ارتقاء نانومتري صافي سطح ساچمه هاي سيليكون نيترايد (Si3N4) با استفاده از پرداختكاري شيميايي- مكانيكي (CMP)

Nano-Metric Enhancement of Surface Roughness of Silicon Nitride balls (Si3N4) by Chemical Mechanical Polishing (CMP)

پرداختكاري شيميايي- ­مكانيكي (CMP)، يكي از روش ­هاي پرداختكاري نانومتري ساچمه­ ها و ويفرهاي غيرفلزي، مانند ساچمه­ هاي سيليكون نيترايد و انواع سراميك ­ها مي­ باشد. در اين فرآيند، ذرات ساينده (ZrO2, CeO2, Fe2O3) كه سختي كمتري نسبت به قطعه­ كار دارند، در سيالي غوطه ­ور هستند. در همين حالت، قطعه­ كار با سيال پايه (آب، هوا، آب اكسيژنه و يا روغن) واكنش شيميايي داده و يك لايه نازك سيليكا (SiO2) روي سطح قطعه ­كار ايجاد مي­ شود. برداشت لايه نازك اكسيدشده، توسط ذرات ساينده، در نتيجه­ اين واكنش، به­ راحتي از سطح قطعه ­كار انجام مي­ گيرد. عوامل موثر در پرداختكاري شيميايي- مكانيكي شامل 1- غلظت ذرات ساينده، 2- سرعت دوران كله ­گي ماشين فرز، 3- زمان پرداختكاري و 4- نوع ذرات ساينده است كه با تغيير هر كدام، عواملي مانند 1- زبري سطح، 2- كرويت و 3- نرخ براده ­برداري تغيير مي ­كند. در تحقيق حاضر، براي پرداخت شيميايي- مكانيكي ساچمه ­هاي سيليكون نيترايد، دستگاهي آزمايشگاهي طراحي و ساخته شد و جمعاً 24 آزمايش براي بررسي فاكتورهاي ذكر شده بر صافي سطح قطعه­ كار و نرخ برداشت ماده، با نرم ­افزار Minitab، طراحي و انجام گرديد. براي هر كدام از فاكتورها، دو سطح تنظيم شد و پس از آناليز واريانس نتايج تجربي، معادله ­هاي رگرسيون براي صافي سطح و نرخ برداشت ماده بدست آمد. در آزمايش­ هاي انجام شده، با استفاده از هر سه ذره ساينده، با افزايش زمان پرداختكاري، سرعت دوران كله­ گي ماشين فرز و غلظت ذرات ساينده، ميزان برداشت ماده بيشتر شده و كيفيت سطح نيز بهبود يافت. ريخت­ شناسي زبري سطح با استفاده از طيف ­نمائي پرتو ايكس مطالعه شد. هم­چنين، امكان­ پذيري انجام واكنش­ هاي شيميايي توسط معادله انرژي آزاد گيبس بررسي گرديد. درنهايت، راه­كارهايي براي پرداخت بهينه ساچمه ­هاي سراميكي با توجه به شرايط آزمايشگاهي و آناليز واريانس پيشنهاد شد. مقايسه نتايج تجربي نشان داد كه زبري سطح ساچمه ­هاي پرداخت­ شده توسط ذرات ساينده Fe2O3 به مراتب بهتر از دو ساينده ديگر است(Ra= 69 nm).

Chemical Mechanical Polishing (CMP) is one of the nano-metric polishing processes of non-metal balls and wafers such as silicon nitride balls and various ceramics. In this process, abrasive particles (Fe2O3, CeO2 and ZrO2) which have lower hardness than workpiece are floated in some fluid. In this state, the workpiece reacts chemically with base fluid (water, air, hydrogen peroxide and or oil), forming a thin layer of silica (SiO2) on the surface of the workpiece. Removal of the thin oxidized surface layer of the workpiece by abrasive particles, as a result of the chemical reaction, is easily done. Effective parameters of Chemical- Mechanical Polishing include 1- density of abrasive particles, 2- spindle speed of milling machine, 3- polishing time and 4- kind of abrasive particles which by altering of each, factors such as 1- surface roughness, 2- sphericity and 3- material removal rate change. In the present research, a laboratory device is designed and manufactured for chemically- mechanically polishing of silicon nitride balls and 24 experiments are designed by Minitab software and done to investigate effects of the mentioned factors on surface roughness and material removal rate. For each of the factors two levels is set, after variance analysis of the experimental results, regression equations of the surface roughness and material removal rate were achieved. By increase of polishing time, spindle speed of milling machine and density of all three kinds of abrasives during experiments, material removal rate increased and surface roughness enhanced. Morphology of surface roughness by X-Ray photo-electron spectroscopy (XPS) was studied. Probability of chemical reactions by Gibbs free energy equations was also investigated. Eventually, approaches for optimized polishing of ceramic balls were proposed due to the experimental conditions and analysis of variance. Comparison of the experimental results showed that the surface roughness of balls polished by the Fe2O3 abrasive particles (Ra= 69 nm) was far better than the other two abrasives, and equals.