（机械制造及其自动化专业论文）光电子材料钽酸锂晶片化学机械抛光过程研究.pdf

摘要 钽酸锂是近年来随着通讯、信息产业迅速发展而开发并产业化的新型光电子 材料。它具有机电耦合系数大、低损耗、高温稳定性、高频性能好等优良的压电、 电光和热电性能。目前，钽酸锂晶片的超精密加工技术的研究还很欠缺，实际生 产中通常采用化学机械抛光技术进行加工。本论文通过对钽酸锂晶片的化学机械 抛光过程的实验研究和抛光运动轨迹的理论分析，研究钽酸锂晶片的抛光加工特 性，探讨钽酸锂晶片化学机械抛光机理，系统分析主要工艺参数对化学机械抛光 过程的影响规律。 1 采用化学腐蚀实验方法研究抛光液中氧化剂种类和浓度以及抛光液p h 值 对钽酸锂晶片化学去除的影响。寻找有效的氧化剂及其合适的浓度，确定合理的 稳定剂及抛光液的适当p h 值。次氯酸钠和过氧化氢是钽酸锂晶片化学机械抛光液 中有效的氧化剂，无机碱氢氧化钾是有效的稳定剂，p h 值为1 0 适合于钽酸锂晶 片化学机械抛光。 2 通过单颗粒金刚石压入钽酸锂晶片光滑表面的划痕实验，研究钽酸锂晶片 的机械力学性能和断裂破坏情况，寻找合理的抛光压力。适合钽酸锂晶片化学机 械抛光的抛光压力为7 2 5 k p a 。 3 理论分析抛光运动的规律并进行抛光轨迹计算机仿真，探求抛光表面形成 机理，发现合适的抛光转速和抛光运动参数。适合钽酸锂晶片化学机械抛光的抛 光盘转速为n p = 6 0 r p m ，工件盘中心到抛光盘中心的距离为e = 1 0 0 m m 。 4 通过对钽酸锂晶片的化学机械抛光过程的实验研究，通过测量钽酸锂晶片 在不同抛光条件下的表面粗糙度和材料去除率，详细分析了抛光垫材料和状态、 抛光压力、抛光盘转速、磨料种类及粒度、抛光液组成等几个因素对抛光表面质 量和材料去除率的影响规律。 关键词：钽酸锂单晶片；超精密抛光；化学机械抛光；运动建模与仿真 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t a n t a l u ml i t h i u m ( l i t a 0 3 ) ，an o v e l s i n g l ec r y s t a lm a t e r i a l ，d e v e l o p e d a n d i n d u s t r i a l i z e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ni n d u s t r i e s r e c e n t l y ，o w n st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u c ha sh i g hm e c h a n i c a l - e l e c t r i c a lc o u p l i n g c o e f f i c i e n t ，l o w e rw e a r - r e s i s t a n c e ，e x c e l l e n th i g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，e x c e l l e n t l l i g h f r e q u e n c yc a p a b i l i t y ，e t c h o w e v e r ，r e s e a r o b e so nt a n t a l u ml i t h i u ms i n g l ec r y s t a l w a f e ra r o u n dw o r l da l es t i l ll a c k i n g l i t a 0 3w a f e r sa r em a c h i n e d u s u s l l yb yc h e m i c a l m e c h n i c a lp o l i s h i n gi ni n d u s t r y b a s e do nt h ei n v e s t i g a f i o no ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t y o ft a n t a l u ml i t h i u mc r y s t a lw a f e ra n dt h e o r ya n a l y s i so fp o l i s h i n gm o v e m e n tt r a c k s ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e si t sm e c h a n i s mo fc m p ，p r e s e n