本发明涉及一种光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整平和抛光技术� � 尤 其是对金属、半导体和绝缘体表面进行纳米平 整精度的大面积及批量化约 束化学刻蚀整平和抛光加工方法及其装置。 背景技术

半导体超大规模集成电路（ULSI)制造技术已经� ��展到了 120 nm特 征线宽和 300 mm直径晶片时代， 并且特征线宽为 100 nm的技术也正在 走向市场，现今单个芯片上的晶体管数目已经 突破 1亿个，据美国半导体 工业协会的微电子技术发展蓝图， 特征线宽到 2011年将减小到 50 nm, 届时将开始使用 450 mm晶片， 金属层数由 5〜6层向更多层数的目标迈 进。目前，国际半导体行业已达共识：当器件 特征尺寸在 350 nm 以下时， 必须进行全局平整化， 以保证光刻影像传递的精确度和分辨率，整平 和抛 光将成为 ULSI制备中的核心技术， 对 ULSI制造技术的发展起着极大的 制约作用。

ULSI制备首要的条件是基体材料硅晶片的表面� �须经整平和抛光后 方可使用。 随着器件的特征尺寸进入纳米水平， 对硅片的表面质量， 特别 是表面平整程度和机械损伤等提出了更高的要 求， 光刻工艺中对解析度和 焦点深度（即景深） 的限制越来越高。 因此， 大尺寸晶片表面必须具有纳 米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度， 同时， 还要保证表面和亚表面无损 伤。 其次， 在构建多层布线立体结构的过程中必须保证每 层都达到全局平 整化。 当 ULSI制造进一步向特征线宽微小化、结构立体� �、布线多层化方 向发展时， RC延迟对器件性能的影响也就越来越大，要达� ��高频金属互连 结构， 就要求结构多层立体化， 以降低 RC延迟； 在构建每一层时， 如其表 面粗糙度过高， 会造成噪声增加、 电特性一致性差， 影响器件频率特性， 从而影响集成度、 可靠性和优品率， 因此， 要求每一层都应具有很高的全 局平整度， 即要求对多层布线互连结构中过量沉积的铜镶 嵌金属线以及凹 凸不平的 Si0 ₂ 、 SiOF等低 K电介质 （绝缘体） 进行全局平整化， 这是实现 大规模集成电路立体化结构的关键。 另外， 当器件特征尺寸再进一步减小 时， 金属铜向 810 ₂ 绝缘层扩散而产生的不利影响将渐趋严重 ， 采用扩散阻 挡层或多孔超低 Κ值介电材料 （绝缘体） 是解决此问题的发展方向， 金属 Ta或 TaN因其与铜有极佳的附着性和优异的热稳定性 被认为是理想的金属 阻挡层材料， 但由于沉积该层金属是一个非选择性的沉积过 程， Si0 ₂ 将被 完全覆盖， 因此还必须将线槽之外的 Ta或 TaN去除。 而 Ta是一种硬金属， 氧化后硬度很大， 如何整平 Ta或 TaN将成为未来 ULSI制造中全局平面化的 关键技术之一。 另一方面， 整平脆性极高的多孔超低 K值材料 （绝缘体） 也将是一个极具难度的挑战。 因此， 发展一种可对金属、 半导体以及绝缘 体表面进行纳米平整精度的多功能整平和抛光 技术是 ULSI制造工业的共 性和关键问题， 也是世界各工业大国倾力关注的重点技术之一 。

化学机械抛光（CMP)技术是目前最好的、 也是唯一可用的在亚微米 尺度实现全局平整化的工艺技术。其工作机理 为通过强机械研磨和化学溶 解相结合实现整平和抛光， 即： 在化学机械抛光时， 抛光液中的氧化剂和 催化剂等与工件表面的原子进行氧化反应， 在工件表面生成一层氧化物薄 膜， 然后再由悬浮在抛光液中的磨料微粒通过机械 摩擦作用将氧化物薄膜 除去， 使工件表面重新裸露， 再进行氧化反应， 这样通过化学和机械的交 替作用完成对工件表面的抛光。但是由于机械 研磨以及外部压力的不均匀 性，抛光后的表面粗糙度较高，因此直接影响 到后续工艺的加工和成品率。 由于目前大都采用 A1 ₂ 0 ₃ 磨料， 该类磨料硬度高， 分散度大， 粘度大， 因 此易引起表面划伤， 且损伤层深。 此外， 还存在诸如金属离子污染、 分散 性差、 碱性环境下材料去除率低等问题。 同时， 整平抛光的终点检测和控 制也是 CMP技术应用中最易造成整个加工工艺失畋的难 点问题之一，过度 抛光或抛光不足均会造成后续工艺无法进行； 更为重要的是未来 ULSI制造 的发展对表面的要求已达纳米级面型精度和亚 纳米级表面粗糙度， 这已接 近或超过 CMP技术表面加工的极限 (20 mm χ 20 mm, 平整度差< 20 nm)。

CMP技术近年来采用电化学作为辅助手段，通 过电化学阳极溶解方法改善 导电的金属铜或其他半导体材料的表面整平和 抛光的效果， 但是， 上述 CMP技术固有的缺点仍未消除。 另一方面，现代精密光学元器件加工目前有两 种发展趋势：微光学元 件（M0C)和大口径超精细光学元件。 MOC指形面精度可达亚微米级， 表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结 构光学元件，典型的微光学 元件包括全息透镜、衍射光学元件和梯度折射 率透镜等。随着系统小型化 成为一种必然趋势，无论在现代国防科学技术 领域，还是在普通的工业领 域 MOC都有着极广泛的应用前景。大口径超精细光 学元件也有着极为重 要的应用，如：太空望远镜的镜头及反射镜面 ，激光核聚变装置中的高精 度大口径的光学玻璃元件等，在高频段对其表 面粗糙度的要求小于 1 nm。 精密光学元器件的抛光加工目前也依赖于 CMP技术。 因此， 从原理开始 创新， 发展一种既可规避现有 CMP技术的缺陷和局限， 又可加工纳米级 面型精度和亚纳米级表面粗糙度的整平和抛光 新技术已势在必行。

