1Introducción a las tecnologías de pulido de superficie
Para lograr acabados superficiales de alta calidad, los procesos de pulido eliminan el material de la superficie de la pieza de trabajo a través de los efectos combinados de la acción mecánica y las reacciones químicas.Estos procesos suelen utilizar partículas abrasivas finas junto con herramientas de pulido suaves (como alquitrán)., poliuretano y tela), soluciones químicas, campos eléctricos/magnéticos o haces de partículas como métodos auxiliares.
De acuerdo con los diferentes mecanismos de eliminación de material involucrados, las tecnologías de pulido se pueden clasificar principalmente en:
- Limpieza mecánica
- Polido químico/electroquímico
- Polido mecánico químico (CMP)
- Otras tecnologías avanzadas de pulido
(1) Polido mecánico
El pulido mecánico elimina una pequeña cantidad de material de la superficie de la pieza a través de la interacción entre las partículas abrasivas y una almohadilla de pulido, produciendo una superficie lisa.Actualmente es una de las tecnologías de pulido más utilizadas para componentes ópticos.
El proceso de pulido mecánico convencional se ilustra en la figura siguiente.
Durante el pulido mecánico, las partículas abrasivas se presionan en la superficie de la pieza de trabajo bajo la presión normal generada por las asperezas de la almohadilla de pulido.Cuando la almohadilla de pulido se mueve en relación con la pieza de trabajo, las partículas abrasivas interactúan con la superficie a través de la fricción, el arado y las acciones de corte, eliminando así el material de la pieza de trabajo.
El comportamiento de deformación de los materiales superficiales causados por las partículas abrasivas se puede dividir generalmente en tres etapas:
- Deformación elástica
- Deformación plástica
- Deformación frágil
Debido a que el pulido mecánico suele emplear pequeñas partículas abrasivas y herramientas de pulido relativamente suaves,el material superficial sufre deformaciones elásticas o plásticas durante el proceso de pulido.
Desde una perspectiva microscópica, se ha establecido un modelo de interacción mecánica entre las partículas abrasivas y la superficie de la pieza de trabajo, como se muestra en la figura (a).
En este modelo, se supone que la partícula abrasiva es esférica y se presiona en la superficie de la pieza de trabajo bajo la presión aplicada por las asperezas de la almohadilla de pulido.
Durante el pulido mecánico, la eliminación del material depende principalmente de la profundidad de hendidura de la partícula abrasiva.
Existe una profundidad de hendidura crítica correspondiente a la transición de la deformación elástica a la deformación plástica:
- Cuando la profundidad de hendidura es menor que el valor crítico, el material superficial solo sufre deformación elástica y no se elimina el material.
- Cuando la profundidad de hendidura excede el valor crítico, se produce una deformación plástica, lo que resulta en una eliminación efectiva del material.
Las diferentes profundidades de hendidura del abrasivo conducen a diferentes mecanismos de eliminación de materiales, que determinan el estado de desgaste final de la superficie procesada.
Como se muestra en la figura b):
Cuando la profundidad de hendidura alcanza la escala atómica (aproximadamente 5 Å), la superficie de la pieza de trabajo sólo sufre deformación elástica.
Cuando la profundidad de hendidura aumenta a aproximadamente 1015 Å, el mecanismo de eliminación dominante se convierte eneliminación de aradoBajo el efecto de extrusión de las partículas abrasivas, los átomos de la superficie se acumulan y forman grupos atómicos, que se eliminan gradualmente a medida que las partículas abrasivas se mueven.
El número de átomos eliminados aumenta proporcionalmente con la profundidad de hendidura.
Cuando la profundidad de hendidura aumenta aún más a aproximadamente 20 Å, el mecanismo de eliminación cambia aeliminación de cortes.
En esta etapa, un gran número de átomos superficiales son cortados directamente por partículas abrasivas, formando chips que se eliminan junto con el movimiento abrasivo.
Durante este proceso, las partículas abrasivas no solo empujan y acumulan átomos de la superficie, sino que también generan protuberancias severas alrededor de los arañazos, lo que resulta en un aumento de la rugosidad de la superficie.