t si t s p o l i s h i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n d a n a l y z e s t h ee f f e c t so f p o l i s h i n g c o n d i t i o np a r a m e t e r s u p o n c m p t of i n do u tt h ee f f e c t i v es l u r r yw i t hs u i t a b l et y p eo fo x i d i z e ra n dc o n c e n t r a t i o n ， c h e m i c a le t c h i n ge x p e r i m e n tw a sa p p l i e dt ot h eij t a 0 3w a f e r t h ec h e m i c a le t c h i n g e f f e c t sw e r ea n a l y s e d b ym e a s u r i n ge t c h i n gr a t ea n dx - r a ys p e c t r u m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tf o rl i t a 0 3t h eo x i d i z e r sa mn a c i oa n dh 2 0 2 t h es t a b i l i z a t o ri s k o ha n dt h em o s ts u i t a b l ep hv a l u ei s1 0 t h e s c r a t c h i n gt e s tw a s c a r r i e do u tw i t ha s i n g l ed i a m o n d t o o lt os t u d yt h er e m o v a l m e c h a n i s mo fl i t a 0 3w a f e r b yl o a d t h ea es i g n a l s w e r em e a s u r e d ，a n dt h es c r a t c h e d s u r f a c e so fl i t a 0 3w a f e r si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r eo b s e r v e db ym e t a l l o g r a p h y m i c r o s c o p e t h e r e s u l t ss h o wt h a t t h es c r a t c h e ds u r f a c e s c h a n g e f r o me l a s t i c d e f o r m a t i o n a r e a ，p l a s t i cd e f o r m a t i o n a r e aa n df r a c t u r ea r e aw i t hs q u a m aa n dc r a c k f o r r e m o v i n gm a t e r i a lo fl i t a 0 3 w a f e r b yp l a s t i cd e f o r m a t i o nm o d e ，t h ep o l i s h i n gp r e s s u r e s h o u l db el o wt h a n7 2 5 k p 乱 f o rs e l e c t i n gs u i t a b l ec m p c o n d i t i o n s ，t h em o v e m e n t o f p o l i s h i n gw a sm o d e l i i n g a n ds i m u l a t i n g t h ea n a l y s e dr e s u l t ss h o wt h a tt h er e a s o n a b l er o t a t i n gs p e e dn pa n d d i s t a n c eeb e t w e e nw o r k p i e c ep l a t ec e n t e ra n dp o l i s h i n gp l a t ec e n t e ra r e6 0 r p ma n d 1 0 0 r a mo n u l t r a - p r e c i s i o n s u r f a c e p o l i s