本申请人在中国专利 ZL03101271.X中公开一种金属表面复杂三维微 结构的加工方法及其装置，步骤为将带有微结 构的加工刀具固定于固定架 上； 工作溶液注入容器； 加工刀具进入溶液； 启动电化学系统， 在加工刀 具表面产生刻蚀剂； 利用清除剂将刻蚀剂层约束到纳米级或微米级 厚度； 启动驱动装置，对工件刻蚀， 使工件表面去除而脱离刻蚀剂层， 至刻蚀完 毕。加工装置设加工刀具、 固定架、 驱动装置、 计算机、 电化学系统。 可 进行各种复杂三维微结构的批量复制加工； 一步完成批量微结构的刻蚀， 省去光刻中的涂胶、 曝光、 显影和去胶， 降低成本， 提高了加工精度和表 面平整度；加工过程具有距离敏感性，可通过 精确控制模板的进给距离精 确控制加工量。 发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米面型精度和纳 米粗糙度的光 /电化学 诱导的约束化学刻蚀整平和抛光加工方法，所 述方法包括：在具有纳米平 整精度的刀具表面上，通过电化学、光化学或 光电化学的方法生成刻蚀剂； 刻蚀剂和工作溶液中的清除剂发生化学反应或 刻蚀剂自身发生衰变，以使 得在刀具表面生成纳米级厚度的刻蚀剂液层； 以及通过刻蚀剂液层中的刻 蚀剂与工件之间的化学反应，使工件表面达到 纳米量级的面型精度和粗糙 度， 从而实现对工件的纳米精度的整平和抛光。 本发明的另一目的在于提供一种用于实现纳米 面型精度和纳米粗糙 度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整平和抛光加工� �法的装置。 所述用 于实现纳米面型精度和纳米粗糙度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整平 和抛光加工方法的装置设置有刀具、 光 /电化学反应控制体系、 光路控制 系统、 工作溶液循环装置、 工作溶液恒温装置和自动化控制系统；

所述刀具为具有纳米平整精度的刀具；

所述光 /电化学反应控制系统设有恒电位仪、 光路控制装置、 光 /电化 学工作电极、 辅助电极、参比电极、 容器和工作溶液， 其中所述刀具作为 光 /电化学工作电极与恒电位仪或 /和光路控制装置连接，光 /电化学工作电 极、辅助电极和参比电极均插入在容纳有工作 溶液的容器中，而且所述容 器还用于容纳工件；

所述工作溶液循环装置用于使所述电化学反应 控制体系中的工作溶 液循环；

所述工作溶液恒温装置用于使所述电化学反应 控制体系中的工作溶 液保持恒温；

所述自动化控制系统设有固定架、 多维 (gp， 三维以上：)微驱动装置、 可视化监控器、压力传感器、平行激光束测距 装置、 电流反馈装置和信息 处理计算机，所述固定架的下部用于固定刀具 ，固定架上部用于连接自动 化控制系统的多维微驱动装置的垂直轴微驱动 控制器，垂直轴微驱动控制 器连接信息处理计算机;所述多维微驱动装置� �水平轴微驱动控制器上设 置有所述容器，可视化监控器用于监测刀具向 工件逼近过程， 电流反馈装 置用于监测刀具表面电流， 压力传感器用于监测刀具和工件之间是否接 触，平行激光束测距装置用于监测刀具表面与 工件表面之间的间距，信息 处理计算机根据电流反馈装置提供的电流值、 压力传感器提供的压力值和 平行激光束测距装置提供的两平面间之间的距 离值等反馈参数，驱动多维 微驱动装置的垂直轴微驱动控制器和水平轴微 驱动控制器，调节刀具表面 与工件表面之间的距离和平行度；

其中所述溶液含有刻蚀整平剂前驱体，所述刻 蚀整平剂前驱体能够通 过光 /电化学反应在所述刀具表面产生刻蚀整平剂� � 在所产生的刻蚀剂不 能发生自身衰变的情况下，所述溶液还需包含 清除剂，所述清除剂能够将 在刀具表面上的刻蚀整平剂液层约束至纳米量 级厚度。

由本发明的整平和抛光方法及装置所产生的工 件的表面能够达到纳 米量级的面型精度和粗糙度 （纳米精度）。 而且本发明相比于化学机械抛 光 （CMP) 技术具有工件表面和亚表面无机械损伤、 无残余应力以及整 平和抛光的终点容易控制的优点。 附图说明

图 1为本发明的用于实现纳米精度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀 整平和抛光加工方法的装置的一个实例的组成 示意图。

图 2为本发明的用于实现纳米精度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀 整平和抛光加工方法的装置的另一个实例的组 成示意图。

图 3为本发明的实现纳米精度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整平 和抛光加工的工艺过程示意图。

图 4为本发明采用纳米平整精度的平面刀具，即� �具在二维平面方向 上均具有较大的尺度时，采用刀具向工件逐步 逼近的方法对工件进行化学 刻蚀整平和抛光示意图。在这种加工方式中， 通过在平面旋转运动的同时， 使刀具或者工件进行平面摆动来进一步提高工 件表面的面型精度、降低工 件表面的粗糙度。

图 5为本发明采用纳米平整精度的线形刀具，即� �具在一维方向上具 有较大的尺度时， 釆用在 X-Y二维平面方向上相对移动（平动或者旋转） 刀具或工件的方式进行大面积批量化刻蚀整平 和抛光示意图。

图 6为本发明采用纳米平整精度的线形刀具，即� �具在一维方向上具 有较大的尺度时，采用刀具向处于旋转运动状 态的工件逐步逼近的方式进 行柱面整平和抛光的示意图。

图 7为本发明采用纳米平整精度的铣刀状刀具时,� ��过程序化的多维 度运动方式进行非曲面整平与抛光的示意图。

图 8为本发明实施例 1的在铜表面上进行整平和抛光后的铜表面显� � 图像。 在图 8中， （a)为抛光前， （b)为抛光后。

图 9为本发明实施例 2的在硅表面上进行整平和抛光的硅表面显微� � 像。 在图 9中， （a)为抛光前， （b)为抛光后。 图 10为本发明实施例 3的在砷化镓表面上进行整平和抛光的砷化镓 表面显微图像。 在图 10中， （a)为抛光前， （b)为抛光后。

图 11为本发明实施例 4的在二氧化硅玻璃表面上进行整平和抛光的 二氧化硅玻璃表面显微图像。 在图 11中， （a)为抛光前， （b)为抛光后。 具体实施方式

定义

在本文中出现的术语 "光 /电化学"应当理解为包括光化学、 电化学 和光电化学。

在本文中出现的术语 "刻蚀剂"或 "刻蚀整平剂"均指能够与工件 表面发生反应从而起到刻蚀工件表面的物质， 或者是能够提高溶液中刻蚀 整平剂化学刻蚀速度的催化剂。 术语 "刻蚀剂前驱体"是指能够在光 /电 化学反应的诱导下产生刻蚀剂的物质。

在本文中出现的术语 "约束刻蚀剂层"表示由刻蚀剂前驱体在光 /电 化学诱导而生成的具有纳米量级厚度的刻蚀整 平剂液层，通常地，所述刻 蚀整平剂液层的厚度可以被控制在 100 nm及以下， 并且在更精密整平与 抛光工艺中可控制达到 20nm以下。 其中术语 "约束 "是指在工件的整平 和抛光过程中， 刻蚀整平剂液层的厚度总是被保持在纳米级厚 度。

在本文中出现的术语 "清除剂"是指能够与在刀具表面上产生的刻 蚀剂迅速反应， 从而将刻蚀整平剂液层的厚度约束至纳米量级 厚度的物 质。

在本文中出现的术语 "约束刻蚀体系"、 "工作溶液"均是指包含刻 蚀剂前驱体和清除剂以及根据刻蚀对象而定的 表面活性剂、 支持电解质、 pH缓冲剂等的体系， 或指包含刻蚀剂前驱体以及根据刻蚀对象而定 的表 面活性剂、 支持电解质、 pH缓冲剂等的体系。 而术语 "约束刻蚀体系的 物料平衡"是指维持约束刻蚀体系中所包含各� �分的组成比保持在合理的 范围之内。

