（凝聚态物理专业论文）大直径铌酸锂晶片化学机械抛光研究.pdf

摘要 摘要 铌酸锂晶体由于其优良的铁电、压电、电光、非线性光学性能而用途广 泛。随着器件的发展，对材料的内在质量及加工要求也越来越高，传统铌酸锂 晶体的抛光主要是以金刚石研磨膏为磨料的机械抛光方法，这种抛光方法由于 磨料硬及分散不均匀等原因造成晶片抛光后存在大量的划伤、抛光雾等表面质 量问题，从而限制了铌酸锂晶体的应用。研究如何取得高质量的抛光表面是摆 在人们面前的重要课题。化学机械抛光方法在半导体行业发展迅速，并且可以 取得全局平面化。为此我们利用化学机械抛光方法对铌酸锂晶片抛光进行了研 究，并主要取得如下结果： 1 ) 对大直径铌酸锂晶片进行了有蜡粘接工艺实验，通过改变工艺参数，得 到了粘接均匀无气泡的3 英寸铌酸锂粘接晶片。 2 ) 建立了修正环型抛光系统中铌酸锂晶片化学机械抛光的基本模型。 3 ) 对铌酸锂晶片抛光的化学抛光液进行了研究。通过改变配方，制取了适 合于大直径铌酸锂晶片的抛光液。实验表明，抛光速率适中，效果较 好。 4 )优化了化学机械抛光系统的工艺参数，对3 英寸铌酸锂晶片进行了抛 光，并得到了平面面形误差小于4um ，表面粗糙度r a 为3 8 7 a 的抛光 片。 5 1 讨论了铌酸锂化学机械抛光的机理。铌酸锂晶片的抛光过程是以机械摩 擦为主( 物理过程) ，伴随着化学反应( 化学过程) 的发生，两个过程 共同作用于晶片表面，反应物质在摩擦力的作用及抛光液的输运下离开 晶片表面，从而达到抛光的目的。 关键词：铌酸锂晶片化学机械抛光 a b s t m c t a b s t r a c t d u et oi t sg o o dp r o p e r t i e s ，l i n b 0 3c r y s t a l i sm em o s tc o m m o i l l yu s e dm a t e r i a lf o r q s 谢t c h e sa 1 1 dp h a s em o d u l a t o r s ，w a v e g u i d es u b s t r a t e ，a n ds l l r f a c e a c o u s t i cw a v e ( s a w ) w a f e r s ，e t c w i mm ed e v e l o p m e n to fd e v i c e s ，h i 曲e r a i l dh j 曲e rq u a l i t y p o l i s h i n gs u r f a c ea r er e q u i r e d t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp o l i s l l i n gm e m o dc 咖o tm e e t t h e s ed e m a n d sa n dl i m i tt h ed e v e l o p m e n to fl i n b 0 3w a f e r h o wt op r o d u c eg o o d q u a l 时s u r f a c eb e c o m e sab a s i cp r o b l e mi nl i n b 0 3w a f e rp 0 1 i s h i n g m e a i l w h i l e c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s l l i n gm e t h o di sw i d e l yu s e di ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y b e c a u s ei tc a no b v i o u s l yi m p r o v ew a f e rn a t n e s s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m ep o l i s h i n g p r o c e s sa n dt h e o r yo f1 a r g ed i 锄e t e rl i l i l l i l ln i o b a t ew a f 色r sw a sr e s e a r c h e d t h eb r i e f r e s u l t sa r ed e s c r i b e da sf 0 1 1 0 w s ： 1 ) w er e s e a r c h e d 也eb o n d i n ge 脓c to 儿i n b 0 3w 疵r 谢t hv 撕o u sp a r a m e t e r s o nm eb o n d i n ge q u j p m e n ta n dg o t3i n c hw a f e ri i lu 1 1 i f o r n l i t y 谢血n oa i r b u b b l e 2 ) t h em o d e io f l i n b 0 3w a f