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弋表表面材料去除率，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CMR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，pw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，
MRRCc为化学作用导致的材料去除率。
但该模型并未能将MRRC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^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；
a2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；8
aW为磨粒嵌入硅片表面材料的深度；D为磨粒的平均直径，
x为抛光液中磨粒的体积浓度。
Zhao等人的模型较符合CMP勺实际情况，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35卩m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齐I」，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]发现石墨一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（卩=0.07和卩=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，研究了在边界润滑状态下受直流和低频交流电压对滑动点接触摩擦副的摩擦系数的影响。
该摩擦副由镀了SiO2膜的钢针和轴承球组成，如图4所示。
实验表明外加30v直流电压时的摩擦系数比不加电压时低25％，去掉电压后，摩
擦系数恢复到原值。
而当交流电压的频率大于10Hz时，无
以上效应。
相对摩擦系数与直流电压的关系如图5所示。
外
加电场控制液晶润滑剂的摩擦系数的过程是可逆的，是一种主动控制摩擦力的方法，这与依靠形成氧化膜或涂层等化学反应来实现控制摩擦力的手段不同。
图3滑动点接触外加电压装置示意图
图4直流电压对液晶摩擦系数的影响
沈明武等[3]用含液晶的十六烷作为点接触滚动摩擦副的润滑剂，该摩擦副由钢球与镀铬玻璃盘构成。
实验得到油膜厚度与直流电压的关系如图6所示，相同的滚动速度和赫兹接触压力下，未加电压时润滑膜厚为15nm左右，电场强度小于2.9kV/mm时，不足以使液晶分子方向改变，膜厚不变。
逐渐随着电压增大，液晶分子趋向于粘度最大的方向排列，致使粘度增大，油膜增厚。
电场强度约为17kV/mm时，油膜厚度达到最大，此后膜厚不随外电压加大而变大。
这说明了薄膜润滑的成膜性能和近固体表面润滑剂分子的有序度密切相关，有序度越高油膜越厚。
油膜厚度（nm）外电压（mv）
图5油膜厚度与直流电压的关系，载荷：
0.174GPa;速
度：
68mm/s
Morishita等[7]用液晶作为滑动轴承的润滑剂，通过改变外电场强度实现对润滑膜厚度进行主动控制。
发现：
液晶的表观粘度随电场强度的增大而增大并渐近地达到一个常数，当外加场强由一比例积分微分控制器控制时，实验结果表明当轴承遇到一个突然的载荷变化时，可控制润滑膜厚，使其保持一常数值。
这一结果有很大的实用价值。
除了将液晶作为润滑剂，Tung和Wang[8]将有机二硫代
磷酸锌（zinc
organodithiophosphate,ZDP）和矿物油的混合物作为润滑剂。
加电后由于电化学反应使得滑动表面生成了表面覆盖层，从而摩擦系数降低。
蒋洪军等[9]用质量百分比浓度为1%的硬脂酸锌水基乳
化液作为润滑剂，考察了外电压下三氧化二铝、石英玻璃等陶瓷材料与钢、黄铜、不锈钢等构成的滑动摩擦副的摩擦系数，发现外加电压使摩擦系数发生显著变化，变化幅度与所
加电压的大小、极性以及金属材料的种类有关。
摩擦系数最大相对增加量和最大相对减少量分别达到200%和40%，且摩
擦系数的改变与外加直流电压的通断是对应的。
解释：
摩擦副表面特别是金属表面吸附膜的生成与破坏过程受到外加电场的影响。
且电压方向影响润滑剂中大分子链的取向，从而影响摩擦系数，如图7所示。
原理与Lavielle[1]提出的类似。
图6不同极性的电压对铜—陶瓷摩擦副间润滑剂的影
响（a）正电压；（b）负电
压
常秋英等[12]比较了几种不同类型的盐溶液、酸性溶液、碱性溶液和一种非水导电溶液对电控摩擦效应的影响，如图8所示。
结果显示含有长链阴离子的有机盐水溶液以及无机盐水溶液中金属/陶瓷摩擦副都会产生电控摩擦现象，但在强酸性和强碱性溶液中只出现较弱的电控减摩效应。
含长链阴离子的有机盐水溶液较无机盐水溶液在摩擦系数变化幅度和可恢复性方面表现更好，其中十二烷基磺酸钠溶液是较为理想的电控摩擦用润滑液。
图8盐溶液中电场对摩擦因数的影响以及电流的变化
沈明武等错误！
未找到引用源。
用13604＋5％油酸和
13604与MT－10混合油的为点接触滚动摩擦副的润滑剂，考察了低滚动速度下润滑膜厚随外电压的变化情况。
实验表明：
外电压10V时，两种润滑剂的摩擦系数比无外电压时分别增加了35.1％和154.8％，电压的正反向对摩擦系数几乎没有影响。
解释：
由于滚动速度低，所以流体效应弱，膜厚小，润滑剂分子在外电场作用下趋于有序化排列，所以摩擦系数增加。
后者的摩擦系数成倍增长，原因是MT－10添加剂中
含金属离子，外电场作用使近固体表面更容易形成较厚的双电层，产生更高的有效粘度。
正反向电压对摩擦力的影响机理一样，即外加电场使润滑剂分子排列有序化，故电压方向不同不会引起摩擦系数改变。
沈明武等[14]以十六烷为润滑在研究外电场作用下的点接触中纳米级油膜摩擦学性能时，直接观察到了摩擦副接触区的润滑剂有从中心接触区向外迁移的现象，并出现较大气泡（如箭头所指）
9）
。
（a）0v（b）10v0s（c）10v200s
（d）25v0s（e）25v200s（f）35v
图9不同外电压作用下的静态膜厚干涉图像
何雨等[15]进一步考察了外电场使纳米级液体膜中产生微气泡的规律，并提出了微气泡现象的两种机理：
接触区边缘上的液体分子受到分别指向接触区内外的分子间作用力和电性力的作用，因此电介质液面在接触区边缘发生振动、分裂，从而产生气泡；接触区内的电介质液体在极大的场强作用下发生极化，极化电流带来的焦耳热足够大到使某些物质汽化，气泡在压力发生突降的接触区边缘涌现。
（2）电场下乳液的稳定性和界面特性研究
Mostowfi等[16]采用一套微流体电化学检测手段（图10）评价了约束在微管道中乳液薄膜的稳定性，并认为薄膜破裂时的外加电势可以作为稳定性的临界判断条件。
试验结果表明：
卵磷脂浓度的不同对薄膜的稳定性有影响，而且临界电势可以分辨出吸附卵磷脂层的细微差别；不同的表面活性剂产生不同的液体导电特性。
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