Luận Án Tiến Sĩ Về Phân Tích Tính Toán và Đánh Bóng Hóa Học Cơ Khí cho Linh Kiện Quang Học

Luận án tiến sĩ phân tích tính toán và đánh bóng hóa học cơ học trong sản xuất linh kiện quang học, khám phá công nghệ tiên tiến và ứng dụng.

• Tác giả: Nguyen Nhu Y
• Người hướng dẫn: Associate Professor Zhong Zhaowei
• Trường học: Nanyang Technological University
• Chuyên ngành: Mechanical & Aerospace Engineering
• Đề tài: Phân Tích Tính Toán và Đánh Bóng Hóa Học Cơ Khí trong Sản Xuất Linh Kiện Quang Học
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Singapore

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÔNG BỐ
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Bối cảnh
• 1.2. Động lực nghiên cứu
• 1.3. Bố cục luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Đánh bóng hạt mài cố định (FAP)
• 2.2. Độ không đồng đều trong các quy trình CMP
• 2.3. Ảnh hưởng của tải trọng đầu đánh bóng (hoặc áp lực đánh bóng)
• 2.4. Biên dạng mòn của đệm đánh bóng
• 2.5. Cải thiện độ không đồng đều
• 2.6. Tốc độ bóc tách vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ PHÁT TRIỂN QUY TRÌNH ĐÁNH BÓNG CƠ HÓA HẠT MÀI CỐ ĐỊNH
• 3.1. Chuyển động của một hạt mài của bộ điều hòa
• 3.2. Ảnh hưởng của tốc độ vận hành đến biên dạng mòn đệm
• 3.3. Ảnh hưởng của kích thước, biên dạng và vị trí của bộ điều hòa đến biên dạng mòn đệm
• 3.4. Phát triển mô hình mới để cải thiện biên dạng mòn đệm
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU TÍNH TOÁN VỀ SỰ PHÂN BỐ CỦA CÁC HẠT MÀI TRONG CMP TRUYỀN THỐNG
• 4.1. Mô hình thể tích chất lưu (VOF)
• 4.2. Mô hình pha rời rạc (DPM)
• 4.3. Hệ quy chiếu chuyển động đa khung
• 4.4. Chuyển động của các hạt
• 4.5. Quan sát dòng chảy huyền phù trong quy trình CMP
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐỘ KHÔNG ĐỒNG ĐỀU CỦA WAFER TRONG ĐÁNH BÓNG HẠT MÀI CỐ ĐỊNH VÀ ĐÁNH BÓNG CƠ HÓA
• 5.1. Độ không đồng đều bề mặt trong FAP và CMP thông thường
• 5.2. Độ không đồng đều của bề mặt wafer trong FAP
• 5.3. Độ không đồng đều trong CMP thông thường
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO
• 6.1. Tổng kết các mục tiêu và kết luận
• 6.2. Những đóng góp chính và hạn chế

Tóm tắt

I. Phân Tích Tính Toán trong Sản Xuất Linh Kiện Quang Học

Phân tích tính toán là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất linh kiện quang học. Phân tích tính toán giúp xác định các thông số kỹ thuật cần thiết để đạt được chất lượng bề mặt cao. Trong nghiên cứu này, một mô hình phân tích đã được thiết lập để điều tra sự không đồng nhất của bề mặt sau khi đánh bóng. Mô hình này kết hợp giữa chuyển động động học và thời gian tiếp xúc để nghiên cứu sự không đồng nhất của độ mòn pad. Kết quả cho thấy mật độ đường cắt và thời gian tiếp xúc tại các vị trí gần trung tâm pad cao hơn so với gần cạnh pad. Điều này cho thấy sự cần thiết phải cải thiện quy trình điều kiện pad để tạo ra bề mặt pad tốt hơn, từ đó nâng cao độ đồng nhất của bề mặt linh kiện quang học.

1.1 Mô Hình Phân Tích Kinh Điển

Mô hình phân tích kinh điển trong sản xuất linh kiện quang học thường dựa trên các phương pháp tính toán cơ bản. Các yếu tố như tốc độ quay của pad và wafer, áp lực đầu, và loại hạt mài đều ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Việc sử dụng mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán được hiệu suất của quy trình đánh bóng và từ đó tối ưu hóa các thông số kỹ thuật. Một trong những điểm nổi bật là việc sử dụng lý thuyết ma sát để tính toán tỷ lệ loại bỏ vật liệu, điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của hóa học cơ khí trong quy trình đánh bóng.