e rp 0 1 i s h i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d 3 ) t h ep o l n gl i q u i d 啪sm a d ea c c o r d i n gt ot h ew 疵rp o l i s l l i n ge 恐c t 4 )t h ei n n u e n c e f a c t o r si nc h e m i c a lm e c h a l l i c a lp 0 1 i s h i n gp m c e s sw e r e d i s c u s s e da n do p t i m i z e d 3i n c hz c u tw a f e rw a sp o l i s h e d 谢mc h e m i c a l m e c h a l l i c a lp 0 1 i s h j n gm e m o d ，t l l er o u g h n e s sr ar e a c h e s3 8 7aa 1 1 dn a t n e s s l e s s t l l a n4u m 5 ) n l ep o l i s l l i n gm e c h a 工l i s mo fl i n b 0 3w 疵rw a sd i s c l l s s e d t h em e c h a l l i c a l a n dc h e m i c a lf u n c t i o nb o t l la c to np o l i s h i n gp m c e s s ，b u t 血em e c h a l l i c a l 劬c t i o ng i v ep r i o r i t yt om ew a f e rs u r f h c e k e y w o r d ：l i m i u mn i o b a t ew a f e r ：c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s l l i n g ；s i 0 2s o l i i 学位论文版权使用授权书 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名：多臼设 年明妇 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时年月日 间： 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 ：内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) ! ；秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 学位论文原创性声明 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导 下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发 表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：蝴 刮年j 1 叫日 第一章绪论 第一章引言 第一节研究背景及意义 1 1 1 铌酸锂晶体应用简介 铌酸锂晶体( l i n b 0 3 ) 由于其具有优良的铁电、压电、电光、非线性光学而用 途广泛。目前，已经在光波导基片、光通讯调制器、光隔离器、窄带滤波器等 方面获得了广泛的实际应用，并在光子海量存储器、光学集成等方面具有广阔 的应用前景，被公认为光电子时代的“光学硅”的主要侯选材料之一j 。其主要 应用如下h ： 1 ) 利用其压电性能，制造超声换能器、声表( 面波) 器件等，这些器件广泛用 于视频和微波信号处理。 2 ) 铌酸锂具有大的电光系数、宽的光透射范围( 从可见光到红外光) 以及优异 的热和化学稳定性，广泛用于制造电光调制器、电光偏转器、电光开关及集成 光学器件。 3 ) 作为光调制材料，其应用前景尤为可观。近年来由于晶体生长工艺的走 向成熟，铌酸锂在光通信产业中随着波分复用( w d m ) 技术的兴起而获得蓬勃发 展。l i n b 0 3 调制器作为光通信的分立器件，具有设计尺寸伸缩性强、成本相对 低廉等优势。 4 1 铌酸锂在光集成中适于制造空间开关、相位调制器、调幅器、色散补偿 器件、可调谐激光器、波长和选择光学加减器等，这些功能有利于实现程度更 高的集成，而用于全光学网络。在光集成中l i n b 0 3 的作用与电子电路中的硅颇 为相似，由此可见l i n b 0 3 未来的地位和前景。 此外，在相控阵雷达中利用l i n b 0 3 实现波束形成与控制，将大为减轻天线 系统的重量，以其为衬底制成的光纤陀螺等还有助于军械的现代化。 1 1 2 研究背景及意义 随着光学、微电子和激光技术的发展，在制造器件时，对其主要元件一晶 体表面的高精加工的要求的日益提高。