一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液及其应用

本发明属于微机电系统制造领域，具体涉及一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液。

背景技术：

1、微机电系统具有体积小、成本低、精度高等优点，已被广泛用于交通运输、航空航天和生物医疗等领域的高端装备中。随着微机电系统的不断发展，集成度不断提高，对高精度复杂金属微结构的需求变得愈发迫切。为此，业界针对微机电系统应用需求，研发了多种复杂金属微结构制造方法，如基于电化学沉积的微尺度3d打印技术(electrochemicalfabrication，efab)。efab由美国南加州大学cohen等人在1998年提出，是一种新颖的复杂金属微结构批量制造技术。从原理上，efab可以实现任意形状的三维金属微结构(adamcohen,gang zhang,fan-gang tseng,florian mansfeld,uri frodis,peter will,efab:batch production of functional,fully-dense metal parts with micron-scalefeatures,1998international solid freeform fabrication symposium,theuniversity of texas in austin,august10-12,1998)。

2、依据参考文献(adam cohen,richard chen,uri frodis,ming-ting wu,chrisfolk,microscale metal additive manufacturing of multi-component medicaldevices,rapid prototyping journal,2010,16(3):209-215；明平美,李欣潮,张新民,秦歌,闫亮,张峻中,刘筱笛,电化学三维微沉积技术及其研究进展,中国科学:技术科学,2018,48(04):347-359)，efab主要包括以下几个步骤：1)选择性电沉积结构金属到由掩模定义的基底区域；2)电沉积牺牲金属，以覆盖结构金属并填充未沉积的基底区域。根据需要，可以调整步骤1)和2)中结构金属和牺牲金属的电沉积顺序；3)平坦化由结构金属和牺牲金属组成的微结构，形成具有精确厚度和平坦度以及良好质量的表面；重复步骤1)-3)，直到打印完成所有层；4)选择性刻蚀去除牺牲金属，获得复杂金属微结构。在上述步骤中，平坦化主要用于控制厚度、平坦度和表面质量，这对微机电系统的性能至关重要。具体来讲，一方面，平坦度需要满足即时掩膜的要求。随着微机电系统特征尺寸的减小，平坦度需要不断提高；另一方面，表面完整性需要足够高。如果结构金属存在大量缺陷，如裂纹和划痕，在一些极端服役工况下，缺陷会逐渐演化扩大，造成微机电系统失效(peter o.hahn,the 300mm silicon wafer—a cost and technology challenge,microelectronicengineering,2001,56(1):3-13；a.soma,g.de pasquale,mems mechanical fatigue:experimental results on gold microbeams,journal of microelectromechanicalsystems,2009,18(4):828-835)。为此，需要实现高的平坦度和表面质量。

3、目前，efab主要采用铣削、磨削、研磨等传统机械加工技术进行平坦化。然而，这些技术单纯利用机械刻划作用，平坦度和表面质量有待提升。一方面是客观需求所在，另一方面是现有加工技术制约，因此，需要发展新的平坦化技术，实现金属微结构高平坦度、高表面质量加工。化学机械抛光是目前唯一能够实现局部和全局平坦化的技术，广泛应用于集成电路制造中。化学机械抛光通过化学反应和机械力的协同作用，可以获得纳米级平坦度和亚纳米级粗糙度的晶圆表面。目前，已有将化学机械抛光技术初步应用到efab中,也有过氧化氢对铜/镍异质微结构表面化学机械平坦化的影响研究用于铜/镍微结构平坦化，通过改变过氧化氢浓度，可以调控铜、镍材料去除速率选择比，进而实现铜/镍微结构高质高效平坦化。然而，在使用过程中，过氧化氢存在以下问题：1)过氧化氢容易发生分解，抛光液时效性有限；2)过氧化氢属于危险化学品，对于使用者来说，一方面购买流程较为复杂，另一方面保存条件要求较高。同时，如若使用不当，容易造成人身伤害。