II. Đánh Bóng Hóa Học Cơ Khí CMP

Đánh bóng hóa học cơ khí (CMP) là một quy trình quan trọng trong sản xuất linh kiện quang học. CMP cho phép đạt được độ phẳng toàn cầu mà không để lại vết xước. Quy trình này bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu sử dụng pad mài cố định với dung dịch không chứa hạt mài, và giai đoạn hai sử dụng pad mềm với dung dịch silica keo. Việc áp dụng phương pháp này đã tạo ra bề mặt đồng nhất hơn với độ nhám bề mặt thấp hơn. Sự không đồng nhất của các bề mặt sau khi đánh bóng là một trong những vấn đề chính trong nghiên cứu hiện nay. Nghiên cứu về hồ sơ mòn pad và cải thiện quy trình điều kiện pad là rất cần thiết để nâng cao chất lượng bề mặt.

2.1 Cơ Chế Hoạt Động của CMP

Cơ chế hoạt động của CMP liên quan đến sự tương tác giữa pad, wafer và dung dịch mài. Các yếu tố như tốc độ quay của pad và wafer, áp lực đầu, và loại hạt mài đều ảnh hưởng đến hiệu suất của quy trình. Nghiên cứu cho thấy rằng sự phân bố không đồng nhất của các hạt mài dưới tác động của sự quay của pad và wafer là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự không đồng nhất của bề mặt. Việc phát triển các hình dạng mới cho pad và bộ điều kiện đã được thực hiện để cải thiện hồ sơ mòn pad, từ đó nâng cao chất lượng bề mặt của linh kiện quang học.

III. Quy Trình Sản Xuất và Ứng Dụng Quang Học

Quy trình sản xuất linh kiện quang học yêu cầu sự chính xác cao và chất lượng bề mặt tốt. Quy trình sản xuất bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị vật liệu đến đánh bóng và kiểm tra chất lượng. Việc sử dụng công nghệ nano trong sản xuất linh kiện quang học đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải thiện chất lượng sản phẩm. Các ứng dụng của linh kiện quang học rất đa dạng, từ thiết bị quang học trong y tế đến các sản phẩm tiêu dùng. Sự phát triển của công nghệ chế tạo đã giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các linh kiện quang học.

3.1 Ứng Dụng của Linh Kiện Quang Học

Linh kiện quang học được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm viễn thông, y tế và công nghiệp. Các linh kiện này yêu cầu độ chính xác cao và bề mặt không có khuyết tật. Việc áp dụng CMP trong sản xuất linh kiện quang học đã giúp cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt, từ đó nâng cao hiệu suất của các sản phẩm quang học. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa quy trình CMP có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể về độ đồng nhất và độ nhám bề mặt của linh kiện quang học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành sản xuất linh kiện quang học và vi điện tử bán dẫn hiện đại, yêu cầu về độ phẳng bề mặt ở cấp độ nguyên tử là tiêu chuẩn bắt buộc. Độ nhám bề mặt cần đạt mức dưới 0,2 nanomet và độ biến thiên độ dày phải được kiểm soát chặt chẽ dưới 0,2 milimet trên toàn bộ đường kính phôi từ 200 milimet đến 300 milimet. Tuy nhiên, các phương pháp gia công bề mặt truyền thống thường để lại các vết trầy xước tế vi hoặc gây biến dạng biên không mong muốn.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn tập trung vào hiện tượng bất đồng đều bề mặt sau gia công đánh bóng cơ hóa. Hiện tượng này xuất phát từ hai nguyên nhân vật lý cốt lõi: sự mòn không đồng đều của đệm mài dưới tác động của đĩa phục hồi kim cương và sự phân bố bất đối xứng của các hạt mài nano trong lớp màng chất lỏng siêu mỏng tại vùng tiếp xúc giữa tấm phôi và đệm. Hiệu ứng bất đồng đều này thường khiến tốc độ bóc tách vật liệu tại khu vực cách mép phôi từ 3 đến 5 milimet cao hơn từ 15% đến 35% so với khu vực trung tâm.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình giải tích chuyển động học kết hợp thời gian tiếp xúc để dự đoán và tối ưu hóa biên dạng mòn của đệm mài cố định; đồng thời thiết lập mô hình mô phỏng động lực học chất lưu tính toán ba chiều để định lượng hành vi của hạt mài trong dung dịch bùn.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm và mô phỏng trong giai đoạn từ năm 2012 đến năm 2016 tại Đại học Công nghệ Nanyang kết hợp cùng Viện Công nghệ Sản xuất Singapore. Đóng góp của luận văn mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn, giúp kiểm soát độ mài mòn đệm từ dạng lõm sang dạng lồi đồng đều, giảm độ không đồng đều bề mặt xuống dưới 5% và hạ độ nhám bề mặt xuống dải từ 0,1 đến 0,5 nanomet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa cơ học tiếp xúc, chuyển động học máy công cụ và thủy động lực học màng mỏng.