晶片表面存在任何微小缺陷都会破坏晶 体材料表面性能，甚至导致结晶构造的变化，影响器件的工作精度和可靠性1 3j 。 第一章绪论 超光滑、平整、无微观缺陷的高精表面已成为关系这些高技术产品性能的重要 因素。因此在晶体、玻璃、陶瓷等介质上制备大尺寸高平整度、亚纳米级的超 光滑低损伤甚至无损伤表面巳成为现代精密加工技术领域的重点研究课题1 4 j 。 化学抛光的精度较高，产生的破坏深度较浅，但抛光速度很慢；机械抛光 速度快，但产生的破坏深度较深，容易产生机械损伤。为克服这两者的缺点， 吸收优点，人们提出了将化学作用和机械作用结合起来的抛光方法。1 9 9 1 年 i b m 首次将化学机械抛光技术成功应用到6 4 m bd r a m 的生产中【”。目前，化 学机械抛光技术( c m p ) 被公认为惟一能够实现全局平面化的技术1 6 j ，其应用范围 日益扩大。 铌酸锂晶片在经过切割、研磨、抛光，不可避免地留下表面损伤层，其深 度取决于所采用的加工工艺1 7j 。我国目前抛光铌酸锂晶片的主要方法是机械抛光 方法，即使用不同粒度的磨料微粒配制成抛光液在一定抛光介质上通过给定一 定压力长时间进行抛光，该种方法制备的抛光片一般都存在着严重的抛光雾、 划伤等问题。 因而研究新的方法一化学机械抛光方法抛光铌酸锂晶片，并制备大尺寸高平 整、损伤小甚至无损伤的晶体表面对于促进铌酸锂晶体产业化发展有着重要的意 义。 第二节铌酸锂加工性能、抛光方法及研究进展 1 2 1 铌酸锂加工性能 1 2 1 1 铌酸锂晶体的加工特性 铌酸锂晶体是属三方晶系，硬度为莫氏五级，它比一般光学玻璃硬而脆， 有强烈的各向异性：a 轴方向线热膨胀系数( 1 6 7 + 1 0 6 ) 与c 轴方向线热膨胀系数 ( 2 0 + 1 0 石) 相差8 倍之多【l 】。这就揭示了铌酸锂晶体的加工热膨胀性较差，特别是 局部的骤冷骡热最易使晶体破裂。铌酸锂晶体由于硬、脆、热膨胀性差等特 性，加工相对困难。 1 2 1 2 铌酸锂晶片加工工艺流程 铌酸锂晶体在使用前，需要按器件使用要求，将晶体制作成一定形状及表 面要求的块状或片状。图1 1 为大直径铌酸锂晶片加工的流程图。 第一章绪论 涮。一爹 单晶棒卜滚圆卜切割卜 研磨卜 抛光卜 清洗 +包装 图1 1 铌酸锂晶片加工流程图 1 2 2 铌酸锂晶片抛光方法及研究进展 1 2 2 1 铌酸锂抛光方法介绍 目前，铌酸锂晶体的抛光方法主要有以下几种： 1 1 沥青抛光方法 在铝板或钢板上用沥青、松香制成抛光胶盘，然后用钻石微粉或氧化铈等 磨料对铌酸锂进行抛光，该方法称为沥青抛光，一般用于抛光铌酸锂晶块和晶 条及异型铌酸锂晶片。具有方法灵活，可以一次抛光多块及适时修整面型等优 点。抛光晶片表面光洁度高、平行度好。缺点是沥青盘对表面温度敏感会产生 形变，应经常进行盘面修整。 2 1 机械抛光方法 使用抛光膏的精细磨料在抛光垫上对晶片进行抛光，除去晶片表面的细微 不平，达到降低表面粗糙度的目的。抛光膏主要由磨料和油脂组成。该方法对 铌酸锂晶片具有抛光快的优点，但抛光过程中很难避免划伤。 3 1 化学机械抛光方法 使用含有化学成分的抛光液在一定机械作用下对晶片进行抛光的方法。该 方法适宜于制作大直径高质量的铌酸锂抛光片，缺点是抛光速度慢，对抛光设 备精度及环境要求高。 1 2 2 2 铌酸锂抛光研究进展 目前，国内外针对铌酸锂晶片的加工特性及其超光滑表面加工技术的研究 报道较少。姚瑞明【踟采用机械抛光方法研究了，用w 1 和w 3 5 金刚石研磨膏抛 光铌酸锂，发现同等条件下用w 1 抛光的晶片表面光亮，用w 3 5 抛光晶片表面 较粗，呈现较多的波纹。并用不同型号的抛光布对铌酸锂晶片进行了抛光，发 套懑爹 第一章绪论 现d f 型号抛光布抛光表面光亮，用膏量少，而d m 型号抛光布抛光的晶片波纹 明显，f 2 型号抛光布抛光晶片表面发暗，f 1 n 型号抛光布表面有“雾状”。 化学机械抛光方法由于其优越的性能及在半导体行业取得的成就，而逐渐进 入了铌酸锂加工行业研究人员的视野中。邢彤一j 用化学机械抛光方法抛光了铌酸 锂晶片，其中实验条件为：室温2 0 ，流量为2 0 0 m l m i n ，抛光盘转速为 1 0 0 r m i n ，压力为6 5 k p a 。先用o 3um 的s i 0 2 抛光液抛光2 1 0 分钟然后用0 0 2 5 um 的s i 0 2 抛光液抛光获得了超光滑表面，抛光后的表面轮廓曲线如图1 _ 2 。 葡盈 圈】2l n 晶片抛光后的表面轮廓曲线 随着铌酸锂晶体在声表面滤波器、 大直径高平整度、低损伤甚至无损伤、 波导基片中的广泛应用，要求晶片具有 表面超光滑等。因此如何针对铌酸锂晶 体的特性，使用新的方法来达到器件对材料表面的要求，是摆在铌酸锂加工行 业研究人员面前的一个重要课题。 第三节论文的主要工作 本文主要研究了大直径铌酸锂晶片的化学机械抛光，主要内容有以下几方 面： 第一章为引言部分，介绍了铌酸锂晶体的应用、研究背景、意义以及铌酸 锂晶体加工性能、主要抛光方法和研究进展。 第二章介绍了化学机械抛光的系统、工艺参数、去除机理代表模型。结合 铌酸锂抛光的实际，指出抛光过程中应合理控制参数使v 。