h i n g m a c h i n ew i t hc o r r e c t i o n r i n g s ， r e s p e c t i v e l y t h ec m pe x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t s y s t e m a t i c a l l y o nl i t a 0 3w a f b r t h e p o l i s h e ds u r f a c ef o u g h n e s sa n dm a t e r i a lr e m o v a lr a t ei nd i f f e r e n tp o l i s h i n gc o n d i t i o n s w e r em e a s u r e da n dt h ee f f e c t so fp o l i s h i n gp a dm a t e r i a la n di t s c o n d i t i o n ，p r e s s u r e ， r o t a t i n gs p e e d o ft h ep o l i s h i n gp l a t e ，t h et y p ea n ds i z eo fa b r a s i v e ，a n dt h ep r o p e r t i e so f t h ep o l i s h i n gs l u r r yo nt h es u r f a c er o u t h n e s sa n dm a t e d mr e m o v mr a t ew e r e a n a l y s e di n d e t a i l s k e y w o r d s ：t a n t a l u ml i t h i u m s i n g l ec r y s t a lw a f e r ；u l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n g ； c h e m i c a lm e c h a n i c a l p o l i s h i n g ；m o v e m e n tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n g i l l 符号说明 p 抛光压力( k p a ) v 工件上任一点与抛光垫间的相对线速度( m s e c ) v 。磨料与抛光垫相对速度( m s e c ) d n 磨料半径( i 砌) f a 磨料所受载荷( k p a ) 鲁一磨料对去除率的平均权重 k 应力集中因数 。一流体膜应力( g p a ) f a a 点所受摩擦力( n ) f a t a 点所受摩擦力的切向分力( n ) f a n a 点所受摩擦力的法向分力( n ) f b b 点所受摩擦力( n ) f b 。b 点所受摩擦力的切向分力( n ) f b 。b 点所受摩擦力的法向分力( n ) r a 表面粗糙度( 1 l m ) r 材料去除率( m g m m 2 1 0 - 3 ) w 工件盘角速度( r a d s e c ) 。抛光盘角速度( r a d s e c ) n w 工件盘转速( r m i n ) n 。抛光盘转速( r m i n ) s 弧长( i i l l n ) i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钽酸锂晶片超精密抛光的研究意义 钽酸锂是一种典型的多功能单晶体材料，其熔点为1 6 7 0 0 c ，硬度为莫氏5 5 ， 密度为7 4 5 9 c 一。其介电常数l l 为5 1 7 、e 3 3 o 为4 4 5 ，压电应变常数d 2 2 为 2 4 xl f f “c n 、d 3 3 为0 8 1 1 ) c n ，热膨胀系数( a ) 1 6 1 1 0 - 5 。c 、化) 4 1 1 0 8 t o c ， 典型方向为x ，z ，y 3 6 。，y 4 2 。，y 1 2 8 “1 1 。它具有机电耦合系数大、低损耗、高 温稳定性和高频性能好等优良的压电、电光和热电性能。随着移动通讯、信息产 业的迅速发展，钽酸锂晶片越来越广泛地应用于制造高频、中频带宽、低插入损 耗、高频率稳定和小型化声表面波和体波器件如声表面波滤波器、谐振器等。 钽酸锂单晶抛光片的主要制造工艺流程如图1 - 1 所示： 图1 - 1 钽酸锂晶片加工工艺图 f i g 1 - lb a s i c m a c h i n i n g p l x 3 c e g s e s o f l ts i n g l e c r y s t a l w a f e r 为了获得高性能的电子元件，要求钽酸锂晶片表面晶格完整，具有极高的平 面度和无损伤超平滑表面且无晶向偏差。