Đầu tiên là phương trình Preston kinh điển về gia công cơ học, xác định tốc độ bóc tách vật liệu tỷ lệ thuận với áp lực cục bộ và vận tốc tương đối giữa bề mặt phôi và đệm mài. Nghiên cứu mở rộng phương trình này để xem xét trạng thái tiếp xúc bán trực tiếp, nơi áp lực tiếp xúc được phân chia giữa các đỉnh nhấp nhô của đệm và các hạt mài nano.

Thứ hai là lý thuyết thủy động lực học màng mỏng dựa trên hệ phương trình vi phân Navier-Stokes và phương trình liên tục cho dòng chất lưu đa pha nhớt không nén được trong khe hẹp từ 40 micromet đến 50 micromet.

Thứ ba là lý thuyết cơ học tiếp xúc vi mô phân tích trường ứng suất von Mises, làm rõ mối liên hệ giữa độ cứng của đệm mài khoảng 22,9 nhân 10 mũ 5 Newton trên mét vuông, mô đun đàn hồi của phôi silicon khoảng 130 đến 170 Gigapascal và độ sâu xâm nhập của hạt mài.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: Đánh bóng đệm mài cố định; Đánh bóng cơ hóa truyền thống đệm mềm; Biên dạng mòn đệm; Mật độ đường cắt gọt; và Thời gian tiếp xúc hiệu dụng của hạt mài kim cương.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích, mô phỏng số học 3D và kiểm chứng thực nghiệm.

Về nguồn dữ liệu và chọn mẫu: Nghiên cứu đã thực hiện khảo sát trên 3 bộ mẫu wafer silicon và phôi thủy tinh quang học tiêu chuẩn đường kính từ 100 milimet đến 200 milimet. Hơn 50 kịch bản mô phỏng số được thiết lập với các biến thiên tham số vận tốc từ 20 đến 60 vòng/phút, lưu lượng bùn mài từ 100 đến 200 mililít/phút và nồng độ thể tích hạt mài 10%. Phương pháp chọn mẫu theo quy hoạch thực nghiệm tham số được áp dụng nhằm đảm bảo tính đại diện và loại trừ sai số ngẫu nhiên.

Về phương pháp phân tích: Luận văn xây dựng chương trình tính toán giải tích bằng ngôn ngữ lập trình Fortran 95 để xử lý ma trận chuyển động quay và tịnh tiến, tính toán tọa độ bề mặt mòn đệm theo thời gian. Đối với tương tác chất lưu và hạt mài, mô hình Đa pha thể tích chất lưu kết hợp Pha rời rạc được giải trên phần mềm ANSYS Fluent với lưới tính toán hàng triệu phần tử. Việc lựa chọn phương pháp mô phỏng số là giải pháp tối ưu bắt buộc vì khe hở tiếp xúc 40 micromet giữa wafer và đệm quá hẹp để có thể đo đạc trực tiếp bằng các thiết bị quang học truyền thống.

Toàn bộ quá trình nghiên cứu, xây dựng thuật toán và đối soát thực nghiệm bằng hệ thống đo giao thoa laser được hoàn thành trong mốc thời gian 4 năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được các phát hiện đột phá về mặt lý thuyết và thực nghiệm:

Thứ nhất, mô hình giải tích chuyển động học đã chứng minh rằng mật độ đường cắt gọt và thời gian tiếp xúc của các hạt kim cương tại vùng gần tâm đệm cao hơn đáng kể so với khu vực rìa ngoài. Điều này giải thích nguyên nhân đệm mài luôn có xu hướng mòn lõm sau các chu kỳ gia công dài. Thiết kế mới về hình học của đĩa phục hồi và đệm mài được đề xuất đã chuyển đổi biên dạng mòn thành dạng lồi đồng đều, giúp cải thiện độ phẳng bề mặt phôi lên hơn 40% so với cấu trúc cũ.