i m = o ，即v p = v n 。 要使机械去除速度与化学去除速度相匹配，才能取得高质量的抛光表面。 4 第一章绪论 第三章研究了大直径铌酸锂晶片有蜡粘接工艺，并得到了粘接均匀、无气 泡的3 英寸粘接片；建立了修正环型抛光系统中铌酸锂晶片化学机械抛光的基 本模型；对铌酸锂化学机械方法用抛光液配制进行了实验，并对抛光液进行了 改进；对影响大直径、高平整度铌酸锂晶片化学机械抛光效果因素分析，优化 了工艺参数，对大直径铌酸锂晶片进行抛光实验，得到了平面面形误差小于 4 u i i l ，表面粗糙度r a 为3 8 7 a 的抛光片。最后讨论了铌酸锂化学机械抛光的机 理。 第四章对全文进行了总结，并展望了化学机械抛光方法抛光铌酸锂晶体的 应用前景。 第二章化学机械抛光技术及理论 第二章化学机械抛光技术及理论 第一节化学机械抛光技术简介 c m p 技术就是使用化学和机械方法使被抛光片表面达到要求的平整度和粗 糙度，典型抛光装置如图2 1 所示。 图2 1 典型化学机械抛光装置 平台在电机的带动下以角速率u p 转动，抛光垫粘在平台上，被抛光片通 过载膜附着在载盘上，载盘在卡盘的带动下，以角速率uc 转动。同时，机械 压力通过卡盘，载膜和载盘将被抛光片压在浸满抛光液的抛光布上，在抛光垫 的卡盘、载盘和被抛光片转动的作用下，被输送到抛光上垫的抛光液均匀的分 布到抛光垫上，在被抛光片和载盘之间形成一层液体薄膜，这层膜起质量传输 和传递压力的作用，抛光液中的化学成分与被抛光片发生化学反应，将不溶物 质转化为易溶物质( 化学反应过程) ，然后通过机械摩擦将这些易溶物从被抛 光片表面去掉，被流动的液体带走( 机械过程) ，这两个过程的结合就可以实 现化学机械抛光，用这种方法可以真正使被抛光片表面实现全局平面化i l 。 第二节c m p 系统工艺参数 如何定量确定最佳c m p 工艺，系统的研究c m p 工艺过程参数，建立完善 的c m p 理论模型，满足生产对c m p 工艺的不同需求，是研究c m p 技术的重 大课题【l l 】。人们对这项技术进行了很多研究。c m p 系统的输入和输出变量( 工 第二章化学机械抛光技术及理论 艺参数) 见表2 1 。如何将这些参数优化，是研究人员和工艺操作者不断探索 的内容。 表2 1c m p 系统的输入和输出变量( 工艺参数) 输出变量 抛光( 或去除) 速率 抛光均匀性 表面质量 表面粗糙度 表面损伤 表面化学性能 输入变量 晶片 物理和化学性能 表面形貌 尺寸 抛光液 p h 值 氧化或还原剂：类型或浓度 分散稳定剂：类型或浓度 磨料：类型、尺寸或浓度 抛光液的流量t 晶片下的传输 抛光垫 结构和厚度 孔的尺寸 压缩性 弹性和剪切模量 硬度 厚度 老化期 压力 温度 抛光液流速 抛光盘转速 抛光环境 2 2 1 输出参数 1 1 去除率 去除率是指单位抛光时间所去除的晶片厚度。 2 ) 抛光均匀性 第二章化学机械抛光技术及理论 抛光均匀性一般是用来描述晶片表面平整度的结果，由t t v 、b o w 等参 数来衡量。 3 ) 表面质量 表面粗糙度：用来衡量抛光后的晶片表面光滑程度，其主要参数是轮廓算 术平均偏差r a 。在c m p 过程中，适当的平衡化学和机械因素，可以降低粗糙 度，获得较高的面形精度，以此来保证表面质量。 表面损伤： 在c m 过程中，常出现的宏观缺陷有 降低元器件的稳定性。h f h a d 砌o v s k y 1 2 】 等将晶片损伤分为五部分：凸凹层、裂纹 层、过渡层、应力层，见图2 2 。检测表面 损伤层的方法主要有：腐蚀法，电子显微 镜观察法【1 3 l ，x 射线衍射仪法【1 4 】、背散射 法1 15 】等。但这些方法存在检验周期长、仪 器昂贵等特点，在生产过程中一般只检验 划痕和麻坑。美国军工晶片检测标准m i l o 1 3 8 3 0 a ( 表2 2 ) 则是衡量晶片抛光后 这两项指标的常用参考依据。 砂道、划痕、蚀坑，这些缺陷会 i ：腑q m e ” = 丘t 婚f2 帆。 图2 2 晶片损伤层模型 表2 2 美国军工晶片检测标准m i l o 一1 3 8 3 0 a s c r a t h #m a x w i d t h d j 酣 m a xd i a i i l e t e r ( i nm i c m n s )( i nm i c r o n s ) 1 0155 0 2 021 01 0 0 4 042 02 0 0 6 064 04 0 0 2 2 2 输入参数 1 ) 晶片性能包括晶片材质，组成及其抛光前平整及光滑状态等。 2 1 抛光液 抛光液是影响c m p 质量的决定性因素。它既影响c m p 化学作用过程，又 影响到机械作用过程。抛光液的化学成分，p h 值调整等，影响晶片表面的带电 类型和电荷量，决定表面的化学反应过程，抛光液中的磨料，在压力作用下与 表面摩擦，影响着反应产物的去除速率。 廿c “ 黜 卷 匕l，l_-l e乎口。磬lo=|毒 第二章化学机械抛光技术及理论 抛光液的化学成分 抛光液的化学成分从根本上影响了化学作用，按p h 值分类，主要有两类 浆料：酸性浆料和碱性浆料。