类型a：

本文介绍一项由Z. W. Zhong、Y. B. Tian、Y. J. Ang和H. Wu共同完成的研究，该研究发表于《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》（Int J Adv Manuf Technol）2012年第60卷，文章标题为《Optimization of the chemical mechanical polishing process for optical silicon substrates》。研究团队分别来自新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）机械与航空航天工程学院和新加坡制造技术研究院（Singapore Institute of Manufacturing Technology）。

学术背景

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是半导体和光学制造中的关键工艺，特别适用于硬而脆的材料，如硅、光学玻璃和陶瓷。随着光纤到户（Fiber-to-the-Home，FTTH）和高速光通信（40 Gbit/s）的发展，对高性能光学硅基板（optical silicon substrates）的需求急剧增加。基板需要满足纳米级表面粗糙度（nanometric surface roughness）和微米级平整度（micrometric flatness）的要求，但传统抛光工艺耗时长达8小时以上，效率低下。因此，本研究的核心目标是优化CMP工艺，在保证表面质量的同时，将抛光时间缩短至15分钟，并实现高材料去除率（Material Removal Rate，MRR）。

研究流程与方法

本研究通过设计实验（Design of Experiments，DOE）及方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）探究四个关键工艺参数对抛光效果的影响：
1. 实验设备与材料：
- 使用Okamoto SPP-600s CMP机床，配备直径600 mm的抛光垫（3M 300LSE）。
- 抛光对象为单晶硅（100）基板（直径76.2 mm，厚度6 mm），需通过CMP去除15 μm的损伤层。
- 采用商业化胶体二氧化硅抛光液（Nyacol® 9950），稀释比例为去离子水：抛光液=10:1。

1. 实验设计：

   • DOE采用四因素双水平全因子设计（Full Factorial Design），共16组实验。
     
   • 四个因素及水平：
     
     • 抛光压力（Factor A）：4,900 Pa vs. 9,800 Pa；
       
     • 抛光垫转速（Factor B）：20 rpm vs. 40 rpm；
       
     • 抛光头转速（Factor C）：20 rpm vs. 40 rpm；
       
     • 抛光液供给速度（Factor D）：50 ml/min vs. 100 ml/min。
       
   • 固定参数包括振荡频率（2次/分钟）、振荡宽度（10 mm）和抛光时间（15分钟）。
     

2. 测试与分析：

   • 材料去除率（MRR）：通过超微量天平（精度0.02 mg）测量抛除质量并计算体积去除率。
     
   • 平整度：使用激光干涉仪（Zygo GPI-XP，分辨率0.08 nm）测量。
     
   • 表面粗糙度：白光干涉仪（Veeco）检测Ra（平均粗糙度）和Rt（最大峰谷高度）。
     
   • 数据分析采用ANOVA和Turkey多重比较检验，探究主效应与交互效应。
     

主要结果

1. MRR的影响因素：

   • 抛光压力（Factor A）和抛光垫转速（Factor B）对MRR有显著影响（p<0.05）。
     
   • 9,800 Pa下的MRR比4,900 Pa高88%；20 rpm下的MRR比40 rpm高171%（因高速旋转导致抛光液离心分布不均）。
     

2. 平整度的关键交互作用：

   • 抛光头转速与抛光液供给速度的交互（C×D）及抛光压力与抛光头转速的交互（A×C）对平整度影响显著。
     
   • 最佳组合：抛光头20 rpm + 抛光液100 ml/min时平整度最低。
     

3. 表面粗糙度（Rt）：

   • 仅抛光垫转速（Factor B）显著影响Rt，20 rpm比40 rpm降低43%（因高速导致抛光液分布不均）。
     

4. 最优参数组合：

   • 确认实验（样本17）验证了最优参数：抛光压力9,800 Pa、抛光垫20 rpm、抛光头20 rpm、抛光液100 ml/min。
     
   • 结果：MRR达6.43 mm³/min（1.41 μm/min去除深度），15分钟内完成21.2 μm去除；表面粗糙度Rt为18.89 nm，平整度2.403 μm。
     

结论与价值

本研究通过系统实验明确了光学硅基板CMP工艺的优化路径：
- 科学价值：揭示了抛光垫转速与抛光液分布的动态关系，为硬脆材料高效抛光提供理论依据。
- 工业价值：将抛光时间从8小时缩短至15分钟，同时满足纳米级粗糙度与微米级平整度要求，显著提升生产效率。

研究亮点

1. 创新性方法：首次通过全因子DOE结合ANOVA分析CMP多参数交互作用，优化效率与质量的平衡。
   
2. 关键发现：低速抛光垫（20 rpm）通过改善抛光液分布，同时提升MRR和表面质量，颠覆“高速高效”的直觉假设。
   
3. 工业适用性：参数可直接应用于生产，推动光学器件（如可调谐色散补偿器）的快速制造。
   

此外，研究还通过SEM和白光干涉仪图像（图5-7）验证了表面无缺陷，证实工艺可靠性。团队特别致谢实验协助人员，体现协作研究的严谨性。