教育学博士开题报告doc.docx
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教育学博士开题报告doc
教育学博士开题报告
篇一:
暨南大学博士硕士学位论文开题报告书
研究生学位论文开题报告书
拟定学位论文题目:
层
次硕士
研究生姓名
导师姓名
学院
系(所、中心)
专业学科方向
学号暨南大学研究生院
年月日
1
研究生工作秘书签名:
2
3
4
5
篇二:
博士生开题报告
化学机械抛光中机械与化学作用机制的仿真研究
1.选题背景及其意义
化学机械抛光(CMP)技术是芯片制造中的关键技术,随着集成电路特征尺寸的减小,CMP技术的应用面临新的挑战,例如,大尺寸硅片表面的抛光要求具有0.1nm的表面粗糙度[1],这些都对CMP技术提出了更高要求。
深入系统的研究CMP的去除机理更利于CMP技术的提高与完善,因此十分重要。
现有的抛光理论认为:
化学机械抛光过程是磨粒对材料表面的机械作用与抛光液的化学作用共同作用的结果,抛光液的化学作用削弱了芯片表面原子/分子的键能,而磨粒的机械作用将表面弱化的氧化原子/分子去除。
但是对于机械化学的协调作用至今未有清晰的解释。
本文针对化学机械抛光中材料去除激励的研究现状及其存在的问题,综合运用分子动力学与量子力学的方法,对抛光液中颗粒与材料表面的接触形式,表面材料的去除方式,抛光液中氧化剂、络合剂、PH值调节剂与材料表面的化学反应机理等方面进行了研究,从原子/分子的层次揭示CMP过程的抛光机理。
本研究的完成对于可以使我们对于CMP的微观去除机理有更加清晰的认识,为高效,精确控制CMP过程提供理论指导。
本文的研究涉及纳米摩擦学,纳米接触力学,材料,表面化学和物理等多个学科领域,使学科交叉的前沿性研究课题。
本论文的研究对于丰富纳米摩擦学,纳米接触力学,材料,表面化学和物理等学科理论,提高我国IC制造业的水平具有重要的科学价值和实际意义[2]。
2.国内外研究动态
2.1化学机械抛光材料去除机理模型
2.1.1经验-半经验去除率公式模型
1927年,Preston[3]提出了第一个材料去除率模型,认为材料的去除率与抛光压力和工作速度呈线性关系。
Preston方程如下:
MRR?
KP.P0.V
(1)
式中:
MRR代表表面材料去除率,P0为抛光压力,V为工作速度,Kp为Preston系数。
Preston公式仅仅反映了抛光压力与相对速度两个过程参数对抛光速率的影响,其它影响因素都包括在Preston系数中。
在抛光过程中,抛光
去除率与抛光压力与速度等不呈现单纯的线性关系,还与其它因素有关,因此后来的许多学者对Preston方程进行了修正。
例如,Tseng[4],Shi[5],等人分别提出了非线性材料去除率模型:
MRR?
KP.PV?
(2)0.
虽然研究者对上述公式使用简单,公式中的参数均通过具体的实验得到。
但是上述模型仍然不能考虑CMP中其它关键参数,如:
抛光垫,磨粒,氧化剂等对去除速率的影响,不能揭示CMP过程中的材料去除机理。
2.1.2基于流体动力学原理的材料去除率模型
基于流体动力学理论的CMP去除速率模型认为:
被抛光硅片和抛光垫非直接接触、作用载荷全由硅片和抛光垫之间的抛光液薄膜所承受的条件下建立的。
基于流体动力学理论的CMP去除速率模型主要有RunnelsandEyman[6]模型,SrikanthSundararajan[7]模型,DiptoG.Thakurta[8]模型等。
可是这种观点无法解释抛光垫对材料去除的作用,更难以解释抛光液中磨粒的机械作用和抛光液的化学作用以及两者的协同作用对于CMP过程的巨大影响。
后来的实验研究表明[9]:
在没有磨粒的机械作用或者抛光液的化学作用时,芯片的抛光速度至少会降低一个数量级以上,并且Lin[10]的研究表明:
CMP中材料表面流体压力很小,为接触压力的1/35左右,因此研究者认为流体的冲蚀磨损不是CMP中材料去除的主要方式。
基于接触力学理论,研究人员建立了不同的硅片、磨粒和抛光垫之间的接触模型来研究CMP中材料去除机理。
基于连续介质的压痕-划痕材料去除机理,Luo等根据接触力学和统计理论提出了较为完善的材料去除模型,模型假设芯片/磨粒以及磨粒/抛光垫之间的接触变形为塑性变形,其模型接触示意图见图1所示。
?