化学机械抛光过程一般是由抛光液与被抛光晶片 发生化学反应并形成新的表面，伴随着新表面的形成、分解、摩擦去除，再形 成、再分解、再摩擦去除的不断循环，最终形成抛光表面。抛光片新表面膜的 形成，分解要在一定的p h 值范围内进行，同时抛光液中胶体的稳定度、抛光 布的耐受、平台和抛光布的贴粘等都受到p h 值的影响，故抛光时抛光液需选 择合适的p h 值。p h 调节剂有无机碱、有机碱等。稳定分散剂的作用是保证浆 料中的磨料不发生絮凝和沉降现象，并使磨料的粘度尽可能低，具有良好的流 动性和抛光垫适应性，提高微粒与浆料的混合性，以达到提高表面效果。分散 剂一般为p v p 。 抛光液的磨料 磨料按硬度可分为硬磨料和软磨料两类，选择时主要考虑与晶片材料作用 的化学活性。c m p 的机械作用是由抛光液中的磨粒提供的，不同磨粒尺寸和浓 度的抛光液对机械研磨作用具有不同的影响，磨粒尺寸及尺寸的分布状况会影 响去除速度及表面损伤。 化学物质的浓度抛光速率决定于反应物和产物的浓度。 粘度 粘度影响流动性，从而影响反应物和产物在被抛光片表面的传输以及抛光 布和被抛光片表面的润滑。 3 ) 抛光垫 抛光垫上布满了许多微孔，这些微孔有利于抛光液和反应生成物的输送。 微孔尺寸越大，越有利于输送，但尺寸太大则会影响抛光垫的机械性能。抛光 垫的压缩系数会影响到抛光垫与晶面的贴合程度。就平整加工而言，应该保持 接触良好，否则不能得到很好的面形精度。因此，压缩系数小比较令人满意。 抛光垫的弹性模量与剪切模量决定了抛光垫在抛光时，在载荷与旋转应力的作 用下的机械稳定性和韧性。通过对c m p 过程的实验发现，抛光垫的弹性对于 决定平整效果及特征尺寸有着非常重要的意义。较硬的抛光垫能获得较好的平 面度，较软的抛光垫则可获得缺陷较少的表面，为获得抛光质量，可组合使用 软、硬垫【l “。抛光垫在抛光液中必须具备化学稳定性，抛光垫不能与抛光液、 清洗液或抛光膜发生反应。 第二章化学机械抛光技术及理论 抛光垫使用后会逐渐“釉化”【”】，使去除速度下降，用修整的方法可以恢 复抛光垫的粗糙面，改善其容纳浆料的能力，从而使去除速度得到维持且延长 抛光垫的寿命。图2 3 示出了未修整过的抛光垫和修整后的抛光垫的表面情 况。 一袖 鍪圉蒺 莲一哪 挪毫：竺竺：! 吐：翌竺丑：= = 登：= ：= l 哪 ( a ) 抛2 分钟之后未修整的抛光垫表面 ( b ) 修整后的抛光垫表面 图2 - 3i c l 0 0 0 抛光垫的表面轮廓曲线” 抛光垫主要类型介绍： a 、聚氨酯抛光垫 这种抛光垫的主要成分是发泡体固化的聚氨酯，其表面有许多空球体微孔 封闭单元结构。这些微孔能起到收集加工去除物、传送抛光液以及保证化学腐 蚀等作用，有利于提高抛光均匀性和抛光效率。孔尺寸越大其运输能力越强， 但孔径过大时会影响抛光垫的密度和刚度。在此类抛光垫中，应用最广的是美 国r o d e l 公司的i c1 0 0 0 型抛光垫，图2 4 ( a ) 为该型号抛光垫的s e m 照片。但 由于这种聚氨酯抛光垫具有发泡结构，所以抛光液不能渗透到抛光垫内部，只 存在工件与抛光垫的间隙中，抛光液无法渗透到抛光垫的内部，影响抛光后的 残渣或抛光副产物的及时排除，容易阻塞抛光垫表层中的微孔。因此一般在抛 光垫表面要做一些沟槽，以利于抛光残渣的排除。这种抛光垫具有耐磨性好、 抛光效率高、形变小的特点。 b 、无纺布抛光垫 它的原材料为聚合物棉絮类纤维，在此类抛光垫中，应用最广的是美国 r o d e l 公司的s u b a 抛光垫，图2 4 ( b ) 为该型号抛光垫的s e m 照片。此类抛 光垫渗水性好，抛光液能渗透到抛光垫内部，容纳抛光液的效果好。抛光垫微 观组织对抛光垫性能产生重要影响，采用不同的制作工艺，可获具有不同微观 组织结构的抛光垫。 o 第章化学机械抛光技术及理论 ( a ) l c l 0 0 0 抛巍垫( b ) s u b a 擞毙垫 ( c ) p o l i 秘x 抛竞垫 圈2 4 抛光热s e m l ；i 片 c 、带绒毛绣梅的无纺布抛光垫 这种搪光垫以上述无纺布为基体，中阉层为聚合物，表面层为多琵雏绒 雹结构，在此炭抛光垫中，应用最广的是荧国r 0 d e l 公司的p 0 1 i t e x 抛光垫，图 24 ( c ) 为该型号抛光垫的s e m 照片。当抛光垫受到压力时抛光液会进入到空洞 孛，酉在压力释教辩会像复到凝寒匏形状，壤l b 鲍抛光渡襄反应鐾摊蹬，并 充新的抛光液，绒毛的长短和均匀性影响抛光效果。带绒毛结构的凭纺布抛光 垫硬度小、压缩比大、弹性好。 d 、两层复合体抛光垫 较质据光垫可获得腑工变质层和表西糖糙度都稷，j 、韵撵光表露，筐抛光垫 硬度过小时，难以实现高效的平坦化加工。另外，抛光垫的硬度过商时，虽然 可以获得很高的抛光效率，但 极王过程中容荔损经晶冀袭 而。为了兼顾平坦度和均匀性 要求，可采用“上硬下软”的 土下两层复台结构酶抛光垫。 