La teoría de pulido mecánico tradicional sugiere que la eliminación del material no ocurre durante la etapa de deformación elástica.La eliminación del material sólo comienza cuando las partículas abrasivas inducen la deformación plástica mediante la acción de corte.
Por lo tanto, el pulido mecánico introduce inevitablemente una cierta cantidad de daños en la superficie y en el subsuelo.
En los procesos de pulido mecánico, el daño superficial/subsuperficial de los componentes ópticos está fuertemente influenciado por los parámetros del proceso, incluidos:
- Presión de pulido
- Propiedades mecánicas de la herramienta de pulido
- Tamaño de las partículas del abrasivo
- Morfología de las partículas abrasivas
La figura a) muestra una superficie de vidrio óptico BK7 después de un pulido mecánico.
En el proceso de pulido se utilizaron partículas abrasivas de 10 μm de Al2O3 y una herramienta de pulido de tono.
La figura b) muestra el daño superficial y subterráneo de una oblea CdZnTe después de 30 minutos de pulido mecánico observado por microscopía electrónica de escaneo.
El proceso de pulido utilizó partículas abrasivas de 2 ‰ 5 μm Al2O3 con una herramienta de pulido de placas de aluminio.
Se observaron arañazos a escala micrónica y submicrónica en la superficie, la capa de daño subterráneo tenía un grosor inferior a 1 μm y consistía principalmente en una capa policristalina,que indique el daño por deformación plástica.
(2) Polido químico y polido electroquímico
El pulido químico y el pulido electroquímico utilizan reacciones químicas o electroquímicas para disolver el material de la superficie de la pieza de trabajo.
Durante el proceso, las protuberancias microscópicas en la superficie se disuelven preferentemente en comparación con las regiones empotradas, lo que resulta en una superficie más lisa.
La composición básica de las soluciones de pulido químico/electroquímico incluye generalmente:
- Las demás sustancias
- Inhibidores
- Agua
Las funciones de cada componente son las siguientes:
- Las sustancias etantes:Disolver el material superficial mediante reacciones químicas.
- Inhibidores:suprimir la corrosión excesiva y mejorar la controlabilidad del proceso.
- Agua:actúa como diluyente y facilita la difusión de los productos de reacción.
Para los diferentes materiales de la pieza de trabajo, se seleccionarán los sistemas de solución de pulido correspondientes según sus propiedades químicas.
Debido a que los materiales ópticos generalmente poseen una excelente estabilidad química, a menudo se requieren ácidos fuertes, álcalis fuertes o agentes oxidantes fuertes como etchants durante el pulido químico.
Por ejemplo, los componentes ópticos compuestos principalmente de SiO2, como el vidrio K9 y la sílice fundida, utilizan comúnmente ácido fluorhídrico (HF) como el grabador.
La reacción química es:
El S- ¿ Qué?¿ Qué?2- ¿ Qué?+6H.F: el precio- ¿ Qué?H.2- ¿ Qué?El S- ¿ Qué?F: el precio6- ¿ Qué?+2H.2- ¿ Qué?¿ Qué?
El pulido químico presenta un flujo de proceso simple y una implementación relativamente fácil.
Sin embargo, también sufre de varias limitaciones:
- Baja precisión de procesamiento
- Poca capacidad de control
- Repetibilidad limitada
- Problemas de contaminación del medio ambiente
Por lo tanto, es difícil cumplir con los requisitos de fabricación de componentes ópticos de ultraprecisión.
El pulido electroquímico se aplica ampliamente en:
- Trabajos de acabado de metal
- Preparación de muestras metalográficas
- Tratamiento de la superficie de precisión
El pulido electroquímico utiliza la disolución anódica de metales para el procesamiento de la superficie.
Se considera un método de mecanizado sin contacto y sin esfuerzo con ventajas que incluyen:
- Alta eficiencia de eliminación de materiales
- No hay daños mecánicos
- Sin capa de endurecimiento
- No se genera tensión residual
Sin embargo, requiere que el material procesado posea una buena conductividad eléctrica, por lo que no es adecuado para la mayoría de los materiales ópticos.
El pulido químico y electroquímico elimina los materiales mediante mecanismos de disolución.