本发明的第一方面是提供一种纳米精度的光 /电化学诱导的约束化学 整平和抛光加工方法，其特征在于采用约束刻 蚀剂层方法， 即，在表面为 纳米平整精度的刀具表面生成具有纳米量级厚 度的刻蚀整平剂层，通过刻 蚀剂与工件之间的化学反应，使工件表面达到 纳米量级的面型精度和粗糙 度 （纳米精度）， 从而实现对工件和整平抛光。 其基本原理为：

1 ) 通过电化学、 光化学或者光电化学的方法， 即根据体系的化学反 应特性， 选取合适的电位或 /和光波波长以及强度等， 使刻蚀剂前驱体在 刀具表面发生反应产生刻蚀剂，刻蚀剂既可以 是常规化学物种，也可以是 自由基， 其在刀具表面发生的化学反应可以表示如下， 其中 R表示刻蚀 剂前驱体， 0表示所产生的刻蚀剂：

R― O + ne 或 R + hv― 0 (+ ne) ( 1 )

2) 工作溶液中含有清除剂， 和刀具表面液层内的刻蚀剂发生化学反 应，使刻蚀剂层的厚度被约束到纳米尺度；若 生成自由基刻蚀剂的情况下， 则自由基刻蚀剂既可以通过清除剂也可以通过 其自身的衰减实现约束的 效果， 其中 S表示清除剂， 而 Y表示刻蚀剂 0与清除剂反应或者自身衰 减的产物：

O + S — R + Y 或 0 → Y (2) 约束刻蚀剂层的厚度取决于（1 )和（2)反应速率的大小以及刻蚀剂 前驱体和清除剂的浓度比。理论计算表明， 当清除剂的浓度远远大于刻蚀 剂前驱体的浓度时， 约束刻蚀剂层的极限厚度 （μ)可以通过下式计算： μ = (k ₂ / D _R ) ^1/2 (3) 其中， k ₂ 为清除反应（2) 的准一级反应速率常数， D _R 为刻蚀剂前驱 体在工作溶液中的扩散系数。在实际的刻蚀过 程中，可以通过调节刻蚀剂 前驱体和清除剂的浓度比来调控约束刻蚀剂层 的厚度，亦即调控整平与抛 光的精度。尽管约束刻蚀剂层达到纳米量级的 厚度，但在约束刻蚀剂层内 部， 刻蚀剂保持稳定的浓度分布。

3 ) 通过自动控制系统， 使约束刻蚀剂层接触工件表面， 则开始对工 件进行整平和抛光， 其中 M表示工件的材质， P表示工件与刻蚀剂的反 应产物：

0 + M→ R + P (3 ) 工件表面的去除率取决于反应 （3 ) 的速率， 速率越快， 则加工效率 越高。一旦工件表面与刻蚀剂层接触部分已经 去除，刻蚀剂层与工件分离， 刻蚀终止。然后通过自动控制系统， 继续使刻蚀剂层逼近工件，直到完成 纳米精度的整平与抛光。

具体地， 本发明所述纳米面型精度和纳米粗糙度的光 /电化学诱导约 束化学刻蚀整平和抛光加工方法包括以下步骤 -

1 )制备表面具有纳米平整精度的刀具， 作为光 /电化学工作电极以通 过电化学、 光化学或者光电化学的方法生成刻蚀剂；

2)将表面为纳米平整精度的刀具固定于固定架� ��， 将工件置于容器 底部， 或者将工件固定于固定架 (或工作台)上， 将表面为纳米平整精度的 刀具置于容器底部；

3)将含有刻蚀整平剂前驱体和 /或清除剂、溶剂以及选自表面活性剂、 支持电解质、 pH缓冲剂等成份中的至少一种的工作溶液注入� ��器中；

4)将刀具（或工件）浸入工作溶液， 以刀具作为光 /电化学工作电极， 另在容器中设辅助电极和参比电极， 启动光 /电化学控制系统， 在刀具表 面通过电化学、光化学或者光电化学反应生成 刻蚀剂， 由于刻蚀剂和溶液 中的清除剂发生化学反应或者在自由基刻蚀剂 的情况下，由于自由基刻蚀 剂自身的衰变， 在刀具表面形成纳米级厚度的约束刻蚀剂层；

5 )通过自动化控制系统驱动多维微驱动装置， 将刀具 （或工件） 不 断地向工件（或刀具） 逐步逼近， 调控被加工工件表面与刀具之间的距离 和平行度， 并通过可视化监控器实时原位观测； 进一步地， 通过控制刀具 和工件之间的间距小于刻蚀剂层的厚度或 /和通过刀具和工件之间的相对 运动（包括平动和转动）来改善工作溶液的物 料平衡，提高刻蚀整平与抛 光的均一性， 即， 提高工件表面的面型精度、 降低工件表面的粗糙度；

6)通过在垂直方向将刀具（或工件）， 不断地向工件表面（或刀具表 而）移动， 使刀具表面的约束刻蚀整平剂液层与工件表面 接触， 保持化学 刻蚀整平反应不断地进行； 同时，也可在 XY二维平面方向上移动刀具或 被加工工件， 直至整个被加工工件表面被刻蚀整平和抛光完 毕。

在步骤 4)中，所述调控刻蚀整平剂液层厚度，是通过� ��制电极电位、 光波波长及其强度、 以及工作溶液配方、温度及循环来进行调控的 ，所述 约束刻蚀剂层厚度可以被控制在 100 nm以下， 优选 <20nm。 在具体的实 验中， 一般选取刻蚀剂生成反应的极限扩散电位、 激发光的波长及强度， 这些参数的选择用于控制刻蚀整平剂的量，直 接影响约束刻蚀剂层的厚度 和表面去除效率。 所述极限扩散电位是表示在该电位下， 光 /电化学产生 的电流维持最大的恒定值， 例如，在酸性条件下加工硅材料， 溴离子氧化 生成刻蚀剂溴的极限扩散电位为 0.9V以上。 所述表面去除效率是指化学 刻蚀反应在单位时间内去除的工件的质量（克 /分钟）， 或者单位时间内去 除的工件的厚度（微米 /分钟）， 例如， 采用溴刻蚀砷化镓时， 表面去除率 可达到 0.2微米 /分钟。

在步骤 5 )中，所述调控被加工工件表面与刀具之间的� �离和平行度， 可根据电流传感器、 压力传感器和平行激光束测距装置所提供的反 馈参 数， 调控被加工工件表面与刀具之间的距离和平行 度。

本发明所述刀具（光 /电化学工作电极）具有纳米级平整的表面精� �， 其表面既可在 X-Y二维平面方向均具有较大尺度； 也可在一维方向具较 大尺度，其制备方法可以采用现有技术中用于 制备具有纳米级平整的表面 精度的刀具的通常方法进行， 也可以通过本发明人新提出的制备方法进 行。 这样制备方法例如有如下几个途径：