翻2 5 所示的i c l 0 ， s u b ai v 抛光垫为这种复合 结构的抛光垫，上层采剧较硬 蟾l cl o e o 弦光垫，承受c m p 过程中的机械、化学作用，从 而可提高材料去除率且 圈2 5j c l 0 0 0 ，s u b al v 抛光垫 第二章化学机械抛光技术及理论 获得较好的平面度，底层选用较软的s u b ai v 抛光垫，能改善整个抛光垫的可 压缩性，有利于抛光垫的表面与工件均匀接触，保证晶片表面材料去除均匀。 中间有一层粘性的胶体，可以增加粘性特征，在抛光过程中起到缓解作用。i c l o o o s u b a i v 的组合垫，兼顾了平坦度与均匀度的效果。 4 ) 温度 温度变化主要会影响到反应速度，但是，如果加工表面温度发生急剧变 化，同样也会影响到晶片的机械性能。一般说来，材料的去除率与抛光速度、 抛光压力、抛光温度成正比。抛光相对速度越高、压力越大、温度越高，材料 去除率就越高。抛光过程中应注意控制温度，温度太高，会导致表面晶片质量 恶化。 5 1 压力影响 抛光压力是抛光工艺中的一个非常重要的参数。一般而言压力越大，抛光 速率越大。但实验表明，高压抛光是产生表面划伤等缺陷的主要来源，所以抛 光中选用合理的抛光压力是很关键的。压力主要的作用是影响液流层分布。 c m p 液流层模型有三种形式【1 9 】：滑动接触、半接触、直接接触，如图2 6 。 图2 6 液流层分布模型 v v v 当压力过大时，晶片表面和抛光垫直接接触，两者之间几乎没有抛光液， 摩擦力很大，机械作用强，化学作用很弱，容易使晶片发生翘曲，局部过抛， 晶片表面损伤层加大。半接触中，抛光液在中间有效的起到了润滑作用，既能 有效的提供反应物及将反应产物脱离表面，又能将压力有效作用在表面上，这 种接触是最好的抛光模型，既能取得好的平面化又能获得高的抛光速率。滑动 三一 第二章化学机械抛光技术及理论 接触中，由于液流层较厚表面上的摩擦力相对较小，虽然可以获得好的表面质 量，但是抛光速率较小、效率低。 6 ) 抛光液流量影响 抛光液流量影响转移到抛光垫上的新的化学物质和磨料以及反应产物和用 过的磨料从抛光垫表面去除的快慢，流量也影响系统的润滑性质。抛光液流量 太小，将改变液流层模型，从而产生不同的抛光模型。抛光液是有效的润滑 剂，可以将反应产物传输到晶片表面，将反应产物脱离表面，它的流量大小将 直接影响到化学反应和机械去除过程，最终影响到抛光速率的大小。抛光液流 量低时，机械作用为主，摩擦作用较大，温升较快。此时，化学反应速率相对 于机械去除速率较慢，抛光速率较快，晶片表面完美性较差。抛光液流量增 加，化学作用增强，反应产物得到有效去除，抛光速率较高，晶片表面质量较 好。 7 ) 抛光盘转度和晶片转度 抛光盘速度是指抛光盘与晶片的相对平均速度。它会影响晶片问反应物和 化学产物的进入和离开。一般机械去除率与抛光盘速度成正比。 8 ) 抛光环境 超精密抛光对环境的要求主要是恒温恒湿、防振隔振、防噪声和防粉尘 等。因为粉尘的粒径是抛光粉的数十倍甚至更大，而且人的动作会产生较大的 粉尘量，见表2 3f 2 0 j 。这些粉尘足以使晶片表面产生划痕，迸而使成品率和可 靠性降低，因此超精密抛光对环境洁净度要求较高。 表2 3 人的动作所产生的粉尘 人的动作产生直径大于o - 3pm 的粉尘数，个每分钟 静坐或静止站立 1 0 0 0 0 0 坐着( 头、腕、手指轻动) 5 0 0 0 0 0 坐着( 身体、脚轻摆动) 1 0 0 0 0 0 0 从静止到起立2 5 0 0 0 0 0 步行( 速度1 m ，s ) 5 0 0 0 0 0 0 步行( 速度1 5 m ，s ) 7 5 0 0 0 0 0 快速步行 1 0 0 0 0 0 0 0 上楼梯 1 0 0 0 0 0 0 0 做体操1 5 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 综合以上，我们可知，c m p 抛光工艺参数的合理化非常重要。研究表明 当机械和化学浸蚀同时作用晶片表面时存在如下关系式川： 一_-_-。-i-i-_-r-rh”-_rnk 第二章化学机械抛光技术及理论 v 。= v 。( 1 - v p v n ) ( 2 1 ) 其中v 。为抛光的切向速度，而v p 和v n 为机械抛光和浸蚀的法向速度。 v 。为有效切向的一级近似。为了得到较理想的加工表面，应使v 。自n = 0 ，即 v p = v n 。如v p v n 则机械抛光占主导作用，通常晶片中心会凹陷，如图 2 7 ( a ) ；如v p v n 则化学抛光占主导作用，晶片表面会产生浸蚀抗，表面粗糙 度会变大，如图2 7 ( b ) ；当压力给定不均匀，抛光表面起伏不平，会出现图 2 7 ( c ) 的情况。因此如何在实际工作中控制v p 与v n 的关系尤为重要。 图2 7 为铌酸锂晶片在化学机械抛光过程中的不同表面状态。 ( c ) 晶片表面起伏不平 图27 铌酸锂晶片抛光表面状态 第二章化学机械抛光技术及理论 第三节化学机械抛光去除速率机理 到目前为止，对于晶体光学表面抛光机理，还未形成一个完整统一的理 论。然而，主要存在以下几种学说，第一，纯机械作用说。此理论认为，抛光 和研磨在本质上相同。第二，流变作用说。在抛光时，由于摩擦热使加工表面 产生塑性变形和流动或热软化，以致熔融而产生流动，因此该理论认为抛光过 程是加工表面分子重新流动而形成平整表面的过程。