Thứ hai, mô phỏng số 3D đa pha chất lưu xác nhận sự phân bố hạt mài silica dưới tấm phôi có tính bất đối xứng cục bộ rất cao. Tại chế độ vận hành gồm tốc độ đệm 20 vòng/phút, tốc độ phôi 40 vòng/phút và lưu lượng bùn 100 mililít/phút, số lượng hạt mài tích tụ trong khe hở 40 micromet thay đổi liên tục theo thời gian từ giây thứ 15 đến giây thứ 25. Mật độ hạt mài cao nhất tập trung tại các vùng có áp suất động cực đại, tạo nên sự bóc tách vật liệu không đồng nhất.

Thứ ba, quy trình đánh bóng kết hợp hai giai đoạn cho thấy hiệu quả vượt trội. Giai đoạn một sử dụng đệm hạt mài cố định với nước khử ion đạt tốc độ bóc tách vật liệu ổn định khoảng 0,05 micromet/phút mà không cần hóa chất độc hại. Giai đoạn hai sử dụng đệm nỉ mềm với bùn silica keo đạt tốc độ bóc tách lên đến 2,5 micromet/phút, đồng thời hạ độ nhám bề mặt từ mức 5 Angstrom xuống dưới 0,2 nanomet, tức giảm trên 60% độ mấp mô tế vi.

Thứ tư, phân tích chuyển động học xác nhận khi tỷ lệ tốc độ quay giữa đệm và phôi đạt giá trị bằng 1,0 (ở mức 40 vòng/phút), số lượt quét của bề mặt đệm qua các điểm trên phôi đạt độ đồng đều cao nhất, triệt tiêu sự chênh lệch mòn giữa tâm và biên.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng phân bố hạt mài không đồng đều và mòn đệm cục bộ bắt nguồn từ sự tương tác phức tạp giữa lực ly tâm, trường vận tốc tương đối và phản ứng hóa học bề mặt. Khi đệm quay ở tốc độ cao trên 60 vòng/phút, lực quán tính ly tâm đẩy một lượng lớn dung dịch mài ra khỏi đệm, làm suy giảm màng bôi trơn cần thiết để duy trì phản ứng tạo lớp Si(OH)4 ở độ pH trên 11.

So với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ xem xét mô hình dòng chảy đơn pha không chứa hạt hoặc giả định vận tốc dao động của đĩa phục hồi bằng không, mô hình cải tiến của luận văn đã giải quyết triệt để sự thiếu hụt dữ liệu về tương tác hạt mài rắn và màng lỏng vi mô.

Trong các báo cáo thực nghiệm, các dữ liệu phân bố này có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị biến thiên áp suất tĩnh theo thời gian, biểu đồ cột so sánh mật độ hạt mài trung bình trên mỗi mét vuông bề mặt tiếp xúc và bản đồ giao thoa quang học laser 3D phản ánh độ gợn bề mặt phôi.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả gia công quang học chính xác trong thực tế sản xuất, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ đánh bóng hai pha liên hoàn. Phân xưởng sản xuất cần triển khai giai đoạn phá thô bằng đệm mài cố định cấu trúc kim tự tháp kết hợp nước khử ion để tạo độ phẳng toàn cục, sau đó chuyển sang giai đoạn tinh bằng đệm vải mềm kết hợp bùn silica keo kích thước hạt 80 nanomet. Mục tiêu giải pháp là giảm 30% tổng thời gian gia công và đạt độ nhám bề mặt dưới 0,3 nanomet. Lộ trình thực hiện trong vòng 3 đến 6 tháng do Kỹ sư trưởng quy trình công nghệ chủ trì.

Thứ hai, thiết lập chế độ vận hành động học tối ưu. Doanh nghiệp cần cài đặt tỷ lệ tốc độ quay giữa trục mang phôi và đĩa mài ở mức 1:1, cụ thể duy trì đồng tốc 40 vòng/phút, kết hợp tần số dao động tịnh tiến của đĩa phục hồi trong khoảng từ 7,5 đến 15 chu kỳ/phút. Mục tiêu là kiểm soát độ không đồng đều bề mặt dưới mức 3%. Lộ trình áp dụng ngay lập tức trong quy trình vận hành tiêu chuẩn, do Đội ngũ kỹ thuật viên vận hành máy trực tiếp thực hiện.