Debido a que el proceso de eliminación es independiente de las propiedades mecánicas como dureza, dureza y resistencia,estos métodos pueden reducir rápidamente la rugosidad de la superficie y lograr una excelente calidad de pulido.
Mientras tanto, dado que no hay fricción mecánica ni acción de corte, el equipo requerido es generalmente más simple y menos costoso en comparación con los sistemas de pulido mecánico.
Sin embargo, las tecnologías de pulido químico/electroquímico también tienen varias limitaciones:
1) Alto coste de desarrollo
Debido a las diferencias en las propiedades químicas entre los materiales, se deben desarrollar soluciones de pulido específicas para diferentes materiales, lo que requiere una amplia optimización experimental de los parámetros del proceso.
2) Difícil control de las velocidades de reacción química
La velocidad de reacción es difícil de regular con precisión, por lo que es difícil mantener la precisión dimensional y la precisión geométrica.
3) Fuerte dependencia de la uniformidad del material
La calidad de la superficie obtenida se ve muy afectada por la estructura interna y la pureza de la pieza.
Las impurezas y los defectos estructurales en el interior del material pueden reducir significativamente la calidad de la superficie final.
(3) Tecnología de pulido químico mecánico (CMP)
El pulido químico mecánico (CMP) es una tecnología de planarización de la superficie que combinareacciones químicas y abrasión mecánicaSe ha aplicado ampliamente en la fabricación de semiconductores, procesamiento de componentes ópticos y fabricación de materiales avanzados.
El desarrollo de la tecnología CMP está estrechamente asociado con el avance de la tecnología de semiconductores.como el acabado superficial de vidrio y metalesSin embargo, estos enfoques convencionales no pudieron satisfacer los requisitos cada vez más estrictos de alta precisión y planarización superficial a nanoescala.
En la década de 1950, los investigadores descubrieron que los reactivos químicos, como los ácidos y las soluciones alcalinas, podrían ayudar a eliminar el material y reducir el daño mecánico.Este descubrimiento sentó las bases para el desarrollo de la tecnología CMP.
En 1965, IBM introdujo por primera vez la tecnología CMP para el pulido de obleas de silicio.Los procesos tradicionales de grabado en seco y los métodos de pulido puramente mecánicos no pudieron eliminar eficazmente las variaciones de la topografía de la superficie.Como resultado, la CMP se convirtió gradualmente en una tecnología de proceso crítica.
Sin embargo, los primeros procesos de CMP todavía se enfrentaban a varios desafíos, entre ellos:
- Poca estabilidad de las levaduras de pulido
- Precisión insuficiente del equipo
- Dificultad para controlar las tasas de eliminación de material
En 1997, IBM introdujo con éxito el CMP en los procesos de pulido de interconexión de cobre.
El CMP de cobre requiere un control preciso del equilibrio entre la disolución química y la abrasión mecánica para suprimir la oxidación excesiva del cobre y lograr una eliminación uniforme del material.
Con la evolución continua de la tecnología de fabricación de semiconductores, CMP se ha convertido en la única solución de planarización viable cuando los procesos de semiconductores entraron en el nodo de tecnología sub-0,25 μm.
Además, la introducción de materiales dieléctricos de baja k requirió procesos CMP más suaves para minimizar el daño mecánico y mantener la integridad estructural.
Mecanismo de procesamiento de los CMP
El CMP utiliza partículas abrasivas relativamente blandas para lograr un pulido superficial de alta calidad.
Durante el proceso CMP, la pieza de trabajo se presiona contra una almohadilla de pulido bajo presión controlada y se mueve en relación con la almohadilla.
A través de la interacción sinérgica entre las partículas abrasivas a nanoescala y los componentes químicos en la suspensión de pulido, la superficie de la pieza de trabajo se vuelve gradualmente más lisa,como se muestra en la figura siguiente:.
El sistema CMP consiste generalmente en un portador giratorio y una placa de pulido.
A través de su rotación coordinada, se genera una trayectoria de movimiento relativo compleja entre la oblea y la almohadilla de pulido.
La suspensión de agua de los depósitos de limpieza debe estar hecha con una temperatura de la superficie del depósito de limpieza superior a 30 °C.