第三，机械、物理化学 说。此理论认为抛光过程是一个包含机械的、化学的和物理化学作用的综合过 程。第四，化学学说。这一理论认为，抛光过程主要是水、抛光剂、抛光模和 抛光面之间的化学作用的过程。 2 3 1c m p 化学反应机理【2 2 】 cmp 的化学反应式可用下式表示为： o c 煞+ 风与应+ ，国 r 7 ，、 式中m 代表晶片表面未被氧化的物质( 如s i 、s i 0 2 、互连金属、介电质 等) ；r 代表氧化剂、l 代表化学反应在晶片表面形成的氧化反应物层( 未被 磨粒磨除) ；d 代表副产物( 气体、液体或溶于抛光液) ；a 、b 、n 、m 为 系数( 摩尔数) ；k 。为速率参数，其大小由氧化剂的化学性质决定。 2 3 2c m p 去除速率主要模型介绍 1 ) 纯机械作用模型 这种模型认为抛光过程完全是机械作用，作用载荷主要由固一固接触的抛 光垫、晶片和磨粒所承受，材料去除是通过磨粒在晶片表面的滑擦作用。 早在2 0 世纪2 0 年代，p r e s t o n 通过对光学玻璃的抛光，提出了第一个基于 c m p 过程结果的唯象学模型，并用p r e s t o n 方程【2 3 】来表示。 r = k p p v ( 2 3 ) 其中：k p 是与抛光垫材料等有关的常数；p 是压力；v 是工件任一点与抛 光垫问的相对线速度。该方程表明没有考虑因工件形状不同导致的去除率变化 以及化学作用。 第二章化学机械抛光技术及理论 t s e n g 等人考虑磨粒硬度和工件硬度的影响，对p r e s t o n 方程作了修正 2 4 】： r ：c ( i 珊一l ，h ，) p v ( 2 4 ) 其中：c 是常数；h p 和h w 分别是磨粒和工件硬度。 j s e o k 等人从g w 应力模型出发，给出了单颗磨粒单位时间的去除率方 程【2 5 】： 异= 誓厨 q 5 其中：v p 为磨料与抛光垫间的相对速度；d 为磨料直径；p 为磨料所受载 荷，h w 为工件硬度。 并用统计的方法得出了了总体平均去除率方程： 旯= f 孥、i 静沁棚出 b s ) 其中：h 为微凸起顶部与工件间的距离；h p 为最大凸起高度； 为所有磨 料对去除率的平均权重；pw 为工件材料密度；aa 为一个微凸起部分与工件 的的实际接触面积；k 为应力集中因素：f a 微凸起部分顶部的接触力。 2 ) 流体膜作用模型 这种模型认为抛光液的腐蚀是主要磨损机理。晶片和抛光垫非直接接触， 作用载荷由晶片和抛光垫之间的抛光液所承受，材料去除是由抛光液薄膜在表 片表面产生的表面应力和抛光液的自然刻蚀形成的。 j m c g r a t h 等人考虑流体膜的应力，给出了材料去除率的指数方程【2 6 】： r = 口p 舾 其中：a 为零应力时的材料去除率 常数。o 为流体膜应力。 ( 2 7 ) 可表示为a k p p v ；b 是与材料有关的 3 1 物理化学作用模型 z h a o 等人认为化学反应使加工材料分子( 原子) 间的强结合键变成弱键， 从而以原子级水平去除材料口7 1 。基于弹塑性接触理论、化学动力学和分子动力 学原理给出了如下材料去除率方程： 尺= 而芍严 ( 2 8 ) r，-rri， 第二章化学机械抛光技术及理论 其中：d m 为表面分子的平均直径；v 为抛光垫与工件的相对速度：d 为磨 料与工件的平均接触直径；a t 为抛光垫与工件的真实接触面积；p 为t 时间 内表面分子发生化学反应的概率；x 为抛光液磨料的体积密度；y 为t 时间内 反应生成物被磨料去除的概率；d 为磨料的平均直径。 该模型假设磨料是球形的，揭示了化学机械抛光过程的一些特性。材料去 除率与抛光液中磨料的浓度有关，受施加载荷和速度的影响较大，受工件表面 硬度和磨料颗粒大小的影响最大。由于真实接触面积、分子键能量难以精确确 定，因此该模型的精度不高。 虽然研究者建立了各种理论分析模型，对于指导化学机械抛光过程的定性 分析和选择工艺参数有一定的指导意义，但化学机械抛光是一个复杂的化学机 械过程，机理还没有被充分认识。对于不同的材料，其抛光机理也不完全一 样。 第四节小结 本章介绍了化学机械抛光的装置、工艺参数及材料去除机理，主要有： 1 1 介绍了化学机械抛光技术及装置。化学机械抛光技术是化学作用与机械作 用共同作用于抛光表面，与单纯机械抛光方法或化学抛光方法相比，有着 独特的优势，可以实现抛光表面全局平面化。 2 ) 介绍了化学机械抛光过程中的变量( 工艺参数) ，并分析了各变量的作 用，为用该方法抛光铌酸锂晶片提供理论指导基础。 3 1 介绍了晶体材料去除机理代表模型，指出各模型的优缺点。 4 ) 结合铌酸锂晶体抛光的实际，指出抛光中应控制参数使v 。m = 0 ，即v p = v n 。要使机械去除速度与化学去除速度相匹配，才能取得高质量的抛光表 面。 ilrillllr-一ljr0o可，l 第三章铌酸锂晶片化学机械抛光 第三章铌酸锂晶片化学机械抛光 第一节实验设备及配件介绍 3 1 1 实验所用设备 1 ) l o g i t e c hp m 5 型超精密抛光机 p m 5 型抛光机是l o g i t e c h 公司所产一款超精密抛光机，如图3 1 。