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不同磨料对蓝宝石CMP的影响(一)

赵云鹤、檀柏梅、牛新环、甄加丽、郭倩

引言

蓝宝石(α-Al2O3)为刚玉族矿物,莫氏硬度为9,热特性、电气特性和介电特性极好,而且惰性强、透光性和耐磨性好,是一种光学特性、物理特性、机械特性和化学特性独特组合的氧化物晶体。蓝宝石在航空和光电子等领域被广泛应用,此外,在LED照明产业中也得到了普遍应用。在蓝宝石化学机械抛光中,磨料是重要因素之一,它既决定机械作用的大小又影响化学作用的快慢,进而对去除速率和被抛材料表面状态都有影响。磨料、压力、温度、流量和pH值等都是影响CMP效果的因素。但是当工艺参数最佳时,磨料就成为影响CMP的重要因素,而且由于不同磨料的硬度不同,在CMP过程中对被抛材料起到的机械作用也各不相同。本文主要采用单一的SiO2磨料和Al2O3磨料以及混合磨料对蓝宝石进行化学机械抛光,通过对比选择一种对蓝宝石的CMP效果更好的磨料。

1、蓝宝石CMP机理

化学机械抛光(CMP)是当前世界上唯一可以实现全局平坦化的工艺技术,在许多领域都得到了广泛的应用。在蓝宝石CMP系统中,磨料发挥的作用是参与化学反应和机械研磨。化学作用主要是使磨料与被抛材料发生反应,形成易被去除的产物;机械研磨作用主要是使反应生成物脱离被抛材料表面,使材料新生表面露出,以便继续反应去除。因此磨料在CMP过程中的作用非常重要。

蓝宝石CMP是机械研磨和化学腐蚀的共同作用,其作用机理较为复杂,目前尚未有统一定论。只有一个公认的Preston方程来表达去除速率和工艺参数的影响,其表达式为:

(1)

式中:Rp为蓝宝石去除速率;Kp表示Preston方程系数;p表示压力;v表示抛光布与抛光片的相对速率。

基于弹塑性接触理论、化学动力学和分子动力学理论,蓝宝石去除速率公式为:

(2)

式中:Rp为蓝宝石去除速率;dm为表面分子的平均直径;d为磨料与工件接触的平均直径;Ar为抛光垫与工件的实际接触面积;β为表面分子发生化学反应的概率;r为反应产物被磨料去除的概率;x为磨料的密度;D为磨料的平均直径。从式(2)中可以看出蓝宝石的去除速率与磨料有着密切的关系。

2、蓝宝石衬底CMP实验

实验采用3英寸(1英寸=2.54cm)的蓝宝石单晶片,晶向为[001]。抛光机采用法国Alpsitec公司生产的型号为E460E抛光机,抛光垫的型号为suba600,利用AB204-N电子分析天平对蓝宝石进行称重,通过CMP前后的质量差得到去除速率,粗糙度检测采用Agilent5600LS原子力显微镜。抛光液磨料为单一的质量分数分别为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。添加剂采用河北工业大学自主研制的活性剂和螯合剂。

CMP工艺参数的设置:以SiO2和SiO2/CeO2作为磨料时,压力为4psi,转速为80r/min,流量为70mL/min,pH值为12,温度为35℃;以Al2O3和Al2O3/SiO2作为磨料时,压力为4psi,转速为80r/min,流量为60mL/min,pH 值为12,温度为32℃。

3、单一磨料对蓝宝石CMP实验结果与分析

3.1 不同压力下两种磨料对蓝宝石CMP效果的影响

以质量分数为40%的SiO2作为磨料时,流量为70mL/min,温度为35℃;以质量分数为20%的Al2O3为磨料时,流量为60mL/min,温度为32℃。设置压力分别为2,3,4,5和6psi,pH值为12,转速为80r/min。蓝宝石去除速率曲线如图1所示。

图1 压力对去除速率的影响

图1反映出不同压力对蓝宝石去除速率的影响规律。从图1中可以得到蓝宝石在CMP过程中,去除速率随着压力的增大而增大,当压力增大到一定程度时,去除速率增长变缓。因为压力的增大会加大抛光布与蓝宝石晶片间的摩擦力,增加了磨料与晶片表面之间的碰撞频率,进而引起强大的系统机械作用;摩擦力加大的过程中系统内部温度升高,加快化学反应速率,从而引起系统化学作用的加强,所以去除速率增大。但是如果压力过大,导致抛光垫和晶片间空隙减少,流入抛光区的液体量就会减少,减弱了化学作用,最终去除速率也会减小。综上所述,并不是压力越大就能使抛光速率达到最佳状态。压力增加导致衬底材料与抛光布间的摩擦力加大,机械作用的加强使衬底表面极易出现划伤,因此压力过大也会使其表面出现缺陷;同时,摩擦生热导致衬底表面温度迅速上升,促进了化学反应的进行,如果反应过快,表面容易出现缺陷。经过实验得出,当压力为4psi时效果最好,所以确定实验最优压力为4psi。

图2(a)和(b)分别是在10μm×10μm范围内压力为4psi时,采用SiO2磨料和Al2O3磨料的蓝宝石CMP后表面状态原子力图。从图2可以看到,采用SiO2磨料对蓝宝石进行抛光后的表面粗糙度约为0.554nm,采用Al2O3磨料进行抛光后蓝宝石表面的粗糙度约为0.814nm。

图2 压力为4psi时SiO2磨料和Al2O3磨料的蓝宝石CMP后表面状态

(文章来自:蓝宝石应用)



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