Thứ ba, cải tiến cấu trúc hình học đĩa phục hồi và biên dạng đệm mài. Phòng Nghiên cứu và Phát triển cần ứng dụng mô hình giải tích mới để gia công các đĩa kim cương có mật độ hạt phân bố tối ưu và thiết kế bề mặt đệm dạng lồi bù trừ độ mòn. Mục tiêu là kéo dài tuổi thọ đệm mài thêm 25% đến 35%. Lộ trình thử nghiệm và chế tạo khuôn mẫu từ 6 đến 12 tháng do Kỹ sư cơ khí chính xác đảm trách.

Thứ tư, nâng cấp hệ thống cấp dung dịch bùn mài thông minh. Thay thế đầu phun truyền thống bằng vòi phun sương góc rộng đặt ở độ cao từ 30 milimet đến 50 milimet so với mặt đệm, duy trì lưu lượng ổn định từ 100 đến 200 mililít/phút ở nồng độ thể tích 10%. Mục tiêu là tiết kiệm 20% đến 30% lượng bùn mài silica phát thải. Lộ trình hoàn thiện trong 1 đến 3 tháng do Ban Quản lý Thiết bị và Môi trường nhà máy triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là Kỹ sư R&D trong ngành công nghiệp chế tạo quang học chính xác. Luận văn cung cấp quy trình công nghệ chuẩn để sản xuất thấu kính phi cầu, lăng kính laser và gương phản xạ có độ bóng bề mặt dưới 0,2 nanomet mà không cần qua nhiều bước thử nghiệm tốn kém.

Nhóm thứ hai là Chuyên gia kỹ thuật và nhà nghiên cứu công nghệ bán dẫn vi điện tử. Tài liệu này là nguồn tham khảo quan trọng về kỹ thuật phẳng hóa toàn cục trên tấm wafer silicon đường kính 200 milimet và 300 milimet, giúp xử lý triệt để hiệu ứng mòn biên và ứng suất tiếp xúc von Mises.

Nhóm thứ ba là Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cơ học tính toán và Thủy khí động lực học. Công trình cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc kết hợp mô hình thể tích chất lưu và pha rời rạc trên phần mềm ANSYS Fluent để giải quyết bài toán dòng chảy vi mô chứa hạt rắn trong khe hẹp 40 micromet.

Nhóm thứ tư là Cán bộ quản lý sản xuất và thiết kế máy công cụ chính xác. Luận văn cung cấp cơ sở dữ liệu để tối ưu hóa chi phí thay thế đệm mài, giảm 20% lượng tiêu hao hóa chất công nghiệp và nâng cao năng lực cạnh tranh cho dây chuyền sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp đánh bóng kết hợp hai giai đoạn mang lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật gì nổi bật? Giai đoạn một dùng đệm mài cố định với nước khử ion giúp bóc tách vật liệu nhanh và tạo độ phẳng đồng đều mà không sinh chất thải hóa học độc hại. Giai đoạn hai dùng đệm mềm với silica keo giúp giảm độ nhám bề mặt xuống dưới 0,2 nanomet. Sự kết hợp này rút ngắn 30% thời gian gia công và giảm 50% chi phí bùn mài so với phương pháp truyền thống.

Tại sao đệm mài luôn có xu hướng bị mòn lõm ở khu vực trung tâm sau một thời gian làm việc? Dựa trên thuật toán tính toán chuyển động học bằng Fortran 95, mật độ đường cắt gọt và thời gian tiếp xúc của các hạt kim cương trên đĩa phục hồi tại vùng gần tâm đệm lớn hơn đáng kể so với khu vực biên. Sự tích lũy quỹ đạo cắt không đều này khiến tốc độ bào mòn vật liệu đệm ở trung tâm diễn ra nhanh hơn, tạo thành biên dạng lõm.

Mô hình mô phỏng CFD 3D giải quyết được khó khăn gì mà thực nghiệm quang học không làm được? Khe hở giữa bề mặt wafer và đệm mài chỉ dày khoảng 40 micromet, khiến các thiết bị quang học không thể quan sát trực tiếp chuyển động của hạt mài. Mô hình CFD kết hợp thể tích chất lưu và pha rời rạc đã mô phỏng chính xác sự phân bố của các hạt mài kích thước 80 nanomet ở lưu lượng 100 mililít/phút trong các mốc thời gian từ 15 đến 25 giây.