- Las partículas abrasivas:proporcionar una acción de pulido mecánico.
- Agentes oxidantes:inducir reacciones químicas en la superficie del material.
El mecanismo de eliminación del material de CMP consiste principalmente en dos pasos secuenciales:
Paso 1: Oxidación superficial y modificación química
Los agentes oxidantes reaccionan con la superficie de la pieza de trabajo y generan una capa de superficie modificada o suavizada químicamente.
Paso 2: Eliminación mecánica de la capa reaccionada
Las partículas abrasivas eliminan esta capa de reacción suavizada mediante interacción mecánica.
Este proceso cíclico finalmente produce una superficie ultra-lisera con una rugosidad extremadamente baja.
Cabe señalar que el equilibrio entre los efectos químicos y mecánicos en la CMP desempeña un papel decisivo en la determinación de la calidad final de la transformación.
Cuando la acción mecánica domine:
- Pueden producirse arañazos en la superficie.
- La concentración de estrés residual puede aumentar.
- Puede generarse daño subterráneo.
Cuando la acción química es excesiva:
- Pueden aparecer defectos de corrosión superficial.
- Puede producirse grabado localizado.
- La morfología de la superficie puede deteriorarse.
Por lo tanto, la optimización de la interacción sinérgica entre las reacciones químicas y la abrasión mecánica es el factor clave para mejorar el rendimiento del CMP.
La investigación ha demostrado que la intensidad de pulido mecánico y la velocidad de reacción química presentan una correlación positiva.
Este efecto de acoplamiento influye directamente en la eficiencia de la eliminación del material.
Por lo tanto, el control preciso de la composición del lodo se ha convertido en uno de los principales desafíos tecnológicos en el desarrollo de procesos avanzados de CMP.
Para obtener una superficie pulida de alta calidad, los efectos químicos y mecánicos durante la MPC deben alcanzar un equilibrio adecuado.
Si la acción química domina sobre la acción mecánica:
- Agujas de corrosión
- Patrones superficiales similares a la cáscara de naranja
- Morfología de la superficie no uniforme
puede ocurrir.
Por el contrario, si domina la acción mecánica:
- Las rasguños
- Las grietas
- Capas de daño subterráneo
es probable que se formen.
2Factores que afectan al pulido químico mecánico
Durante el procesamiento de CMP, los parámetros del proceso tienen una influencia significativa en:
- Tasa de eliminación del material (MRR)
- La rugosidad de la superficie
- Integridad de la superficie
- Uniformidad del procesamiento
Según la ecuación de Preston:
El MRR=- ¿ Qué?×P×V.
donde:
- El MRRrepresenta la tasa de eliminación del material.
- - ¿ Qué?es el coeficiente de Preston relacionado con las condiciones de pulido.
- Prepresenta la presión de pulido.
- V.representa la velocidad relativa de pulido.
La presión de pulido y la velocidad de rotación determinan conjuntamente la eficiencia de eliminación del material.
(1) Efecto de la presión de pulido
La presión de pulido determina directamente la tensión de contacto entre la almohadilla de pulido y la superficie de la oblea.
El aumento de la presión generalmente mejora el contacto entre las partículas abrasivas y la oblea, aumentando así el MRR.
Sin embargo, la presión excesiva puede resultar en:
- Microrrapaduras en la superficie
- Deformación de las obleas
- Super pulido localizado
- Defectos de los platos
Por lo tanto, debe seleccionarse un rango de presión adecuado para equilibrar la eficiencia y la calidad de la superficie.
(2) Efecto de la velocidad de rotación
La velocidad de rotación relativa entre la almohadilla de pulido y la oblea afecta el comportamiento hidrodinámico y la distribución de la suspensión de pulido.
Una gran diferencia de velocidad puede causar una eliminación excesiva del borde, lo que conduce al fenómeno conocido comoDespliegue de los bordes.
El aumento de la velocidad de rotación aumenta las fuerzas de cizallamiento mecánico, lo que puede mejorar la eficiencia de la eliminación de materiales.
Sin embargo, una velocidad excesivamente alta puede generar aumentos de temperatura localizados (normalmente superiores a 10 °C), lo que resulta en cambios en la actividad química del estiércol y afecta a la estabilidad del pulido.