1 )通过超精密机械加工 （比如纳米铣削等） 的办法得到具有纳米级 平整精度的铂、 金、 铱、 钨等金属电极；

2) 通过各种镀膜 （比如电子束蒸镀、 磁控溅射、 电镀、 化学镀等） 或晶体外延生长技术在表面具原子级规整程度 的基底上沉积和生长金属 或半导体， 将其表面导电化；

3 ) 将熔化的铂、 金、 铱等金属精确降温或者采用拉丝等方法制备表 面具有纳米级平整精度的铂、 金、 铱等金属单晶电极；

4) 利用 CMP技术结合电解方法对金属多晶或单晶电极表 面进行整 平和抛光获得具纳米平整精度的电极表面；

5 ) 利用液态金属或合金自然形成的纳米平整精度 表面； 以及

6)光催化和光电催化刀具， 以石英非导电光学材料、 ITO和 FTO导 电光学玻璃为载体， 通过表面修饰、原位电化学生长、或化学气相 沉积镀 覆一层纳米二氧化钛、 氧化锌、 三氧化钨 W0 ₃ 、 三氧化二铁 Fe ₂ 0 ₃ 、 硒化 镉 CdSe及其复合光催化材料。

加工过程中，在刀具表面通过电化学、光化学 或光电化学反应所生成 的物种，既可以是其本身对工件表面进行直接 化学刻蚀的刻蚀整平剂，也 可以是提高溶液中刻蚀整平剂化学刻蚀速度的 催化剂之中的至少一种。 本发明所述纳米面型精度和纳米粗糙度的光 /电化学诱导约束化学刻 蚀整平和抛光加工方法，其刻蚀整平剂可以根 据不同的加工对象进行广泛 的选择。通常地， 由工件的材质选定刻蚀整平剂， 由刻蚀整平剂选定合适 的刻蚀整平剂前驱体和相对应的清除剂，并且 将选好的刻蚀整平剂前驱体 和清除剂分别添加到工作溶液中。

本发明方法的整平和抛光的对象可以是金属材 料工件（如 USLI上的 Cu), 可以是半导体材料工件 （如 Si基片）， 也可以是绝缘材料工件（如 810 ₂ 玻璃）。 而且， 本发明可对金属、 半导体和绝缘体表面进行纳米精度 的大面积批量化整平和抛光加工。

例如， 在加工对象为金属材料时， 通过控制刻蚀剂层的 pH值提高约 束刻蚀剂层内强酸性物质比如，硝酸、硫酸等 的浓度， 与金属发生反应生 成可溶性盐； 或者通过生成强氧化特性的刻蚀剂比如， 氧、 氟、 氯、 溴、 二茂铁、铁氰化物、金属配合物等直接与金属 反应生成可溶性化合物； 或 通过生成氧化性物质比如， 双氧水、氧、臭氧、含氧自由基物种等使金属 表面生成氧化物， 与溶液中酸性物质比如， 硫酸、硝酸、 盐酸、 草酸等发 生溶解反应达到去除目的。所用的清除剂为胱 氨酸等双硫键化合物、二茂 铁及其衍生物、过硫酸盐、亚硝酸盐、亚硫酸 盐、硫代硫酸盐、抗坏血酸、 山梨醇， 或它们的混合物等。为了提高金属离子在溶液 中的溶解度，在溶 液中加入添加剂或者表面活性剂与金属离子发 生络合反应， 包括卤素离 子、 氨水、 氰根离子、 硫氰根离子、 冠醚类超分子化合物、 垸基磺酸钠、 聚醚 （优选聚氧化乙烯）、 氮唑类化合物等。

例如， 在加工对象为半导体比如硅、锗、砷化镓、过 渡金属二元及三 元化合物等） 和绝缘体材料比如石英、 玻璃、 蓝宝石、 氧化镁、 碲镉汞、 磷酸二氢钾等无机晶体时， 在约束刻蚀剂层内生成强氧化剂比如氧、 氟、 氯、 溴、 高锰酸根、 重铬酸根、 高氯酸根、 硝酸根、 含氧自由基等， 同时 加入络合剂比如卤素离子、氨水、 氰根离子、硫氰根离子、 冠醚类超分子 化合物、 烷基磺酸钠、 聚醚 （优选聚氧化乙烯）、 氮唑类化合物等以增加 产物的溶解度，从而达到整平和抛光的目的。 所选用的清除剂为具有还原 性质的胱氨酸等双硫键化合物、二茂铁及其衍 生物、过硫酸盐、亚硝酸盐、 亚硫酸盐、硫代硫酸盐、抗坏血酸、 山梨醇或它们的混合物等。所选用的 溶剂可以为水、 乙腈、 四氢呋喃、 二甲亚砜， N, W -二甲基甲酰胺以及 以季铵盐离子、季鳞盐离子、咪唑盐离子和吡 咯盐离子等为阳离子的离子 液体。

而且，如上所述，本发明的约束刻蚀剂液层的 厚度还取决于刻蚀剂与 清除剂之间的浓度比率， 通常地该浓度比为 10:1到 1:100， 优选为 1 : 1 到 1 : 20。例如，在使用含有选自二茂铁及其衍生物� ��过硫酸盐、溶解氧、 溴化物、氟化物、烷基胺类化合物中的至少一 种刻蚀整平剂前驱体，其浓 度范围为 0.001〜1.0 mol/dm ³ , 通过电化学反应产生能够化学刻蚀工件表 面的刻蚀整平剂。所产生的刻蚀整平剂可以和 双硫键化合物、二茂铁及其 衍生物、过硫酸盐、亚硝酸盐、亚硫酸盐、硫 代硫酸盐中的至少一种而制 成的清除剂发生快速化学反应，从而使刻蚀整 平剂的寿命缩短，并且由于 刻蚀整平剂寿命缩短，在溶液中只能扩散极短 距离，因此在刀具表面形成 纳米数量级厚度的刻蚀整平剂液层，在工件表 面能以极高的分辨率进行刻 蚀。此外， 由于刀具与工件之间存在刻蚀整平剂液层， 没有实质性的机械 接触， 因此刀具表面保持纳米平整精度。

在本发明使用含有溶解氧、臭氧、过氧化物、 超氧化物、氮氧化合物、 次氯酸盐、亚硝酸盐、过硫酸盐、垸基过氧化 合物中的至少一种刻蚀剂前 驱体时， 通常地， 其浓度范围为 0.001〜1.0 mol/dm ³ ， 通过光化学、 电化 学或者光电反应产生自由基刻蚀剂，对工件表 面进行化学刻蚀。因为自由 基刻蚀剂寿命短，在溶液中的扩散距离极短， 所以可以在刀具表面形成纳 米级厚度的刻蚀剂液层， 能以极高的分辨率在工件表面进行化学刻蚀。