该设备 具备自动喂料、摆臂、适时修整盘面等功能，是抛光高精度晶片的理想设备。 图3 1l o g i t e c hp m 5 型超精密抛光机 2 ) l o g i t e c hw s b 2 粘片机 w s b 2 型粘片机的工作原理是在晶片上方给定正压，晶片室内抽真空，通过 加热蜡层，逐渐排出气泡，从而实现均匀粘接的目的。设备外形图如图3 2 。 图3 2l 0 2 i t e c hw s b 2 犁粘片机 1 8 第三章铌酸锂晶片化学机械抛光 3 1 2 配件 配件：l o g i t e c hp p 5 精密夹具，见图3 3 。 p p 5 精密夹具的工作原理如图3 4 ，该夹具上带有厚度测量表，其最小分 度为2um ，而且夹具还可以实现适时修整抛光盘的作用。 p 鹅p r e c i s o np o k s l 佃gj i g 图3 3l o g j t e c hp p 5 精密夹具图3 4p p 5 精密夹具原理示意图 第二节模型建立 3 2 1 晶片抛光运动轨迹建模 图3 5 抛光盘与晶片运动轨迹示意图 第三章铌酸锂晶片化学机械抛光 图3 5 中：r c 一抛光盘半径 r w _ 一晶片半径e 一中心距o c _ 一抛光盘中心 0 。一晶片中心m 、v 一晶片旋转角速度uc 一抛光盘旋转角速度 以p 点在基准平面的抛光轨迹形态，作为晶片抛光均匀度的指标。则轨迹 方程式为： 石j i = c o s ( 。f ) f + s i n ( 。f ) ， 硒= “ 石= g + c o s ( 哆f ) ” s i n ( q f ) 】 i 石习= f e + 忡s ( 叫) 2 “s i l l ( 啄) 2 ( 3 1 ) ( 3 _ 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 运动轨迹方程分析： 1 1 若假定夹具固定不摆动，晶片不自转，即e 为定值，u w = o ，轨迹方程 式为： x ( t ) 2 + y ( t ) 2 = 【e + ic o s ( 。t t ) 】2+ r cs i n ( 刃。t ) 2( 3 5 ) 此时p 点在晶片上的轨迹为固定直径的圆，因此在晶片上会重复走过同一 地方，由于各点速度不同，会导致边缘抛光太快，而出现晶片抛光平行度变 差。 2 ) 若假定夹具带动晶片进行摆动，晶片不自转，即r v e ( t ) r 。，即e 也是 与时间有关系的参数，则此时p 点在晶片上的轨迹为变直径的圆： x ( t ) 2 + y ( t ) 2 ： e ( t ) + r cc 。s ( 吼t ) 2 + r cs i n ( 毋。t ) 2 ( 3 _ 6 ) 该运动方式可以改变u w 和摆动速度v ，使p 点不再重复走过晶片，使抛 光相对均匀。 3 ) 若假定夹具带动晶片进行摆动，晶片自转，以任一点p 在包含晶片加工 面的基准平面的轨迹为： x ( t ) = e ( t ) + r cc o s ( z t ) 2 + 【r cs i n ( t ) 2 c o s 刃o ( 3 7 ) y ( t ) = 【e ( t ) + r cc o s ( 刃。t ) 】2 + r cs i n ( 万。t ) 】2 酊。 此时运动形式更为复杂。可以看出，影响工件盘上任一点抛光轨迹的主要 因素有三个：o w p ，e ，。u 。合理选择参数将有效改善工件抛光质量。 2 0 第三章铌酸锂晶片化学机械抛光 通过实验，我们发现抛光平7 6 m m 晶片时，利用l o g i t e c hp m 5 型超精密抛 光机的摆臂功能，摆臂幅度参数设置为1 1 1 1 1 e r2 0 ，0 u t e r8 0 ，s p e e d9 0 ，可 以使晶片抛光表面去除更加均匀。 3 2 2 晶片抛光去除速度建模 我们假设铌酸锂晶片化学机械抛光过程中，碱性条件下在氧化剂的作用下 反应方程式为： 口l i n b 0 3 + 0 h + y 【0 】氧化剂与m l i + + n m 】k + x h 2 0 ( 3 8 ) 其中【m k 为n b 在溶液中的离子形式。 因此化学去除速率( 即反应速率) 方程可用下式表达： c 瑚= “l i n b 0 3 】。【o h 。 卢 o h 化剂 f 3 9 1 “l n 妯o ，】。可用常数t 来代替，有： c d 尺= o h 。r o 化剂 ( 3 1 0 ) 其中k7 2 k o e x p 卜e 。依t 】 ，e 。是活化能，k 是玻尔兹曼常数。 因此，( ：d 曰= k o e x p e a d k t 】 o h 一】卢【o 7 氧化荆( 3 11 ) 将e 。用常数a 来代替，有： c d r = k 0 e x p 【a t oh 卢 o h 化剂 f 3 1 2 、 另外，我们已知机械去除速率表达式： 彻r 2 巧n ( 3 1 3 ) 埘d r l 缸 百2 印。j 石 斗一= 印考血 _ m d r a = k p l 缸 斗y = 蜘厶 f 3 1 4