趙云鶴、檀柏梅、牛新環(huán)、甄加麗、郭倩
引言
藍(lán)寶石(α-Al2O3)為剛玉族礦物,莫氏硬度為9,熱特性、電氣特性和介電特性極好,而且惰性強、透光性和耐磨性好,是一種光學(xué)特性、物理特性、機械特性和化學(xué)特性獨特組合的氧化物晶體。藍(lán)寶石在航空和光電子等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,此外,在LED照明產(chǎn)業(yè)中也得到了普遍應(yīng)用。在藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光中,磨料是重要因素之一,它既決定機械作用的大小又影響化學(xué)作用的快慢,進(jìn)而對去除速率和被拋材料表面狀態(tài)都有影響。磨料、壓力、溫度、流量和pH值等都是影響CMP效果的因素。但是當(dāng)工藝參數(shù)最佳時,磨料就成為影響CMP的重要因素,而且由于不同磨料的硬度不同,在CMP過程中對被拋材料起到的機械作用也各不相同。本文主要采用單一的SiO2磨料和Al2O3磨料以及混合磨料對藍(lán)寶石進(jìn)行化學(xué)機械拋光,通過對比選擇一種對藍(lán)寶石的CMP效果更好的磨料。
1、藍(lán)寶石CMP機理
化學(xué)機械拋光(CMP)是當(dāng)前世界上唯一可以實現(xiàn)全局平坦化的工藝技術(shù),在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在藍(lán)寶石CMP系統(tǒng)中,磨料發(fā)揮的作用是參與化學(xué)反應(yīng)和機械研磨;瘜W(xué)作用主要是使磨料與被拋材料發(fā)生反應(yīng),形成易被去除的產(chǎn)物;機械研磨作用主要是使反應(yīng)生成物脫離被拋材料表面,使材料新生表面露出,以便繼續(xù)反應(yīng)去除。因此磨料在CMP過程中的作用非常重要。
藍(lán)寶石CMP是機械研磨和化學(xué)腐蝕的共同作用,其作用機理較為復(fù)雜,目前尚未有統(tǒng)一定論。只有一個公認(rèn)的Preston方程來表達(dá)去除速率和工藝參數(shù)的影響,其表達(dá)式為:
(1)
式中:Rp為藍(lán)寶石去除速率;Kp表示Preston方程系數(shù);p表示壓力;v表示拋光布與拋光片的相對速率。
基于彈塑性接觸理論、化學(xué)動力學(xué)和分子動力學(xué)理論,藍(lán)寶石去除速率公式為:
(2)
式中:Rp為藍(lán)寶石去除速率;dm為表面分子的平均直徑;d為磨料與工件接觸的平均直徑;Ar為拋光墊與工件的實際接觸面積;β為表面分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的概率;r為反應(yīng)產(chǎn)物被磨料去除的概率;x為磨料的密度;D為磨料的平均直徑。從式(2)中可以看出藍(lán)寶石的去除速率與磨料有著密切的關(guān)系。
2、藍(lán)寶石襯底CMP實驗
實驗采用3英寸(1英寸=2.54cm)的藍(lán)寶石單晶片,晶向為[001]。拋光機采用法國Alpsitec公司生產(chǎn)的型號為E460E拋光機,拋光墊的型號為suba600,利用AB204-N電子分析天平對藍(lán)寶石進(jìn)行稱重,通過CMP前后的質(zhì)量差得到去除速率,粗糙度檢測采用Agilent5600LS原子力顯微鏡。拋光液磨料為單一的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%的SiO2溶液和20%的Al2O3(α型)溶液以及Al2O3/SiO2混合磨料和SiO2/CeO2混合磨料。添加劑采用河北工業(yè)大學(xué)自主研制的活性劑和螯合劑。
CMP工藝參數(shù)的設(shè)置:以SiO2和SiO2/CeO2作為磨料時,壓力為4psi,轉(zhuǎn)速為80r/min,流量為70mL/min,pH值為12,溫度為35℃;以Al2O3和Al2O3/SiO2作為磨料時,壓力為4psi,轉(zhuǎn)速為80r/min,流量為60mL/min,pH 值為12,溫度為32℃。
3、單一磨料對藍(lán)寶石CMP實驗結(jié)果與分析
3.1 不同壓力下兩種磨料對藍(lán)寶石CMP效果的影響
以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的SiO2作為磨料時,流量為70mL/min,溫度為35℃;以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的Al2O3為磨料時,流量為60mL/min,溫度為32℃。設(shè)置壓力分別為2,3,4,5和6psi,pH值為12,轉(zhuǎn)速為80r/min。藍(lán)寶石去除速率曲線如圖1所示。
圖1 壓力對去除速率的影響
圖1反映出不同壓力對藍(lán)寶石去除速率的影響規(guī)律。從圖1中可以得到藍(lán)寶石在CMP過程中,去除速率隨著壓力的增大而增大,當(dāng)壓力增大到一定程度時,去除速率增長變緩。因為壓力的增大會加大拋光布與藍(lán)寶石晶片間的摩擦力,增加了磨料與晶片表面之間的碰撞頻率,進(jìn)而引起強大的系統(tǒng)機械作用;摩擦力加大的過程中系統(tǒng)內(nèi)部溫度升高,加快化學(xué)反應(yīng)速率,從而引起系統(tǒng)化學(xué)作用的加強,所以去除速率增大。但是如果壓力過大,導(dǎo)致拋光墊和晶片間空隙減少,流入拋光區(qū)的液體量就會減少,減弱了化學(xué)作用,最終去除速率也會減小。綜上所述,并不是壓力越大就能使拋光速率達(dá)到最佳狀態(tài)。壓力增加導(dǎo)致襯底材料與拋光布間的摩擦力加大,機械作用的加強使襯底表面極易出現(xiàn)劃傷,因此壓力過大也會使其表面出現(xiàn)缺陷;同時,摩擦生熱導(dǎo)致襯底表面溫度迅速上升,促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,如果反應(yīng)過快,表面容易出現(xiàn)缺陷。經(jīng)過實驗得出,當(dāng)壓力為4psi時效果最好,所以確定實驗最優(yōu)壓力為4psi。
圖2(a)和(b)分別是在10μm×10μm范圍內(nèi)壓力為4psi時,采用SiO2磨料和Al2O3磨料的藍(lán)寶石CMP后表面狀態(tài)原子力圖。從圖2可以看到,采用SiO2磨料對藍(lán)寶石進(jìn)行拋光后的表面粗糙度約為0.554nm,采用Al2O3磨料進(jìn)行拋光后藍(lán)寶石表面的粗糙度約為0.814nm。
圖2 壓力為4psi時SiO2磨料和Al2O3磨料的藍(lán)寶石CMP后表面狀態(tài)
(文章來自:藍(lán)寶石應(yīng)用)