(3) Efecto del caudal de estiércol
El caudal del estiércol influye tanto en:
- Reacciones químicas entre la suspensión y la superficie de la oblea.
- Eliminación mecánica de la capa de reacción oxidada.
Además, a través de la convección, la suspensión actúa como refrigerante y ayuda a disipar el calor generado en la interfaz entre la almohadilla de pulido y la obletera.
Por lo tanto, la optimización del caudal de estiércol contribuye a mejorar la eficiencia de pulido y la calidad de la superficie.
Ajuste adecuado de los parámetros del proceso, incluidos:
- Presión
- Velocidad de rotación
- Cantidad de flujo de estiércol
es esencial para lograr procesos CMP de alto rendimiento.
Las investigaciones han demostrado que dentro de un rango de presión adecuado, el MRR aumenta aproximadamente proporcionalmente a la presión aplicada.
A baja presión y bajo caudal de estiércol:
- Puede producirse una reacción de oxidación insuficiente.
- La eficiencia de la eliminación del material disminuye.
El aumento de la presión o del caudal del lodo puede:
- Reducir la temperatura de la almohadilla de pulido.
- Mejora la capacidad de oxidación.
- Mejorar la eficiencia de la eliminación mecánica.
Como resultado, el MRR aumenta.
Sin embargo, la presión excesiva o el caudal del estiércol pueden causar que domine la abrasión mecánica.
Aunque el MRR puede seguir aumentando, la rugosidad de la superficie también puede aumentar y pueden aparecer defectos de arañazos.
Por lo tanto, el establecimiento de un equilibrio dinámico entre las reacciones de oxidación y la eliminación mecánica es esencial para lograr la máxima eficiencia de pulido.
(a) Composición de la lechera de pulido
Aunque la MPC requiere un control preciso de los parámetros del proceso tales como:
- Presión de pulido
- Velocidad de rotación
- Cantidad de flujo de estiércol
La suspensión de pulido sigue siendo el factor más crítico que afecta el rendimiento de los CMP.
Los componentes clave del estiércol de CMP incluyen:
- Las partículas abrasivas
- Agentes oxidantes
- Reguladores de pH
Estos componentes influyen significativamente en:
- Tasa de eliminación del material (MRR)
- La rugosidad de la superficie
- Formación de defectos de superficie
b) Agentes oxidantes
Los agentes oxidantes desempeñan un papel crítico en la CMP al promover reacciones de oxidación en la superficie del material.
Estas reacciones generan una capa de óxido relativamente más suave, que luego se puede eliminar fácilmente por abrasión mecánica.
El proceso de oxidación reduce efectivamente la fuerza mecánica requerida para la eliminación del material y ayuda a minimizar el daño superficial.
c) Valor del pH
El valor del pH de la suspensión de pulido afecta directamente a:
- Tasa de pulido
- Calidad de la superficie
- Mecanismo de eliminación del material
El método de ensayo se basa en el ensayo de la composición de los materiales.
Un valor de pH optimizado ayuda a lograr un equilibrio entre la modificación química y la eliminación mecánica.
d) Agentes tensioactivos
Los tensioactivos actúan como agentes estabilizadores en el estiércol de CMP.
Sus principales funciones incluyen:
1. Mantenimiento de la estabilidad del lodo
Los tensioactivos previenen:
- Agregación de partículas abrasivas
- Separación de los componentes
- Sementimiento
el mantenimiento de la uniformidad del estiércol.
2Mejora del comportamiento de propagación del estiércol
Los tensiones superficiales de los surfactantes reducen la tensión superficial del lodo, lo que permite una mejor propagación en superficies de obleas hidrófobas.
Esto mejora el contacto entre:
- Las partículas abrasivas
- Componentes químicos
- Superficie del material
que mejora la uniformidad y la eficiencia del pulido.
3Reducción de daños en la superficie
Los tensioactivos pueden regular las tasas de reacción superficial o formar películas protectoras en la superficie.
Esto ayuda a equilibrar la abrasión mecánica y la corrosión química, mejorando:
- Eficiencia de la eliminación de materiales
- Gratinedad de superficie
- Resistencia a daños subterráneos
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