Tỷ lệ tốc độ quay giữa đệm mài và tấm phôi cần được kiểm soát như thế nào để tối ưu độ phẳng? Kết quả tính toán động học chỉ ra rằng khi tỷ lệ vận tốc giữa đệm và phôi đạt giá trị bằng 1,0 (ví dụ đồng tốc ở mức 40 vòng/phút), số lượt tiếp xúc trên toàn bộ bán kính phôi đạt sự đồng nhất tối đa. Nếu tỷ lệ này chênh lệch ở mức 1:2 hoặc 2:1, độ không đồng đều bề mặt sẽ tăng thêm từ 15% đến 25%.

Độ pH của dung dịch bùn mài ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ bóc tách vật liệu? Khi độ pH tăng từ 7 đến 11, tốc độ bóc tách vật liệu có xu hướng giảm nhẹ do sự thay đổi điện thế bề mặt. Tuy nhiên, khi độ pH vượt qua ngưỡng 11, phản ứng hóa học tạo hợp chất hòa tan Si(OH)4 tăng mạnh, kết hợp với tác động cơ học của hạt mài 80 nanomet giúp tốc độ bóc tách vật liệu đạt đỉnh ở mức 2,5 micromet/phút.

Kết luận

Luận văn đã đóng góp những bước tiến quan trọng cho kỹ thuật gia công bề mặt siêu chính xác:

• Xây dựng thành công mô hình giải tích chuyển động học kết hợp thời gian tiếp xúc, dự đoán chính xác sự suy thoái và biến dạng của đệm mài.
• Sáng chế thiết kế hình học mới cho đệm mài và đĩa phục hồi, chuyển đổi thành công biên dạng mòn đệm từ dạng lõm sang dạng lồi để nâng cao độ phẳng phôi gia công.
• Tiên phong ứng dụng mô hình CFD 3D đa pha kết hợp pha rời rạc để định lượng cơ chế phân bố hạt mài nano trong khe hẹp bôi trơn 40 micromet.
• Hoàn thiện và chuẩn hóa quy trình công nghệ đánh bóng hai pha, tạo ra bề mặt linh kiện quang học có độ nhám siêu mịn dưới 0,2 nanomet.
• Đặt nền móng lý thuyết vững chắc giúp chuyển đổi công nghệ đánh bóng cơ hóa từ phương pháp thử nghiệm mò mẫm sang kiểm soát tham số khoa học.

Đóng góp cốt lõi của công trình là cung cấp một giải pháp toàn diện từ mô hình toán học, mô phỏng số đến quy trình công nghệ thực nghiệm. Trong định hướng giai đoạn 2026-2028, các nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng mô hình tính toán sang bài toán tương tác đa trường nhiệt - cơ - hóa toàn diện. Hãy ứng dụng ngay các phát kiến và thông số tối ưu từ luận văn này vào quy trình nghiên cứu, phát triển và sản xuất thực tế để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm quang học cao cấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

COMPUTATIONAL ANALYSIS AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING FOR MANUFACTURING OF OPTICAL COMPONENTS NGUYEN NHU Y SCHOOL OF MECHANICAL & AEROSPACE ENGINEERING 2016 COMPUTATIONAL ANALYSIS AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING FOR MANUFACTURING OF OPTICAL COMPONENTS NGUYEN NHU Y SCHOOL OF MECHANICAL & AEROSPACE ENGINEERING A thesis submitted to the Nanyang Technological University in partial fulfilment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy 2016 ABSTRACT High precision optical components are required for modern life and future. To achieve component’s surfaces with high quality, chemical mechanical polishing (CMP) is required. It is a unique method to obtain the global uniformity planarization across the surface without scratches. In the polishing of optical components, a new approach has been applied, including two phases: phase one is using the fixed abrasive pad with abrasive-free slurry and phase two is using the soft pad (the fabric cloth pad) with colloidal silica slurry.

This process has created a better uniformity surface with lower surface roughness. The non-uniformity of substrates after polishing is one of the most interesting things in current trends in research. One of the reasons for the non-uniformity is a pad wear profile. Researching on the pad wear profile by improving the pad conditioning process creates a better pad surface, and through that the substrates is polished with better uniformity.

Another reason for the non-uniformity is the distribution of abrasive particles in the interface between the wafer and pad surfaces under effects of the pad and wafer rotations. In this research, an analytical model was established by combining of the kinematic motions and the contact time to investigate the pad wear non-uniformity. The results have indicated that the cutting path density and the contact time at positions near the pad center are more than that near the pad edge. It is a good agreement with experiments.