图1.抛光材料-磨粒-抛光垫接触示意图
Luo[11,12]模型中考虑了有效磨粒数、抛光垫特性、芯片特性和抛光工艺参数等因素的影响。
得到材料的去除率模型为:
MRR?
?
wNrVolremoved?
MRRC0(3)
其中,ρw为芯片材料的质量密度,Nr为有效磨粒数,Volremoved为单个磨粒的去除率,
MRRCo为化学作用导致的材料去除率。
但该模型并未能将MRRCo进行定量化。
图2.Zhao模型示意图
Zhao[13,14]等人基于弹塑性接触力学和磨损原理建立了硅片CMP材料去除机理模型。
该模型认为硅片与抛光垫之间的接触可以采用GreenwoodandWilliamson弹性模型来建立模型,模型的三个接触变量是:
硅片表面和抛光垫表面之间的实际接触面积,抛光液中参与磨损过程的磨粒数量,磨粒嵌入硅片表面的深度。
根据三个抛光变量,得到的CMP材料去除率MRR的近似公式为:
2A?
?
?
MRR?
?
25/3Vt?
aW?
?
2/3(4)?
A0?
D?
9.9
上式中:
At为抛光过程中硅片与抛光垫的实际接触面积;α2表示相对于基片化学成膜密度比率,V表示硅片和抛光垫之间的相对速度;A0为抛光垫和硅片的名义接触面积;δaW为磨粒嵌入硅片表面材料的深度;D为磨粒的平均直径,χ为抛光液中磨粒的体积浓度。
Zhao等人的模型较符合CMP的实际情况,通过其模型预测介质层的CMP去除率与实验结果符合很好。
但是由于其对化学作用的考虑只是以一个系数的形式体现在去除率公式中,对化学和机械协同作用的研究不够。
在连续介质机理基础上,采用接触力学的方法,Fu[15],Che[16],Bastawors[17],Lin[10],Kuide[18]等人推导出了各自的CMP材料去除模型。
这些模型虽然都反映了磨粒对材料去除的机械作用,但是还不能求出单个磨粒受到的力。
而且这些模型都没有化学作用对材料去除的影响,无法解释抛光液的化学作用。
图3.Che的模型图
2.1.4包含化学作用影响的材料去除率模型
Kaufman[19]认为化学作用在芯片表面形成一层氧化薄膜,而机械作用将该氧化薄膜去除,从而提出了CMP协调去除机理,如图4。
以此机理为基础,众多学者展开了对CMP化学作用的研究。
Chen[20]采用吸附与解吸附理论,建立了材料去除率模型,见图5,该模型定性解释了化学作用在CMP中的影响,但模型参数过多,进行定量计算困难。
Christopher[21]应用化学动力学理论,提出了CMP过程中的五步去除机理,如图6所示:
①氧化剂从抛光液中传递到芯片表面;②部分氧化剂吸附到芯片表面;③吸附的氧化剂和新鲜表面发生反应;④机械去除氧化产物;⑤去除材料进入抛光液被带走。
图4.Kaufman提出的化学机械协调作用模型
图5.Chen基于吸附解吸附理论的材料去除率模型
图6.ChristopherCMP过程中的五步去除机理示意图
Jiang[21]等人研究CMP过程中芯片表面氧化薄膜生成去除机理,该模型分析了机械作用(工作压力,工作速度,磨粒浓度,磨粒的粒度分布)和化学作用(氧化剂种类、氧化剂浓度)对材料去除率的影响,但该模型的参数有待进一步通过实验加以确定。
篇三:
博士生开题报告
电场作用下纳米润滑膜的微气泡行为及成膜特性研究
1.选题背景及其意义
(1)施加外电场下研究润滑膜性能的意义
随着摩擦副的间隙日益减小,以及摩擦副表面的日益超精化,纳米级油膜的润滑剂分子和固体表面(转自:
小草范文网:
教育学博士开题报告)之间的作用变得不可忽视,雒建斌等人[1]提出的薄膜润滑的物理模型如右图所示,综合考虑了润滑剂的流体效应和摩擦副表面对润滑剂分子的吸附效应。