即使抛光表面存在微小缺陷，都将破坏 晶体材料表面性能，甚至导致结晶构造的变化，影响元件的频率精度和频率稳定 性。钽酸锂单晶材料属典型的硬脆材料，并具有解理性和各向异性等机械力学性 能，研磨抛光加工难以获得高平面精度无损伤晶片表面。 广东工业大学工学硕士学位论文 目前，钽酸锂晶片抛光方面的研究报道不多，尚缺乏专门针对钽酸锂结构性 能特点的加工技术，钽酸锂晶片的实际生产中往往存在加工效率和成品率低、加 工质量难以控制等问题。因此，研究钽酸锂的抛光加工特性，开展钽酸锂单晶深 加工技术超光滑无损伤表面抛光加工技术研究，对于开发大直径钽酸锂晶片， 对于进一步提高硬脆材料精密与超精密加工水平，对于促进我国光电子产业的发 展有深远的意义。 1 2国内外晶片超精密加工技术研究现状 为了不断提高超精密加工过程加工精度和加工效率，人们不断把不同的物理 过程、不同的化学过程应用于加工工艺中，开发新的复合加工技术和工艺。目前 已研究开发了多种应用于半导体材料镜面超精密抛光方法，如化学抛光、电化学 抛光、化学机械抛光、浮法抛光、电泳抛光、超声波振动抛光以及离子束抛光等 加工技术1 2 3 1 。 1 2 1晶片的超精密加工方法 ( 1 ) 化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，简称c m p ) 。化学机械 抛光是一种应用抛光液的化学反应作用和磨粒机械去除作用相结合的抛光方法。 抛光液的化学作用使工件表面形成一层软化层，面磨粒与工件产生的摩擦力将工 件表面的软化层去除2 1 。化学机械抛光的模型如图1 2 所示。 图1 - 2 化学机械抛光模型埘 f i g 1 2c m pp r i n c i p l e 【2 l 第一章绪论 图1 - 3 为化学机械抛光工作示意图嗍。化学机械抛光系统主要由作为基盘的 研磨盘、圆晶片固定装置和自动供液系统组成，研磨盘和晶片固定装置都可施力 于晶片并使其旋转。抛光对，自动供液系统以一定流量向抛光垫供给抛光液。晶 片表面材料在化学机械共同作用下逐渐被去除。 图1 - 3 化学机械抛光工作示意图州 f i g 1 3 $ k e m a t i co f c m p 【4 】 化学机械抛光过程中，抛光液对工件表面的化学腐蚀是抛光的第一步，其腐 蚀作用是抛光液和工件表面接触时，工件表面发生化学反应，形成一层薄软化层。 然后磨粒与工件之间相对运动产生的摩擦，对工件表面突起部分产生机械作用， 使该部分的软化层被去除而脱离工件表面。而新暴露出的工件表面，继续被抛光 液化学腐蚀。这种化学作用与机械作用的不断重复，使工件表面逐渐光滑。 化学机械抛光过程综合了化学和机械抛光的优势。单纯的化学抛光，抛光速 率较快，表面光洁度高、损伤低、完美性好，但其表面平整度、平行度较差，抛 光一致性也较差；单纯机械抛光一致性好，表面平整度高，但表面光洁度差，损 伤层深。化学机械抛光既可以获得较完美的表面，又可以得到较高的抛光效率， 加工后的粗糙度比其它传统方法( 如机械抛光、化学抛光等) 低两个数量级，是 实现晶片超光滑表面抛光的较好方法【5 】。 ( 2 ) 电泳抛光( e l e c t m p h o r e t i cp o l i s h i n g ) 。在胶体化学中将粒径为l n m 至l l i n 之问的微粒称为胶体粒子。分散在液相介质中的胶体粒子具有很大的表面能，因 吸附液体中的离子或因其表面分子电离而带电。带电离子在电场力的作用下相对 于液相介质作定向移动的现象通常被称为电泳巧7 8 j 。电泳抛光即是基于超微粒电 泳效应的一种抛光方法，其加工原理如图1 _ 4 所示。抛光过程，在电场作用下，超 广东工业大学工学硕士学位论文 微磨粒向阳极作定向运动，吸附在阳极表面对工件表面起磨削作用。电泳抛光的 抛光作用由超微磨粒组成的吸附层完成，加工深度可通过控制吸附层的形成速度 来实现，无需磨具的进给。因此电泳抛光是一种无进给的加工方式。电泳磨削的 质量与外加电压、加工时间、工件与磨具的间隙以及磨料性质等因素有关。 工件 图1 _ 4 电泳抛光加工示意图嘲 f i g i - 4 $ c h e r m u i co f e l e c t r o p h o r e t i cp o l i s h i n g 嘲 胡建德等人利用微细磨粒的电泳特性研制出一种新型的高结合密度超微细 磨粒电泳抛光轮，在z x 7 0 5 2 钻铣床上抛光硅片。作为阳极的抛光盘夹持在机床主 轴上，工件置于工作台内侧，半环型铜质阴极置于工作台外侧，阳极与阴极之间 施加电场。工件、阴极和阳极均浸在s i 0 2 溶胶中。