此外， 由于刀具与工件之间存在刻蚀整平剂液层，没 有实质性的机械 接触， 因此刀具表面保持纳米平整精度。

由此可见， 本发明所述溶液的配方满足了以下要求：

1 ) 溶液中含有刻蚀剂前驱体， 可以通过电化学、 光化学或者光电化 学反应产生刻蚀整平剂，和工件材料发生化学 刻蚀反应，并且反应速率足 够快， 去除率不低于 10纳米 /分钟；

2) 刻蚀整平剂对工件材料的化学刻蚀作用必须是 各向同性的；

3 ) 刻蚀整平过程中不能产生难溶或不溶的物质； 4)清除剂 （约束剂） 能够和刻蚀整平剂快速反应， 并将刻蚀整平剂 约束在刀具表面纳米量级的厚度以内；

5) 整个溶液体系必须是稳定的。

与 CMP技术相比， 本发明具有以下突出优点：

1 ) 刀具与工件表面无实际的机械接触， 因而工件表面和亚表面无机 械损伤， 也没有残余应力；

2 ) 在刻蚀整平和抛光过程中没有引入其它易沉淀 的金属离子， 所以 不存在金属离子的污染问题；

3 ) 化学刻蚀整平反应的发生与否取决于工件表面 是否与刻蚀整平剂 液层接触， 是一个典型的自终止式过程， δΡ: 随刻蚀整平反应进行， 工件 表面将逐渐消融并最终脱离刻蚀整平液层， 刻蚀反应也随之终止， 因而整 平和抛光的终点容易控制。

本发明的第二方面是提供一种用于实现纳米面 型精度和纳米粗糙度 的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整平和抛光加工� �法的装置。 所述用于 实现纳米面型精度和纳米粗糙度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整平和 抛光加工方法的装置设置有刀具、 光 /电化学反应控制体系、 溶液循环装 置、 溶液恒温装置和自动化控制系统。

所述刀具为表面具有纳米平整精度的金属刀具 ，其材质为铂、金、铱、 钨、 钛等金属及其合金； 二氧化钛 Ti0 ₂ 、 氧化锌 ZnO、 三氧化钨 W0 ₃ 、 三氧化二铁 Fe ₂ 0 ₃ 、 硒化镉 CdSe等及其复合光催化半导体材料； 或由玻 璃化碳、高温裂解石墨、硼参杂金刚石等非金 属材料制成的表面具有纳米 平整精度的刀具。

刀具形状没有特别限制， 可以为铣刀状、线型刮刀状、平面盘状以及 基于流体动压设计的沟槽状等。但是， 通过合理设计刀具的形状， 并且选 择控制刀具和工件之间的相对运动方式或者刀 具的进给方式，使得所加工 的工件的形状为平面、 圆柱面、 圆锥面、球面以及非球面， 以及可以进一 步提高工件表面的面型精度、降低工件表面的 粗糙度。例如，在所述刀具 为盘状刀具的情况下，通过在平面旋转运动的 同时，使刀具或者工件进行 平面摆动来进一步提高工件表面的面型精度、 降低工件表面的粗糙度。

所述光 /电化学反应控制体系是将刻蚀整平剂液层厚� �精确控制在纳 米尺度内， 通常被控制为 100 nm以下， 在更精密整平与抛光工艺中可控 制达到 20nm以下的光 /电化学反应控制体系， 所述光 /电化学反应控制体 系设有恒电位仪或 /和光路控制装置、 光 /电化学工作电极、 辅助电极、 参 比电极、 容器和工作溶液；

所述工作溶液循环装置设有循环泵、 流量控制器和液槽；

所述工作溶液恒温装置设有测温器、 加热器、 冷却器和液槽； 所述自动化控制系统设有固定架、多维（sp，� ��维以上）微驱动装置、 可视化监控器、压力传感器、平行激光束测距 装置、 电流反馈装置和信息 处理计算机；

所述刀具固定于固定架下部，固定架上部接自 动化控制系统的多维微 驱动装置的垂直轴微驱动控制器，垂直轴微驱 动控制器连接信息处理计算 机； 刀具作为光 /电化学工作电极， 刀具通过固定架接到恒电位仪或 /和光 路控制系统；辅助电极与参比电极插入工作溶 液中，工作溶液经过恒温装 置恒温后，注入容器中，并通过工作溶液循环 装置实现工作溶液在容器和 恒温液槽之间的循环；所述容器设于多维微驱 动装置的水平轴微驱动控制 器上； 工件置于容器中， 可视化监控器用于监测刀具向工件逼近过程， 电 流反馈装置用于监测刀具表面电流，压力传感 器用于监测刀具和工件之间 是否接触， 平行激光束测距装置用于监测刀具表面与工件 表面之间的间 距，信息处理计算机根据电流反馈装置提供的 电流值、压力传感器提供的 压力值和平行激光束测距装置提供的两平面间 之间的距离值等反馈参数， 驱动多维微驱动装置的垂直轴微驱动控制器和 水平轴微驱动控制器，调节 刀具表面与工件表面之间的距离和平行度。多 维微驱动装置同时还用于控 制刀具和工件之间的相对运动方式和调节刀具 的进给方式。

所述工作溶液包括刻蚀整平剂前驱体和 /或清除剂、 溶剂以及任选的 表面活性剂、 支持电解质、 pH缓冲剂等。

所述溶剂可以是水、有机溶剂或离子液体等。 所述有机溶剂可以是已 腈 （CH ₃ CN)， 二甲亚砜 （Dimethyl sulphoxide, DMSO), Ν, Ν'-二甲基 甲酰胺（Ν, Ν'-Dimethylformamide, DMF)等中的至少一种。所述离子液 体以季铵盐离子、季鳞盐离子、咪唑盐离子和 吡咯盐离子等为阳离子， 离 子液体中含有的添加剂可选自尿素 （Urea) , 乙酰胺 （Acetamide) , 硫脲 (Thiourea),三氯乙酸 ( Trichloroacetic acid),苯乙酸 (Phenlyacetic acid), 丙二酸（Makmic acid), 草酸（Oxalic Acid), 对甲基苯磺酸（ -Toluene sulfonic acid), 间甲基苯酚 （ - Cresol) , 对甲基苯酚 Q? Cresol) , 邻甲 基苯酚（ ₀ 一 Cresol), 果糖（(-) Fmctose)等中的至少一种， 所述添加剂占 所述溶液的总质量的质量百分比浓度为 5%〜95%。

所述刻蚀整平剂前驱体可选自二茂铁及其衍生 物、过硫酸盐、溶解氧、 溴化物、氟化物、烷基胺类化合物等中的至少 一种， 所述刻蚀整平剂前驱 体的浓度为 0.001〜1.0 mol/dm ³ ，优选为 0.01~0.1 mol/dm ³ ;所述清除剂可 选自巯基化合物、 二茂铁及其衍生物、 过硫酸盐、 亚硝酸盐、 亚硫酸盐、 硫代硫酸盐等中的至少一种， 所述清除剂的浓度为 0.05〜10 mol/dm ³ ， 优 选为 0.1~1.0 mol/dm ³ ;所述表面活性剂可选自垸基磺酸盐、季� �盐、聚醚、 苯并三氮唑等中的至少一种， 所述表面活性剂的浓度为 0.001〜1.0 mol/dm ³ , 优选为 0.01〜0.1 mol/dm ³ ₀

