电极形状对介电泳抛光影响的仿真研究

发布时间：2019-07-21 13:39

【摘要】：为了解决平面抛光加工中提高精度和效率的难题,根据中性微粒在非均匀电场中可以产生介电泳效应,提出了一种可以提高抛光均匀性和效率的介电泳抛光方法.讨论了介电泳理论及抛光原理,运用COMSOL软件仿真分析了不同电极的电场线分布.仿真结果表明:圆环70~90mm电极形状的电场线分布最不均匀.进行了相应电极的加工试验,试验结果表明:使用圆环70~90mm电极时材料去除率最大,达到0.573mg/min,相比传统CMP提升了19.9%.使用圆Φ60mm电极形状,工件材料去除最均匀、抛光效率最高,2.5h可以将Φ76.2mm硅片全部抛亮,比传统CMP提高了3.6倍,且最终表面粗糙度为0.97nm.在实际加工中,圆Φ60mm电极形状最适合Φ76.2mm硅片的介电泳抛光.
【图文】：

］采用一种微电极，依据介电特性的不同，将人类乳癌细胞肌从正常的血细胞中分离出来；文献［１０］利用介电泳效应从血细胞中分离出了癌细胞，还将正常的老鼠红血球从红白血病细胞中分离出来，并改变应用电场的频率测试了这些细胞的介电特性．根据微纳颗粒的介电泳效应，本研究提出了一种介电泳抛光方法，将微纳颗粒的介电泳效应运用到超精密抛光加工中．１介电泳抛光方法１．１介电泳原理介电泳是中性粒子在非均匀电场中被极化，进而诱导出电偶极子，从而产生定向运动的现象［１１］．如图１所示，中性粒子中的正、负电荷处于电场强度不同的位置，电场较强的一端受到较大的电场力，作用力之差使粒子被拉向强电场的方向，并沿电场强度变化的方向作直线位移运动，即介电泳．图１介电泳原理介电泳力ＦＤＥＰ的计算模型为［１２］ＦＤＥＰ＝２πε１Ｒ３Ｒｅ［Ｋ（ω）］鄀Ｅ２ｒｍｓ，（１）式中：ε１为溶液的介电常数；Ｒ为粒子的半径；Ｒｅ［Ｋ（ω）］为克劳修斯－莫索提因子的实部（ＣＭ因子的实部）；鄀Ｅ２ｒｍｓ为电场平方的梯度；Ｋ（ω）＝（ε＊２－ε＊１）／（ε＊２＋２ε＊１），（２）ε＊＝ε－ｉσ／ω，（３）ε＊２为粒子的复介电常数，ε＊１为溶液的复介电常数，ω为电场角频率，σ为电导率；ε＊和ε分别为复介电常数和介电常数．根据式（１）～（３）可知，介电泳力的大小与溶液的介电常数ε１、粒子的半径Ｒ、ＣＭ因子的实部和电场平方的梯度鄀Ｅ２ｒｍｓ有关．当

．根据式（１）～（３）可知，介电泳力的大小与溶液的介电常数ε１、粒子的半径Ｒ、ＣＭ因子的实部和电场平方的梯度鄀Ｅ２ｒｍｓ有关．当选定抛光液时，ε１和Ｒ为定值，影响介电泳力大小的因素仅为ＣＭ和鄀Ｅ２ｒｍｓ．鄀Ｅ２ｒｍｓ的大小与电场分布均匀性有关，即电场线分布越均匀，鄀Ｅ２ｒｍｓ值越小；电场线分布越不均匀，鄀Ｅ２ｒｍｓ值越大，因此分析极板间电场线的分布十分必要．１．２介电泳抛光原理介电泳抛光设备如图２所示，在传统平面抛光设备的上下抛光盘中加入非对称的电极，高压电源通过电刷与上下盘中电极相连，使抛光区域形成非均匀电场，利用磨粒的介电泳效应进行抛光加工．磨粒在非均匀电场中被极化，受到介电泳力的作用向电极方向移动，使参与抛光加工的磨粒数量增加；同时，运动的磨粒使抛光液与工件接触区域的压力增大，进而工件的材料去除率增大．另一方面，增大的压力可以减慢抛光液受到离心力被甩出加工区域的时间，进而改善抛光液因受离心力而分布不均匀的问题，使抛光液与所加工表面形成较大的接触面积，提高抛光加工的均匀性．因此，利用磨粒的介电泳效应，可直接提高工件的加工表面质量和加工效率．图２介电泳抛光设备示意图２电极形状仿真分析抛光加工时，电极分别被放置在上下盘中，，并通过绝缘层与工件、抛光液隔绝，在加工区域形成非均匀电场，辅助抛光加工．用ＣＯＭＳＯＬ软件仿真４种电极形状电场区域的电场线分布，分析比较不同电极形状电场线分布的均匀性，电场分布越不均匀介电泳力越大．上极板形状分别为２种环形，２种圆形，下极板均相同
【作者单位】：浙江工业大学超精密加工研究中心;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51275746,51275272) 浙江省自然科学基金资助项目(LY15E050022,LY17E050022) 浙江省科技创新团队资助项目(2011R50011-06)
【分类号】：TG580.692

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