在电场的作用下，s i 0 2 微粒吸 附在阳极( 抛光盘) 表面。并对工件起抛光作用。通过控制工艺参数获得了硅片 表面粗糙度r a 0 0 2 4 p r o 的加工效果( s 】。 ( 3 ) 浮法抛光( f l o a t i n gp o l i s h i n g ) 。浮法抛光最早出现于日本。该方法是 在高回转精度的抛光机上使用高平面度并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘进行 超光滑表面加工。抛光加工时，抛光盘及工件高速回转，覆盖在整个抛光盘表面 的抛光液在二者之间呈动压流体状态，并形成一层液膜，从而对浮起状态下的工 件进行平面度极高的非接触超精密抛光【9 】。 袁巨龙与k a s a i 等人利用浮法抛光方法和s i 0 2 胶粒抛光石英晶体，获得了表 面粗糙度小于2 a 的超光滑表面【l 们。 ( 4 ) 离子束抛光( i o nb e a mp o l i s h i n g ) 。离子束抛光过程把惰性气体或其他 元素的离子在电场中加速，利用高速的离子束来轰击工件表面，离子束与工件表 面层原子发生碰撞，使之偏离原来的晶格位置而飞出工件表面或与其临近原子发 生级连碰撞，使被碰撞的最表层原子飞出工件表面，从而形成对工件的刻蚀效果 4 第一章绪论 1 2 1 。利用不同形貌点刻蚀速度的差异，即可实现工件表面的抛光。离子束抛光原 理如图1 - 5 所示。 捧水 离子束 图1 - 5 离子束抛光示意图“ f i g 1 5s c h e m a t i co f i o nb e a mp o l i s h i n g0 2 离子束抛光可以实现以原子为计量单位的纳米级加工。黄文浩等人采用a r 十 离子束能量为4 0 0 0 v 、束流密度1 0 0 m a 、入射角为4 0 。、刻蚀时间为1 2 0 m i n 以上 时，抛光s i ( 1 1 1 ) 表面，获得了表面粗糙度低于r a 0 5 n m 的加工表面【l 2 1 。 离子束加工的特点是加工表面无机械接触，不承载负荷作用，因此表面质量 好，没有边缘钝化效应。但这种加工方法需要一套复杂的离子束产生设备，且生 产效率低，加工过程不易控制，工件材料易产生堆积等问题。 ( 5 ) 水合抛光( h y d r a t i o np o l i s h i n g ) 2 。水合抛光是一种利用在工件界面上 产生水合反应，用抛光盘的摩擦力去除所形成的水合层的高效、超精密加工方法。 其主要特点是不使用磨料和抛光液，加工装置和普通抛光机基本相同。在普通抛 光机上给抛光加工区加上保温罩，使工件在水蒸汽环境中进行抛光加工。在抛光 过程中，工件与抛光盘产生相对摩擦，局部真实接触点产生高温高压，激活工件 表面上的原子或分子，同时用过热蒸汽分子和水作用其表面，使之在界面上形成 水合层，利用抛光盘的摩擦力去除工件表面的水合层，从而实现超精密抛光。但 该方法只适用于石英晶体等亲水性材料。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 2化学机械抛光技术研究现状 化学机械抛光是获得平面型超光滑无损伤层半导体晶体和压电晶体的有效超 精密加工方法，近年来引起了广泛的研究兴趣。 1 2 2 1 化学机械抛光过程的实验研究化学机械抛光过程中，抛光参数( 压力、 转速等) 、抛光垫的表面状况( 材料、表面结构、磨损状况等) 、抛光液的化学 性质( 组成、p h 值、磨料种类和粒度等) 等对抛光效率和抛光质量都有着复杂的 影响。国内外学者就影响化学机械抛光过程( 尤其是硅片的化学机械抛光过程) 的工艺参数、抛光液、抛光垫等进行了较多的实验研究，并对化学机械抛光过程 材料去除机理作了理论探讨 b - 3 0 1 。 化学机械抛光过程中抛光压力和抛光盘转速对材料去除率和抛光表面质量有 显著影响【1 3 15 】。材料去除率隧抛光压力和抛光盘转速的增大而增加，抛光表面质 量随压力增大而变差。抛光压力和抛光盘转速越大，工件和抛光垫之间的摩擦力 越大，抛光温度越高，抛光过程中，抛光液对工件的腐蚀效果越明显，材料去除 率越大。因此，适当地选择抛光盘转速和抛光压力可以提高工件表面质量。 抛光液由磨料、表面活性剂、稳定剂、分散剂等组成。合理的抛光液能达到 化学作用和机械作用最佳组合抛光效率高、抛光质量好，而且要求流动性好、 不易沉淀和结块、悬浮性能好且无毒。抛光液的化学作用在晶片的化学机械抛光 过程中起着重要作用。抛光液的组成及p h 值、磨料粒度及浓度、抛光液流速以及 流动途径对工件表面粗糙度和材料去除率都有影响。 抛光液磨料尺寸对材料去除率和表面质量影响显著。磨料尺寸越大，材料去 除率越高，表面粗糙度越大 1 6 - 2 1 1 。