《Precision Engineering》：Constrained electrolyte selective electrochemical polishing with porous ceramic plates: Mechanism of material removal
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选择性电解抛光通过多孔陶瓷板约束电解液形成均匀液膜，结合动态行星运动机制实现铜表面微峰选择性溶解，有效抑制表面缺陷遗传。建立了液膜厚度与多孔陶瓷平均孔径的非线性关系模型，揭示了电解液约束效应对材料去除机制的影响规律。
裴康林|易军|肖碧冰|邓辉|陈冰
湖南科技大学机械工程学院，湘潭，411201，中国
摘要
为了解决传统电化学抛光（ECP）中溶解不均匀、平整效率不足以及缺陷继承等问题，本研究提出了一种采用多孔陶瓷板（PCP）的受限电解质选择性电化学抛光（CESECP）方法。该方法利用高平整度的PCP将电解质限制在均匀的液膜中，并结合动态行星运动机制来实现高效的表面平整。研究了在电解质受限条件下的表面平整能力和材料去除机制。实验结果表明，CESECP能够有效减轻表面缺陷并减少工件表面的不规则性，其改进效率受液膜厚度的影响。基于Jurin定律和毛细动力学，建立了液膜厚度与PCP平均孔径之间的非线性关系模型，揭示了液膜厚度的单峰功能行为。该模型阐明了液膜厚度对表面平整质量的影响机制，为优化关键工艺参数提供了理论基础，特别是在平衡液膜均匀性和材料去除速率方面。
引言
作为芯片信号传输的核心载体，铜互连层的整体平面化质量直接决定了设备的电气性能和可靠性[1]。在多层互连结构中，铜层表面的微地形缺陷（如“蝴蝶坑”、“蚀刻坑”和划痕）会被后续沉积的介电层继承和放大，从而导致诸如光刻图案偏移、电阻-电容延迟（RC延迟）甚至电路断开等严重问题[2]。化学机械抛光（CMP）是目前主要的表面平整技术，但其机械去除过程容易导致过度去除铜和次表面损伤。对于低k介电-铜异质结构，界面分层的风险更高[3]。因此，开发新型抛光技术对于实现超精确、无损伤的平面化表面（如晶圆和光学组件）具有重要意义[4]。
电化学抛光（ECP）通过阳极电化学溶解在原子层面去除金属材料[5]，与传统机械加工相比具有保持表面性能[6]和实现无应力[7]、无损伤处理[8]等优点。ACM Research在2000年10月将这种无应力抛光（SFP）技术视为铜互连平整技术的重要创新方向。ACM Research（上海）有限公司于2019年设计了先进的封装级无应力抛光设备，并将其交付给该公司进行IC生产的测试和验证。这些商业案例证实了ECP技术在表面平整处理方面的潜力。
然而，传统ECP中的电解质具有自由流动特性，难以限制反应区域[9]。这导致工件表面的凸起和凹陷同时与电解质接触，从而引起整体溶解。因此，无法实现选择性材料去除，也无法有效纠正由先前工艺的残留误差或初始表面不规则性（例如倾斜、波浪形）引起的宏观几何缺陷[10]。这一限制在需要极高整体平整度的精密加工场景中成为瓶颈。为了解决传统ECP技术在实现选择性材料去除方面的局限性，张C[11]提出了一种固液电解质电化学抛光（SL-ECP）方法。该方法使用形状固定、离子导电性良好的固体电解质及其表面粘附膜层，在铜工件表面进行电化学反应。这使得波浪形凸起和粗糙度凸起能够同时优先进行电化学溶解，从而降低表面粗糙度并提高形状精度。Millet等人通过将多孔亲水性离子交换树脂颗粒完全吸收电解质，提出了干电化学抛光（DECP）概念[12]，并通过使电解质颗粒与微凸起接触实现了工件表面的选择性去除。该方法已成功应用于不锈钢[13]、铜[14]、WC-Co合金[15]和钛合金[16]等零件的表面处理。尽管上述工艺限制了加工过程中电解质的自由流动，但通常以牺牲抛光效率为代价提高了抛光质量。最近，有人提出了一种利用多孔介质限制电解质的方法[17]，但其研究重点在于验证选择性氧化的可行性，未能同时解决受限条件下高效电化学平整和协同材料去除的挑战。
本研究通过提出一种多孔陶瓷约束电解质选择性电化学抛光（CESECP）方法来解决上述局限性。其核心目标不是取代ECP在复杂表面加工方面的优势，而是为平面/低曲率表面的无应力平整要求提供一种新型解决方案。通过引入高平整度规格的PCP作为电解质约束介质，利用毛细效应在铜表面形成均匀液膜，结合动态行星运动机制，实现材料的选择性溶解，即只有与液膜接触的铜表面微观凸起（Rp）发生阳极溶解，而深凹陷（Rv）未被液膜覆盖，仅形成钝化的氧化层，从而实现“切除凸起而不填充凹陷”的高效平整。通过对CESECP材料去除机制的研究，揭示了液膜限制对材料选择性溶解的增强作用。结合Abbott-Firestone曲线和三维形态分析，量化了不同液膜厚度下工件表面粗糙度参数的演变规律。进一步基于毛细动力学和Hagen-Poiseuille方程，建立了液膜厚度与PCP平均孔径之间的非线性关系模型，为工艺参数的自适应调节提供了理论框架。
实验材料与设备
实验材料为无氧铜片，制备成尺寸为10 mm × 10 mm × 4 mm的样品。样品分为四组，每组分别用不同粒度的砂纸打磨，然后进行表面清洁。清洁后，使用白光干涉仪（MarSurf WI 50，检测范围500 μm × 500 μm）测量样品的表面形貌。
机械去除效果评估
在CESECP中，抛光介质是饱和电解质的PCP，而非传统的液态电解质。这可能导致PCP与工件表面之间产生摩擦，从而造成机械材料去除。为确保实验结果的准确性，有必要检查是否发生了机械去除并对其进行量化。因此，在不通电的情况下进行了机械摩擦实验。
为了定量评估机械摩擦效应，进行了机械摩擦实验。
结论
本研究的目的是阐明受限电解质选择性电化学抛光（CESECP）的材料去除机制，并验证其在表面平整方面相对于传统电化学抛光（ECP）的优势。根据实验结果，可以得出以下结论：
1)CESECP中的材料去除主要受电化学溶解控制。其核心机制是使用多孔陶瓷板（PCP）来限制
作者贡献声明
裴康林：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，数据管理，概念化。易军：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。肖碧冰：资源准备，研究。邓辉：资源准备，项目管理，资金获取。陈冰：验证，监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：易军报告得到了湖南科技大学的财务支持、行政支持、文章发表费用、设备、药品或耗材、统计分析、旅行和写作协助。裴康林报告得到了湖南科技大学的财务支持、文章发表费用、统计分析和写作协助。
致谢
本研究得到了湖南青年科技创新人才项目（项目编号：2023RC3178）、湖南省自然科学基金（项目编号：2024JJ5150）和国家自然科学基金（项目编号：52375425）的支持。