工作溶液中使用的支持电解质用于保证溶液的 导电性，其浓度具体视 加工对象而定，一般为 0.01-lmol/L。工作溶液中使用的 pH缓冲剂可以是 酸性或碱性。

本发明所述纳米面型精度和纳米粗糙度的光 /电化学诱导约束化学刻 蚀整平和抛光加工装置中的微驱动装置、信息 处理计算机和电化学反应控 制系统等已经在本申请人的中国专利 ZL03101271.X中进行了说明。本发 明在原来的基础上将微驱动装置由三维升级到 多维，这种变化尤其适合于 复杂面型的加工， 同时增加光路控制装置来进行光化学和光电化 学调制。 因为采用约束刻蚀剂层技术，刀具表面电化学 生成的刻蚀整平剂层的厚度 在纳米尺度，所以刀具和工件之间的平行度至 关重要，尤其是对大面积工 件进行整平和抛光。本发明除了采用中国专利 ZL03101271.X中的压力感 应方式来调整工件和刀具之间的距离以外，还 采用平行激光束校验的办法 调整刀具和工件之间的距离和平行度。另外， 本发明增设了自动化控制系 统，该系统通过刀具表面电流反馈、刀具表面 与工件表面间接触压力以及 平行激光束装置，自动微调多维微驱动装置， 将刀具精准地移向工件表面， 直至刀具表面的刻蚀整平液层与工件表面接触 ，开始刻蚀整平加工，随着 刻蚀整平的进行工件表面将逐渐地消融，自动 控制系统不断地驱动多维微 驱动装置移动刀具使刻蚀整平和抛光反应不断 进行， 并通过可视化监控 器，对工艺过程进行实时监测。为了保证整平 和抛光过程中的物料平衡和 清除剂的补充，以及调控刻蚀反应的速度，本 发明增设工作溶液循环装置 和温控装置。

在加工过程中工件表面不产生机械应力、 内伤、金属污染， 并且整平 和抛光终点容易控制， 同时又可对金属、半导体和绝缘体等不同材质 的表 面进行大面积、 批量化的整平和抛光。

图 1 给出了本发明的约束化学刻蚀整平和抛光加工 方法的实施装置 的一个实例的组成示意图。加工刀具采用表面 为纳米平整精度的铂金属盘 状刀具 5， 刀具 5固定于金属固定架 4的下部， 固定在刀具外侧的平行激 光束测距装置 17的光纤探头 16同时也固定于金属固定架 4的下部，平行 激光束测距装置 17与信息处理计算机 3相连， 金属固定架 4可采用两段 直径不同的圆柱体，其上部接驱动装置的 Z轴（垂直轴）微驱动控制器 2， Z轴微驱动器 2连接信息处理计算机 3 ; 电化学系统设有恒电位仪 1、 辅 助电极 8、 参比电极 9、 容器 10、 溶液 11等， 铂金属盘状刀具 5通过金 属固定架 4接到恒电位仪 1而成为电化学工作电极。辅助电极 8与参比电 极 9插入工作溶液 11中， 工作溶液 11经过恒温槽 13恒温后， 注入容器 10中， 并通过工作溶液循环装置 12实现工作溶液在容器 10与恒温液槽 13之间的循环。 容器 10设于与信息处理计算机 3相连的压力传感器 15 上， 容器 10和压力传感器 15均设于驱动装置的 xy轴 （水平轴） 微驱动 控制器 7上（图 1中未显示）。工件 6置于容器 10中。通过可视化监控器 14监测刀具与工件的接触。

图 2 给出了本发明的约束化学刻蚀整平与抛光加工 平面工件的实施 装置的另一个实例的组成示意图。 同样， 本实例也包括刀具、 光 /电化学 反应控制系统、工作溶液循环装置、工作溶液 恒温装置和自动化控制系统， 如图 2所示， 光 /电化学反应控制系统包括光路装置 3和 /或电化学工作站 9，而自动化控制系统包括信息处理计算机 1、多维微驱动系统、工作台 (相 当于图 1中的固定架)和可视化监控器 14。信息处理计算机 1是加工装置 的中枢，分别与多维微驱动系统（包括刀具盘 运动控制器 2和工件盘运动 控制器 8)、 光路装置 3、 电化学工作站 9、 溶液循环装置 12、 恒温装置 13和可视化监控器 14相连接， 负责指令发送和信息反馈， 对工艺参数和 加工进程进行实时监控。刀具运动控制器 2为一个超平稳旋转工作台，工 作台上用于固定刀具 4， 其工作参数由信息处理计算机 1调控。工件 6被 固定在工件盘 Ί上，工件盘 7与工件盘运动控制器 8相连，根据信息处理 计算机 1发出的指令作垂直逼近和水平摆动。对于电� �学诱导的约束化学 刻蚀反应， 要配置电化学工作站 9、 参比电极 15、 辅助电极 16， 并以刀 具 4为工作电极。 工作溶液 10注入容器 11， 容器 11和溶液循环装置 12 和恒温装置 13相连。 控制工作电极 （刀具） 的电位， 通过电化学反应产 生约束刻蚀剂层 5。对于光化学或光电化学诱导的约束化学刻� �反应， 则 需在刀具表面修饰一层光催化剂， 当启动光路装置 3， 激发光入射到催化 剂表面， 引起光催化或光电化学反应， 产生自由基刻蚀剂层 5。 启动工件 盘运动控制器 8，使工件与约束刻蚀剂层接触，直至完成整� �与抛光工艺。 压力传感器 17和激光测距探头 18内置于工件盘 7上（17和 18在图 2中 未显示）， 结合光 /电化学反应控制系统， 通过压力、 距离、 电流等反馈数 据来调节工件与工具之间的距离和平行度。

在图 1和图 2所示的本发明的用于纳米面型精度和纳米粗� �度的光 / 电化学诱导约束化学刻蚀整平和抛光加工方法 的装置中，其基本工作原理 是：在工作溶液中，通过电化学、光化学或者 光电化学反应在表面为纳米 平整精度的刀具 （工作电极） 21 表面生成刻蚀整平剂液层 22 (如图 3a 所示）； 由于预先在工作溶液中加入了能与刻蚀整平剂 发生快速化学反应 的清除剂， 从而大大地缩短刻蚀整平剂的寿命， 使其无法由刀具 21表面 向外远程扩散， 因而约束刻蚀整平剂液层 23可以达到纳米尺度（如图 3b 所示， 在图 3b中， 标记 24为镀层， 25为电介质）； 当刀具表面的刻蚀整 平剂液层与加工工件接触后即发生刻蚀整平化 学反应，随着工件表面被刻 蚀，为保证约束刻蚀整平剂液层能继续接触到 工件表面并刻蚀至所需的程 度， 精密驱动装置需要不断地将刀具移向工件（如 图 3c所示）； 由于约束 刻蚀剂层非常薄并且具有稳定的浓度分布， 厚度可达到 20nm以下， 所以 它保持了刀具表面的平整度，刻蚀完毕后，工 件表面可达到刀具表面的纳 米平整精度 （如图 3d所示）。