4、目前，efab中通常采用铜作为牺牲金属，镍作为结构金属。为此，需要针对铜/镍微结构，开发更为安全、高效的抛光液，实现铜/镍微结构高质高效平坦化，最终获得高精度微机电系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对铜/镍微结构高质高效平坦化需求，克服现有机械加工技术平坦度和表面质量不高的不足以及现有化学机械抛光技术中过氧化氢容易分解且危险的不足，选择更为安全的过硫酸盐作为氧化剂，提供一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液。

2、本发明的具体技术方案为：一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液，包括以下组分：

3、0.01～40wt％的磨粒；

4、0～10wt％的氧化剂；

5、0～10wt％的络合剂；

6、0～10wt％的复配缓蚀剂；

7、水及少量ph值调节剂，

8、wt％表示质量百分比。

9、进一步的，所述磨粒选自胶体二氧化硅、煅制二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、金刚石中的至少一种。根据金属化学机械抛光中的腐蚀磨损去除机理，磨粒通过连续不断的机械研磨作用去除金属表面反应层，实现材料去除。

10、进一步的，所述氧化剂选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵中的至少一种。过硫酸盐是一种强氧化剂，与过氧化氢相比，具有更好的安全性、稳定性。过硫酸盐可以产生硫酸根自由基，促进铜表面氧化，提高材料去除速率；同时，过硫酸盐会与镍表面氧化物反应，降低表面膜完整性，提高材料去除速率。

11、进一步的，所述络合剂选自乙二胺、乙二胺硫酸盐、乙二胺盐酸盐、乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸盐、乙二胺二琥珀酸、乙二胺四甲叉膦酸钠、n-β-羟基乙基乙二胺三乙酸、环己二胺四乙酸中的至少一种。络合剂可以和氧化生成的铜、镍离子形成可溶性络合物，一方面从表面脱附溶解到抛光液中，另一方面，降低表面膜完整性，提高材料去除速率。

12、进一步的，所述复配缓蚀剂包括两类组分：一类为唑类杂环化合物，另一类为阴离子表面活性剂。

13、进一步的，所述唑类杂环化合物选自苯并三氮唑、4-甲基-1h-苯并三氮唑、5-甲基-1h-苯并三氮唑、1-羟基苯并三氮唑、5-氯苯并三氮唑、5,6-二甲基-1,2,3-苯并三氮唑中的至少一种。

14、进一步的，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磷酸酯钾、十二烷基磷酸酯三乙醇胺中的至少一种。

15、进一步的，所述两类复配组分通过物理化学协同作用在铜、镍表面形成一层致密的缓蚀膜，抑制腐蚀。

16、优选地，本发明提出了一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液，包括以下组分：

17、0.01～40wt％的所述胶体二氧化硅；

18、0～10wt％的所述过硫酸钾；

19、0～10wt％的所述乙二胺硫酸盐；

20、0～5wt％的所述苯并三氮唑；

21、0～5wt％的所述十二烷基苯磺酸钠；

22、水及少量硫酸和氢氧化钾作为ph值调节剂。

23、进一步地，基于上述抛光液，本发明还提出了一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液的应用，通过调节氧化剂浓度，实现铜、镍等速去除；通过调节复配缓蚀剂，实现铜、镍高表面质量，在此基础上，将化学机械抛光与机械研磨有机结合，实现铜/镍微结构高质高效平坦化，具体步骤如下：

24、s1、采用机械研磨，快速平坦化铜/镍微结构，提高效率；

25、s2、采用化学机械抛光，精密平坦化铜/镍微结构，获得良好的平坦度和表面质量。

26、与现有的磨削、研磨技术相比，本发明的有益效果具体如下：

27、1、实现铜/镍微结构高平坦度。通过调节氧化剂浓度，实现铜、镍等速去除，铜/镍微结构台阶高度从微米级降至纳米级。

28、2、实现铜/镍微结构高表面质量。通过调节复配缓蚀剂，抑制铜、镍表面腐蚀，实现铜、镍高表面质量，铜、镍表面粗糙度小于10纳米。

29、3、实现铜/镍微结构高效平坦化。将化学机械抛光与机械研磨有机结合，整个平坦化过程小于30分钟。