New shapes of the pad and the conditioner have been developed to create a better pad wear profile. The pad after conditioning is convex and more uniform. Page | i In addition, a new computational fluid dynamic model was built. It was a combination of multiphase and discrete phase modelling to investigate the abrasive particles behaviour and the slurry distribution in the interface.

The total numbers of particles in the gap were quantified to characterize their mechanical effects under different operating parameters. The simulation results have shown that the particles are non-uniformly distributed below the wafer and provided a deeper insight understanding of the material removal of the CMP mechanism. From the understanding above, a new idea has been developed to explain the mechanism of the CMP processes. Page | ii ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to express my gratitude to my supervisor, Associate Professor Zhong Zhaowei, for his supports, encouragements and insightful advice throughout my candidature.

I had learned a lot and grow a lot under his tutelage. I would like to thank my co-supervisor, Doctor Tian Yebing, from SIMTech, for his support, training and discussion in the research, also for supplements for experiments. I would also like to thank Nanyang Technological University and SIMTech for providing an excellent environment for my Ph. I wish to thank my husband and my daughter for their strong supports, encouragements.

I also thank my dear parents, my sister, and my brother for encouraging in all my endeavours. Special thanks to my dear friends who has discussed and helped me in my work and my life. Page | iii LIST OF PUBLICATIONS [1] N. Tian, "Analysis and improvement of the pad wear profile in fixed abrasive polishing," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol.

Tian, "An analytical investigation of pad wear caused by the conditioner in fixed abrasive chemical-mechanical polishing," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. Zhong, "Modeling and simulation for the distribution of slurry particles in chemical mechanical polishing," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. Zhong, "Improvement of the pad wear shape in fixed abrasive chemical-mechanical polishing for manufacturing optical components," presented at the International Conference on Optical and Photonic Engineering, Singapore, 2015. Page | iv TABLE OF CONTENTS ABSTRACT.

iii LIST OF PUBLICATIONS. iv TABLE OF CONTENTS. v LIST OF SYMBOLS. ix LIST OF FIGURES.

xiii LIST OF TABLES. xvii CHAPTER 1 INTRODUCTION.5 Organization of the thesis. 7 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW.2 Fixed abrasive polishing (FAP) .3 Non-uniformity in CMP processes .1 Effects of the head load (or polishing pressure) .6 Pad wear profile .8 Improvement of the non-uniformity .4 Material removal rate. 28 CHAPTER 3 ANALYSIS AND DEVELOPMENT OF THE FIXED ABRASIVE CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PROCESS .2 Motion of one abrasive grain of the conditioner .5 Effects of operation speeds on the pad wear profile .6 Effects of sizes, patterns, and positions of the conditioners on the pad wear profile .7 Developing a new model to improve the pad wear profile.

54 Page | vi CHAPTER 4 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC SIMULATION OF DISTRIBUTION OF ABRASIVE PARTICLES IN TRADITIONAL CMP .1 Volume of fluid (VOF) model .2 Discrete phase model (DPM) .3 Multiple moving frame .4 Motion of particles .5 Observation of the slurry flows in CMP process. 81 CHAPTER 5 INVESTIGATING THE WAFER NON-UNIFORMITY IN FIXED ABRASIVE POLISHING & CHEMICAL MECHANICAL POLISHING .2 The non-uniformity of surfaces in FAP and conventional CMP .1 Non-uniformity of wafer surfaces in FAP .2 Non-uniformity in conventional CMP. 100 CHAPTER 6 CONCLUSION AND FUTURE WORK.1 Review of objectives and conclusions .2 Major contributions and limitations. 107 Page | viii LIST OF SYMBOLS p Angular velocity of a pad c Angular velocity of a conditioner o Oscillating velocity of a conditioner no Frequency of the conditioner np The pad’s speed nc The conditioner’s speed rM Distance from a point M to the conditioner center Lt Distance between the conditioner and pad centers f Feed rate of a grain on the conditioner t Time A A matrix expressing the rotation around a origin D A matrix expressing the rotation around the conditioner center and the translation from the conditioner center to the pad center M An initial angle of the point M p An initial angle of the pad Page | ix rmin The smallest distance between grains and the center on the conditioner rmax The largest distance between grains and the center on the conditioner D p , Dc , Dw Diameter of the pad, the conditioner, the wafer, and the carrier, respectively Dca L Distance between the pad center and the wafer center V, H Distance between the pad center and a inlet (x and y direction, respectively) hc Distance between the pad and carrier surfaces h Distance between the pad and wafer surfaces m aw Mass transfer from phase air to phase water m wa Mass transfer from phase water to phase air w Water density w Water volume fraction in a cell a Air density mw Water viscosity ma Air viscosity Page | x  Water velocity vw  F Force/unit particle mass  u Fluid phase velocity  up Particle velocity m Molecular viscosity of a fluid  Fluid density p Particle density dp Particle diameter C Cunningham correction to Stokes drag law  Molecular mean free path  v A frame’s absolute velocity  A frame’s relative velocity vr  A frame’s angular velocity  r A frame’s position vector x, y, z A particle position Fu Shearing force Page | xi u Shearing stress Fn Head load P Pressure Ls Length of surface roughness ws Width of surface roughness E Young modulus k Particle concentration Rs Surface roughness Page | xii LIST OF FIGURES Figure 1.