薄膜润滑的膜厚通常为几个到几十个纳米,较小外电场对纳米薄膜的作用类似固体的壁面效应,即驱使润滑剂分子规则排列,结构类似于液晶[2]。
因此,研究外电场作用下的纳米级油膜摩擦学性能将有助于对纳米油膜成膜机理和摩擦特性的理解。
(2)旋转机械中轴电压降和微电流的存在对轴承润滑系统的影响
电动机、发电机与电气化火车等机器中工作的滚动轴承,由于电磁绕组的不平衡、轴的磁化效应、静电作用,以及带等摩擦传动产生的摩擦电,将致使滚动轴承的内圈与滚动体间、滚动体与外圈间产生电压降及微电流。
在电动机运行过程中,如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在,那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。
轻微的可运行上千小时,严重的甚至只能运行几小时,给现场安全生产带来极大的影响。
同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。
目前,随着带有脉宽调制(PWM)的变频电机使用增加,这一难题越来越普遍。
起源于转换器普通模式电压的高频电流和转换器内部的集成栅双极晶体管(IGBTs)的高速度转换产生的电流对轴承会产生重大的破坏。
因此,考察微电流对轴承润滑系统的影响并提出解决方案是摩擦学领域一个值得研究的课题。
2.国内外研究动态
(1)电场对摩擦行为的影响
Lavielle[1]考察了外电场作用下与钢对磨的三元共聚聚乙烯膜(膜厚35μm)的摩擦特性,发现施加正负向100v的直流电压可使摩擦系数比不施加外电场时减小或增大25%。
解释:
加正压时,钢为负极,羧基团被排斥进膜的内部,故与钢表面反应不能充分反应,摩擦较多地发生在烃(—CH2—CH2—)链上,而它们是有效的润滑剂,所以摩擦系数降低;加负电压时,钢为正极,羧基团与钢表面更多地反应,故摩擦系数增加,如图1所示。
COO
-H+H+COO
-COO-COO-H+H+
图1-3不同极性的电压对钢-三元共聚物界面的影响图错误!
文档中没有指定样式的文字。
不同极性的电压对钢-三元共聚物界面的(a)正电压;(b)负电压影响
Csapo等[4]发现石墨—石墨摩擦副在氩气环境中,一定的载荷(5N)下,具有两种摩擦状态(μ=0.07和μ=0.7)。
无电流通过时,滑动线速度0.12m./s为摩擦状态由低摩擦向高摩擦转换的临界速度;当有电流通过时,该临界速度会降低,且电流越大,临界速度越小。
摩擦系数与滑动速度、电流的关系如图1.2所示。
解释:
低摩擦状态下,由于软摩擦的作用,石墨颗粒的随机组织结构消失,石墨晶体发生重组而使基面平行于滑动面,故摩擦系数小。
当通入电流后,基面的取向改变为垂直于滑动面,使得单位面积内的接触点增多,从而摩擦系数大。
图1电流对石墨-石墨摩擦副摩擦系数的影响
Paulmier等[5]考察了大气和氩气环境下,外加电流对石墨—钢干接触摩擦副的摩擦特性的影响。
研究表明,大气条件下外加电流使该摩擦副的摩擦系数分别降低了35%(钢为负极)和50%(钢为正极);氩气环境下,外加电流使摩擦系数由0.15跃变到0.6。
在去掉外加电流后,两种环境下的摩擦系数都恢复到没有电流时的值。
两种环境下,电流与摩擦系数的关系如图1.3所示。
解释:
大气环境下电流促使滑动表面氧化并生成氧化物使摩擦系数降低;而氩气环境中,外加电流使钢微粒转移到石墨上形成金属接触副从而摩擦系数增大。
(a)大气环境下;
(b)氩气环境下
图2电流对石墨-钢摩擦副摩擦系数的影响
Kimura等[6]用向列相液晶作为润滑剂,研究了在边界润滑
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