本发明所述的纳米面型精度和纳米粗糙度的光 /电化学诱导约束化学 刻蚀整平和抛光加工方法，可以实现大面积的 整平和抛光加工，而且可以 对二维平面工件表面、 圆柱状工件表面、 非曲面工件表面等进行加工。

如图 4所示， 采用纳米平整精度的平面刀具 31， 即刀具在二维平面 方向上均具有较大的尺度， 以刀具向工件 32逐步逼近的方法对工件进行 化学刻蚀整平和抛光。通过自动控制系统驱动 刀具盘运动控制器 2， 将表 面包覆纳米级厚度的蚀刻剂液层的刀具逐步逼 近工件表面，当刀具表面的 刻蚀整平剂液层接触到工件表面的最凸点时， 化学刻蚀反应发生，并对工 件表面进行化学刻蚀整平和抛光。随着刻蚀反 应的进行，工件表面最凸点 消融并逐渐脱离刻蚀液层， 则再次使刀具逼近工件表面。如此重复，直至 达到所需的整平和抛光精度要求。 33 为通过超精密机械加工方法制作的 平面刀具。

如图 5所示， 当采用纳米平整精度的线形刀具 41， 即刀具在一维方 向上具有较大的尺度， 在 X-Y二维平面方向上相对移动刀具和工件的方 式对工件进行化学刻蚀整平和抛光； 即：通过自动控制系统驱动刀具盘运 动控制器 2，将表面包覆纳米级厚度的整平剂液层的刀� �逐步逼近工件 42 表面，当刀具表面整平剂液层接触到工件表面 最凸点时，开始对工件的表 面整平和抛光，随刻蚀反应进行，工件表面最 凸点消融并逐渐脱离刻蚀液 层， 在 X-Y二维平面方向上相对移动刀具或工件， 直至刀具扫遍整个工 件表面， 如此重复直到达到抛光和整平的精度要求。

如图 6所示， 当采用纳米平整精度的线形刀具 53， 对圆柱状工件表 面进行整平和抛光； 即： 通过自动控制系统驱动刀具盘运动控制器 2， 将 表面包覆纳米级厚度的整平剂液层 52的刀具逐步逼近绕中轴旋转的工件 51 表面， 当刀具表面整平剂液层接触到工件表面最凸点 时， 开始对工件 的表面整平和抛光，随刻蚀反应进行，工件表 面最凸点消融并逐渐脱离刻 蚀液层， 控制刀具的进给量，直至刀具扫遍整个工件表 面， 如此重复直到 达到抛光和整平的精度要求。

如图 7所示， 当采用纳米平整精度的铣刀状刀具 62 , 对非曲面工件 表面进行整平和抛光； 即： 首先对非曲面进行数字化处理， 编制刀具的运 动轨迹，然后通过自动化控制系统，使刀具表 面的约束刻蚀剂层接触工件， 沿着事先设定的程序化运动轨迹对非曲面工件 进行加工。 其中 61为刀具 的程序化运动轨迹， 63为辅助电极， 用于控制刀具的电极电位， 64为非 曲面工件。

以下将通过结合附图的实施例对本发明作进一 步的说明。这些实施例 仅是说明性的， 而不意在限制本发明的范围。 实施例

实施例 1 :

采用图 2 所示的装置对作为工件的铜表面进行整平和抛 光。 加工条 件： 循环流动的工作溶液含有 O.l mol/dm ³ 乙酸（pH 5.5)、 2 mg dm" ³ 苯 并三氮唑、 10 mmol/dm ³ 硫代硫酸钠（Na ₂ S ₂ 0 ₈ )和 0.1 mol/dm ³ N-乙酰半 胱胺酸； 其温度在整个刻蚀整平过程中保持在 25°C; 启动电化学刻蚀反 应控制系统后， 在铂金属盘表面电解 N¾S ₂ 0 ₈ 产生 SO 自由基刻蚀整平 剂； 清除剂为加入刻蚀溶液中的 N-乙酰半胱胺酸； 采用恒电位方法将刀 具（金属铂盘电极）的电极电位在整个整平和 抛光过程中保持在 -0.5 V (相 对于饱和甘汞电极的电位）。 其中铂金属盘表面经 CMP技术抛光其平整 精度为大于 60 nm， 并被固定在图 2所示的刀具盘运动控制器 2顶部。启 动自动控制系统后，系统依据电流反馈器、压 力传感器和平行激光束测距 装置所提供的反馈电流、压力和平行度等参数 ， 自动驱动工件盘运动控制 器 8， 将工件精准地移向固定刀具盘运动控制器 2顶部的铜工件， 直至刀 具表面包覆的刻蚀整平剂液层与铜表面接触， 开始刻蚀整平加工，随刻蚀 整平的进行铜表面逐渐地消融， 自动控制系统不断地进给刀具，使刻蚀整 平化学反应不断进行。 因为工件做超平稳低速旋转（1 转 /分）， 而且约束 刻蚀整平剂层的厚度非常薄 (其厚度被约束在 50 nm以下)，处于层流层内， 所以刀具或工件移动的过程中不会影响刻蚀整 平剂液层的表面平整。加工 时间与工件材料还有约束化学刻蚀体系有关， 即取决于表面去除率。在铜 的整平与抛光实验中， 刀具进给时间为 15 min, 其后切断自动控制系统 使不再进给刀具， 5 min后切断电化学系统并提起刀具。 所得工件表面的 光学显微（Olympus BX-51 , 由 Olympus Co.制造）图像参见图 8， 原子力 显微镜 （Nanoscope Ilia, 由 Digital Instrument Co.制造， 轻敲模式） 结果 显示抛光后的表面粗糙度为 12.0 nm。 实施例 2:

采用图 2 所示的装置对作为工件的硅表面进行整平和抛 光。 加工条 件. -循环流动的工作溶液含有 O.l mol/dm ³ 氟化铵 (N¾F)， 1 mmol/dm ³ 溴 化四甲基铵 （（C ) ₄ NBr)， 0.01 mol/dm ³ L-胱氨酸和 0.5 mol/dm ³ 硫酸 (¾S0 ₄ ); 其温度在整个刻蚀整平过程中保持在 30 °C; 启动电化学刻蚀 反应控制系统后， 在铂金属盘表面电解氧化溴离子 （Bf)产生溴 （Br ₂ ) 刻蚀整平剂； 清除剂为胱氨酸； 在整个整平和抛光过程中， 采用恒电位方 法将刀具（金属铂盘电极）的电极电位保持在 0.9 V (相对于饱和甘汞电 极的电位）。 其中铂金属盘表面经 CMP技术抛光， 其平整精度为大于 60 nm， 并被固定在图 2所示的刀具盘运动控制器 2顶部。 启动自动控制系 统后，系统依据电流反馈器、压力传感器和平 行激光束测距装置所提供的 反馈电流、 压力和平行度等参数， 自动驱动工件盘运动控制器 8， 将工件 精准地移向固定于刀具盘运动控制器 2顶部的刀具，直至刀具表面包覆的 刻蚀整平剂液层 (其厚度被约束在 <20nm)与硅表面接触， 开始刻蚀整平加 工，随刻蚀整平的进行硅表面逐渐地消融，自 动控制系统不断地进给刀具， 使刻蚀整平化学反应不断进行。 本实验中， 10 min后切断自动控制系统， 使不再进给刀具， 再经 3 min后， 切断电化学系统提起刀具。 所得工件表 面的扫描电子显微镜 （FESEM LEO 1530, 由 LEO Co.制造） 图像参见图 9， 原子力显微镜（Nanoscope IIIa， 由 Digital Instrument Co.制造， 轻敲模 式） 结果显示抛光后的表面粗糙度为 0.6 nm。 实施例 3 ：