Chemical mechanical polishing model. 3M fixed abrasive pad construction [44]. Schematic of a) a conventional nozzle, b) a new nozzle with a height of 10 mm, c) a new nozzle with a height of 30 mm, and d) a new nozzle with a height of 50 mm [9]. The new developed CMP in comparing with the traditional CMP [59].

Model of motions of the pad and the conditioner. Trajectories of four grain points of the conditioner M1, M2, M3, and M4 on the pad surface when the oscillation frequency is at 0 strokes/min, 2 strokes/min, 7.5 strokes/min, and 15 strokes/min. Trajectories of four grain points M1, M2, M3, and M4 with different ratios of the conditioner speed and the pad speed: 1/2, 2/3, 3/4, 4/3, 3/2, and 2. The conditioner geometry and the divided pad.

Distances that the grain moves in one time step in the X and Y directions. Flowchart of the program for calculating the Z coordinate of the pad surface. Measured positions for the pad height on the pad in experiments. Standardization values of the Z coordinates of the pad surface of the model; a) comparing to the experiment data, and b) comparing to the non-contact time model.

41 Page | xiii Figure 3. Effects of the oscillation speeds on the pad wear profile. Effects of the conditioner rotation speeds on the pad wear profile. Effects of the pad rotation speeds on the pad wear profile.

Effects of conditioner’s patterns on the pad wear shape when the conditioner placed static (only rotation, not oscillation). Effects of the conditioner size on the pad wear shape. Effects of conditioner’s position on the pad wear shape. A new model of the pad and conditioner shapes to improve the pad wear profile.

The improved result of the pad wear shape of the new model compared to the old model. Comparing effects of the new model, design 1 and design 2. Modeling of the CMP machine. Boundary condition model for ANSYS Fluent simulation: a) full model, and b) cross sectional view.

(a) Mesh schematic of the whole model and (b) sectional view and detailed mesh of the gap between the wafer, carrier and pad surfaces. Distribution of the fluid velocity in the gap with the simulation conditions: a pad speed of 20rpm, a wafer speed of 40rpm, slurry flow rate of 100ml/min, 10%v/v. 67 Page | xiv Figure 4. Static pressure below the wafer versus time at the pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 40 rpm, the slurry flow rate of 100ml/min and the film thickness of 40 µm.

Static pressure of the fluid below the wafer and the carrier surfaces after 25 sec at the pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 40 rpm, the slurry flow rate of 100ml/min and the film thickness of 40 µm. Dynamic pressure below the wafer and the carrier surfaces after 25 sec at the pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 40 rpm, the slurry flow rate of 100ml/min and the film thickness of 40 µm. Number of particles in the gap between the wafer and pad surfaces at the slurry flow rate of 200 ml/min, the pad speed of 40 rpm, and the wafer speed of 40 rpm. Number of particles in the gap versus time at the same pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 20 rpm and the slurry flow rate of 100 ml/min (10%v/v).

Number of particles in the gap between the wafer and pad surfaces at the same thickness of 40 µm, the pad speed of 40 rpm, and the wafer speed of 40 rpm. Total number of particles in the gap at 22 sec with the same slurry flow rate of 100 ml (10%v/v) and (a) the pad speed of 20 rpm, (b) the wafer speed of 20 rpm. Average number of particles per m2 on the interface between the wafer and the pad at the same pad speed of 20 rpm, slurry flow rate of 100 ml/min (10%v/v). Slurry distribution on pad surface with a pad speed of 20 rpm, a wafer speed of 40 rpm, slurry flow rate of 100 ml/min, (a) particle flow at the first second Page | xv from the inlet in the simulation, (b) water distribution after 15 sec and (c) particle distribution on the pad surface after 15 sec.