速
合理地設(shè)置研磨盤(pán)的轉(zhuǎn)速和壓力非常重要。根據(jù)有關(guān)研究,研磨盤(pán)的轉(zhuǎn)速和壓力與研磨效率都為正相關(guān)關(guān)系。
對(duì)與不同拋光需求情況,控制好相應(yīng)拋光液的流速,能有效的保障拋光過(guò)程拋光液的濃度和均勻性。在拋光過(guò)程中拋光液流速太小,能夠參與作用的拋光粉顆粒就少,拋光效率低;流速太大,大部分拋光粉顆粒并不參與作用,卻帶來(lái)大量液體使玻璃表面溫度下降,影響拋光效率。而且拋光粉不能迅速散布均勻,導(dǎo)致各部分壓力不均,造成局部多磨,對(duì)拋光的光圈(條紋)質(zhì)量有影響。同時(shí)單位面積壓力減小,效率降低,拋光過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑也不能順利排出,使玻璃表面拋光不均或劃痕異常等。
綜合總結(jié):
通過(guò)以上六類(lèi)主要因素分析可知,影響研磨拋光效率因素可能是多種綜合情況導(dǎo)致,且在現(xiàn)實(shí)拋光作業(yè)需求時(shí),往往因不同產(chǎn)品和客戶(hù)要求,某些要素(如:壓力、時(shí)間等)需求固定不變,在此所要提高效率人員作業(yè)效率提升同時(shí),從相關(guān)拋光原理角度,盡可能的優(yōu)化工藝參數(shù)和選擇品質(zhì)性能較佳的拋光輔材,已達(dá)最佳拋光效率。
另外,除優(yōu)化這些可量化的工藝參數(shù)和適當(dāng)拋光輔材品質(zhì)性能的選擇外,還有一些必須注意且要嚴(yán)格執(zhí)行的事項(xiàng):(1)拋光車(chē)間必須每天打掃干凈,避免空氣中大顆粒塵埃;(2)研磨料和拋光粉粒度要均勻,不能混有大顆粒雜質(zhì);(3)研磨拋光后要及時(shí)剔除破損的玻璃片,因?yàn)槠湓趻伖鈺r(shí)容易崩邊,散落的玻璃渣易造成擦痕;(4)研磨拋光液的定時(shí)過(guò)濾;(5)拋光輔材(拋光墊、吸附墊等)在針對(duì)不同過(guò)的作業(yè)要求,也需要定期定時(shí)的修整和更換;(6)拋光前使相應(yīng)氧化鈰拋光墊要充分濕潤(rùn),上下玻璃片要格外小心并仔細(xì)檢查;(7)清洗盡量使用純水或去離子水,因?yàn)樽詠?lái)水等硬水很難除去玻璃上的油污,且水中含的Ca,Na。
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