g b b a s i m 等人通过抛光液不同磨料浓度实验发 现抛光液浓度过高，工件表面会出现凹坑口2 1 。抛光液p h 值越高，工件与抛光垫之 间的摩擦力越大，抛光温度越高，从而材料去除率越高；随着抛光液p h 值的增大， 抛光液对工件材料的腐蚀增强，抛光以化学腐蚀为主2 3 1 0 邢彤等人采用有机碱 + h 2 0 + s i 0 2 + p v p 抛光液对铌酸锂晶片进行抛光，发现抛光液p h 值会影响到抛光 面或磨屑的溶解、磨料悬浮的稳定性和磨料的有效性【刎。抛光液粘度同样也影响 抛光过程中材料的去除率，抛光液粘度越大，工件与抛光垫之间的摩擦力越大， 6 第一章绪论 晶片表面抛光温度升高，材料去除率增大，抛光液的粘度对于加工过程中接触点 处液膜厚度没有明显影响【2 5 2 6 1 。 抛光垫是贮藏抛光液的关键部件，它将抛光液中的磨料颗粒保持在抛光区域， 使晶片表面上与抛光垫接触的凸起被去除，从而获得光滑的晶片表面。抛光垫的 机械物理性能( 如弹性模量e 、剪切模量g 及可压缩性等) 、抛光垫表面结构和 磨损状态及抛光垫转速对晶片材料去除率、表面质量有着重要作用。 抛光垫品种较多，通常为含有聚氨基甲酸酯的聚酯纤维毡、抛光布、细毛毡、 沥青、石蜡和脱脂木材等材料。抛光垫表面结构有平整型和带有不同的沟槽型等。 典型的聚氨酯抛光垫有两个部分组成：与晶片接触的硬度较高的i ( 2 1 0 0 0 聚合体层 以及软且有弹性的s u b ai v 的从盘( r o d e l ，n e w a r k ，d e ) 。高硬度的i c l 0 0 0 层包含一个空球面微孔封闭单元结构，这些微孔构成的表面粗糙度就好像局部流 动的压力点增强了腐蚀作用。 h l u 、b j h o o p c r 和f k u c h e n m e i s t e r 等人对聚氨酯抛光垫( r o d e li ( 2 1 0 0 0 ) 抛光垫进行实验研究发现，抛光过程中，抛光垫表面微孔由于材料自身的冷流动 而堵塞，抛光垫上微孔减少，抛光垫表面光滑，工件材料去除率降低，表面粗糙 度降低，抛光垫材料在抛光过程中发生化学降解，寿命降低2 7 。3 0 】。b j h o o p e r 等人 采用抛光垫在线修整技术改善了抛光垫表面状态，保证了工件表面的连续均匀去 除，延长了抛光垫的使用寿命 3 0 l 。 1 2 2 2 化学机械抛光去除机理的理论研究化学机械抛光过程材料的去除是机械 磨削和化学腐蚀共同作用的结果。抛光液的化学作用使工件表面形成一层很薄的 软化层，磨料与工件产生的摩擦力将工件表面的软化层去除。材料的去除通常用 材料去除率( r ) 表示。为了系统地研究工艺参数对c m p 过程的作用机理，近年来， 国内外研究者建立了多种化学机械抛光去除机理理论模型，试图在一定程度上揭 示了化学机械抛光过程的规律。 ( 1 ) 纯机械作用模型。材料去除率的最基本模型是p r e s t o n 方程口l 】： r = k v p v 其中：岛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 7 广东工业大学工学硕士学位论文 垫间的相对线速度。 p r e s t o n 方程表明材料去除率与压力、相对速度成简单的正比，实际上工件从 中心到边缘的去除率并非按单一线性关系变化，方程也没有考虑因工件形状不同 导致的去除率变化。 尽管p r e s t o n 方程有弊端，但它是最基本的材料去除率模型，许多其它模型 都是在此基础上发展起来的。如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 方程如下修改3 2 】： r = c ( 1 f l i 一- i ，h 。) p v ( 1 2 ) 其中：c 是常数；h p 、h w 分别为磨粒和工件硬度。 1 s c o k 等人从g w 应力模型出发，给出了单颗磨料单位时间的去除率方程 肛监3 d 1 ；袁r 、f 、疗h ( 1 3 ) 其中：v p 为磨料与抛光垫的相对速度；d 为磨料直径；p 为磨料所受载荷； h 。为工件硬度。 并用统计的方法得出了总体平均去除率方程【3 3 】： r = r 孥厮删比 4 ， 其中，h 为微凸起顶部与工件间的距离：h 0 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；n 。为一个微凸起部分与工件的实际 接触面积；k 为应力集中因数；f a 为凸起部分顶部的接触力。 该模型最大特点是从单个磨料的去除作用着手，微观地分析磨料的去除作 用，假设条件也和g w 应力模型相似。由于把抛光垫理想化，高度分布函数、 接触面积等许多因素靠估计，加上考虑因素太多，导致该模型精度并不是很高。 