华东理工大学团队在《the chinese journal of process engineering》发表化学机械抛光（CMP）保持环结构优化研究

一、作者与发表信息
本研究由华东理工大学化学与分子工程学院及化工学院的屈朋阳、黄盼、练成（通讯作者）、刘洪来团队，联合材料科学与工程学院林绍梁共同完成，于2023年12月发表在《the chinese journal of process engineering》第23卷第12期。研究通过有限元模拟（FEM）揭示了保持环结构对化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）中抛光液有效利用率的影响机制。

二、学术背景与研究目标
CMP是集成电路制造中实现材料全局平坦化的关键技术，抛光液作为主要耗材占总成本的50%，但其有效利用率极低（大部分因离心力作用被浪费）。保持环（retaining ring）在CMP中兼具固定晶圆和引导抛光液传输的双重功能，其沟槽结构（如数量、宽度、圆角设计）直接影响抛光液流向抛光垫-晶圆界面的效率。然而，传统实验方法难以直接观测界面液膜厚度，且保持环结构优化缺乏系统性理论指导。
本研究目标为：通过建立动态耦合模型，量化不同保持环结构参数对抛光液有效利用率的影响，为降低CMP成本提供理论依据。

三、研究方法与流程
1. 模型构建与假设
- 将三维CMP系统简化为二维压差流模型，忽略抛光盘转动，以长方形抛光盘模拟实际工况（长1500 mm，宽600 mm）。
- 假设抛光液为不可压缩流体（黏度与纯水一致），采用Navier-Stokes方程描述流动状态，边界条件设定为入口流速2.5 m/s、出口压力101.325 kPa。

1. 保持环结构设计

   • 基于商用保持环（18沟槽、宽3.0 mm、尖角槽）设计4类20种变体：
     
     • Ring-1-x：固定沟槽宽度（3.0 mm），调整沟槽数量（x=12,15,18,20,24），尖角槽。
       
     • Ring-2-x：同Ring-1-x，但改为圆角槽。
       
     • Ring-³⁄₄-x：固定沟槽总面积（1785.4±0.3 mm²），调整沟槽数量与宽度（如12槽宽4.5 mm，24槽宽2.3 mm），分别对应尖角/圆角槽。
       

2. 有限元模拟与验证

   • 使用COMSOL 5.6软件求解流体动力学方程，网格密度经独立性验证（14.11万网格时误差<0.04%）。
     
   • 通过对比Liao等实验数据（圆角槽保持环弓形波厚度更薄），验证模型准确性。
     

3. 数据分析

   • 定义抛光液有效利用率（η）=（界面平均流速/初始流速）×100%，分析不同结构参数对η的影响规律。
     

四、主要研究结果
1. 沟槽数量的影响
- 同宽度下：η随沟槽数量增加线性上升（Ring-1-12至Ring-1-24：8.0%→14.0%），因沟槽总面积增大。
- 同面积下：η随沟槽数量增加而降低（Ring-3-12至Ring-3-24：15.2%→7.2%），因单个沟槽宽度减小阻碍流动。

1. 圆角槽的增效作用

   • 圆角槽设计（如Ring-2-18）比尖角槽（Ring-1-18）η提升6.0%（16.8% vs 10.8%），因圆角减少流动涡流损失。
     
   • 沟槽数量≥18时，圆角槽η趋于稳定（16.8%），表明沟槽数量存在优化阈值。
     

2. 沟槽宽度的主导性

   • 相同沟槽数量下，η与沟槽宽度正相关（如Ring-4-12宽4.5 mm时η达25.2%，显著高于Ring-2-12的16.0%）。
     

3. 最优结构组合

   • 宽沟槽+圆角设计（如Ring-4-12）η最高（25.2%），较传统结构（Ring-1-18）提升150%。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：首次通过压差流模型量化保持环结构参数对抛光液传输的影响，揭示了沟槽数量、宽度与圆角设计的协同作用机制。
2. 应用价值：提出保持环优化方案（如优先增加沟槽宽度、采用圆角设计），可降低CMP工艺成本30%以上（以抛光液占比50%计算）。
3. 方法论创新：相比传统离心流模型，压差流模型在保证精度的同时降低计算成本，为工艺仿真提供新思路。

六、研究亮点
1. 多参数系统性分析：首次同时考察沟槽数量、宽度、面积及圆角设计对η的影响，填补了CMP领域保持环结构优化的理论空白。
2. 实验-模拟互验：通过弓形波厚度间接验证液膜厚度预测的合理性，增强结论可靠性。
3. 工程指导性明确：直接给出沟槽宽度>3.0 mm、圆角半径>0.5 mm的具体优化建议，可快速应用于半导体生产线。

其他发现：研究还指出，沟槽数量超过18时，圆角槽的设计收益递减，为后续研究提供了优化边界条件。