采用图 2所示的装置对作为工件的砷化镓表面进行整� �和抛光。加工 条件： 循环流动的工作溶液含有 10 mol/dm ³ HBr、 10 mmol/dm ³ L-胱氨酸 + 0.5 mol/dm ³ ¾S0 ₄ ,其温度在整个刻蚀整平过程中保持在 20 °C;启动电 化学刻蚀反应控制系统后， 在铂金属盘表面电解氧化溴离子 （Bf ) 产生 溴 （Br ₂ ) 刻蚀整平剂； 清除剂为 L-胱氨酸； 在整个整平和抛光过程中， 采用恒电位方法将刀具（金属铂盘电极）的电 极电位保持在 0.9 V (相对 于饱和甘汞电极的电位）。 其中铂金属盘表面经 CMP技术抛光， 其平整 精度为大于 60 nm， 并被固定在图 2所示的刀具盘运动控制器 2顶部。启 动自动控制系统后，系统依据电流反馈器、压 力传感器和平行激光束测距 装置所提供的反馈电流、压力和平行度等参数 ， 自动驱动工件盘运动控制 器 8， 将工件精准地移向固定于刀具盘运动控制器 2顶部的刀具， 直至刀 具表面包覆的刻蚀整平剂液层与硅表面接触， 开始刻蚀整平加工，随刻蚀 整平的进行硅表面逐渐地消融， 自动控制系统不断地进给刀具，使刻蚀整 平化学反应不断进行。 本实验中， 8 min后切断自动控制系统使不再进给 刀具， 再经 2 min后， 切断电化学系统提起刀具。所得工件表面的扫 描电 子显微镜（FESEM LEO 1530， 由 LEO Co.制造） 图像参见图 10， 原子力 显微镜 （Nanoscope Ilia, 由 Digital Instrument Co.制造， 轻敲模式） 结果 显示抛光后的表面粗糙度为 1.0 nm。 实施例 4:

采用图 2所示的装置对作为工件的 S ) ₂ 玻璃表面进行整平和抛光。 加工条件： 采用的溶液含有 0.1 mol/dm ³ NH4F、 氨水 （N OH) (pH 12)， 10 mmol/dm ³ 亚硝酸钠 （NaN0 ₂ ); 循环流动的工作溶液的温度在整个刻 蚀整平过程中保持在 30 °C; 启动电化学刻蚀反应控制系统后， 在铂金属 盘刀具表面电解 NaN0 ₂ 产生 H*"刻蚀剂，使铂金属盘表面形成强酸层， Si0 ₂ 在强酸条件下与 F离子发生络合反应而被去除； 清除剂为刻蚀溶液中的 OH", 并使得铂金属盘表面形成强酸层的厚度被约束 在 20mn以下； 在整 个整平和抛光过程中， 采用恒电位方法将刀具（金属铂盘电极）的电 极电 位保持在 0.9 V (相对于饱和甘汞电极）。 其中铂金属盘表面经过 CMP 技术抛光， 其平整精度为大于 60 iim， 并被固定在图 2所示的刀具盘运动 控制器 2顶部。启动自动控制系统后， 系统依据电流反馈器、压力传感器 和平行激光束测距装置所提供的反馈电流、压 力和平行度等参数， 自动驱 动工件盘运动控制器 8，将工件精准地移向固定于刀具盘运动控制� � 2顶 部的刀具， 开始刻蚀整平加工， 随刻蚀整平的进行， Si0 ₂ 玻璃表面逐渐 地消融， 自动控制系统不断地进给刀具， 使刻蚀整平化学反应不断进行。 30 min后， 切断自动控制系统使刀具不再位移， 再经 10 min后， 切断电 化学系统提起刀具。 所得工件表面的光学显微图像（ Olympus BX-51 , 由 Olympus Co.制造） 参见图 11， 原子力显微镜结果 （Nanoscope Ilia, 由 Digital Instrument Co.制造，轻敲模式）显示抛光后的表面粗糙度 为 0.6 nm。 实施例 5〜32：

其中实施例 5-13的工艺步骤与上述实施例 2类似， 实施例 14-22的 工艺步骤与上述实施例 1类似，而实施例 23-31的工艺步骤与上述实施例 4类似， 其不同在于刻蚀整平和抛光溶液和清除剂的成 份与含量， 具体的 成份及其刻蚀效果详见表 1〜3。 刻蚀效果可以通过高倍率的光学显微镜 (Olympus BX-51 , 由 Olympus Co.制造）、扫描电子显微镜（FESEM LEO 1530， 由 LEO Co.制造）、 原子力显微镜 （Nanoscope Ilia, 由 Digital Instrument Co.制造， 轻敲模式）来进行观察， 表面粗糙度 Ra通过原子力 显微镜 （Nanoscope IIIa， 由 Digital Instrument Co.制造， 轻敲模式） 进行 区域扫描的结果来分析。 表 1

从表 1看出， 本发明的纳米精度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整 平和抛光加工方法对硅材质的工件进行整平， 效果显著，可以使得工件表 面的表面粗糙度达到 2.0nm以下。 表 2

从表 2看出， 本发明的纳米精度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整 平和抛光加工方法对铜材质的工件进行整平， 效果显著.，可以使得工件表 面的表面粗糙度达到 25nm以下。 表 3

从表 3看出， 本发明的纳米精度的光 /电化学诱导的约束化学刻蚀整 平和抛光加工方法对二氧化硅材质的工件进行 整平， 效果更显著，可以使 得工件表面的表面粗糙度达到 1.5 nm以下。 表 4

注： pH值通过 0.01 mol/L HC10 ₄ 和 0.01 mol/L NaOH调节， 支持电解质 为 0. 01mol/L NaClO ₄ 。 工业可适用性

由本发明的整平和抛光方法及装置所产生的工 件的表面能够达到纳 米量级的面型精度和粗糙度 （纳米精度）。 而且本发明相比于化学机械抛 光 （CMP) 技术具有工件表面和亚表面无机械损伤、 无残余应力、 无金 属离子的污染问题以及整平和抛光的终点容易 控制的优点。因此，特别适 合于半导体工业材料、超大规模集成电路、微 机电和微光机电系统、现代 精密光学元器件、以及航空航天发动机叶片等 等工业领域的整平和抛光工 艺。