第一章绪论 陈俊盼【蚓假设工件与抛光盘完全吻合接触，压力均匀分布，对p r e s t o n 方程 进行速度积分得到了工件上各点自转一周的材料去除量，分析了各种转速比下工 件不同位置的去除率变化。结果表明边缘比中心部位去除量大，当工件与抛光盘 转速相等时能达到均匀去除，这与实验观察结果相符。但由于假设压力均匀分布， 所以在定量描述某一点的去除率时存在一定的误差。 r u n n e l s 等人考虑应力分布不均对去除率的影响，通过建立应力平衡方程提 出了如下模型 3 h ： r = k p z w( 1 5 ) 其中：k 是比例常数，为工件表面的剪切应力的矢量数。 为了获得上面的方程，r u n n e l s 做了如下假设：( 1 ) 忽略工件与抛光垫间的 应力转变；( 2 ) 工件看作刚体且表面光滑，抛光垫为弹性体；( 3 ) 忽略抛光液 的流动。该模型考虑了工件与抛光垫紧紧粘在一起以及工件与抛光垫之间没有应 力的自由滑动两种极限情况，认为去除率与应力成直接线性关系。 ( 2 ) 机械、流体膜作用模型。由于p r e s t o n 方程只考虑了机械力的作用，没 有考虑流体应力对去除率的影响，不能完全适用于化学机械抛光过程。在抛光过 程中，流体膜产生的动态压力会影响应力分布状态，从而影响材料去除率。 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”】： r 2 a e b a ( 1 6 ) 其中：a 为零应力时的材料去除率，可表示为a = k p p v , b 是与材料有关的常 数；a 为流体膜应力。 考虑不同压力值的影响，对方程进行修正得到最佳指数回归方程： l n ( r c ) = l n ( a c ) + b c r ( 1 7 ) 其中：c 为修正参数，在不同压力下其数值不同。该方程表明薄膜应力和材 9 广东工业大学工学硕士学位论文 料去除率之间并不是简单的直线关系，薄膜受拉伸应力时材料去除率大，受压缩 应力时去除率小，但此时工件的平面度更好。 ( 3 ) 机械、化学作用模型。抛光液的化学成分和p h 值是影响化学机械抛光 化学作用的主要因素，但目前对化学作用的研究主要集中在腐蚀机理上，尚无有 效的数学模型来定量分析材料去除率，这也是由化学作用不易精确控制的特点所 致。 z h a o 等人认为化学反应使加工材料表面分子( 原子) 间的强结合键变成弱键， 从而以原子级水平去除材料3 5 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： r ：掣芷凳_ 可( 婴) ：n ( 1 8 ) 6 ( ( 1 卢) + ( 1 力一1 ) 、石d 。 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 为抛光垫与工件的真实接触面积；b 为a t 时间内表面 分子发生化学反应的概率；z 为抛光液磨料的体积密度；r 为at 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，即：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， 因此模型的精度不高。 综上所述，有关化学机械抛光过程已经有了较多的实验研究并建立了一些的 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，化学机械抛光机理还没 有被充分认识，需进一步的实验和理论研究。 1 2 3钽酸锂晶片超精密抛光的研究现状 目前，国内外针对钽酸锂晶片的加工特性及其超光滑表面加工技术的研究报 1 0 第一章绪论 道较少。实际生产中主要采用化学机械抛光方法抛光钽酸锂晶片。夏宗仁等人采 用天然石榴石磨料和化学机械抛光方法抛光钽酸锂晶片，在一定条件下获得了较 高加工质量的声表面波器件用y 3 6 。切钽酸锂晶片0 6 1 。 目前，对钽酸锂晶片的化学机械抛光还缺乏下列方面的认识，因此难以优化 确定化学机械抛光工艺参数，满足钽酸锂晶片生产的工艺要求。 ( 1 ) 钽酸锂材料的加工特性； ( 2 ) 钽酸锂晶片化学机械抛光的机理模型； ( 3 ) 抛光过程中各工艺参数对钽酸锂晶片抛光表面质量以及抛光效率的影 响规律。 1 3课题来源及主要研究内容 1 3 1课题来源 本论文选题来自于广东省科技攻关项目“新型光电子单晶材料超光滑表面加 工产业化关键技术”( n o 2 0 0 2 c 1 0 2 0 2 0 1 ) 、广东省自然科学基金项目“光电予材料 无损伤镜面抛光技术及其形成机理研究”( n o 0 2 0 1 4 3 ) 和广东省留学回国人员科 研启动基金项目“新型光电子元件基片高效超精密抛光技术研究”( 教外司 2 0 0 3 】1 4 号) 等项目。 1 3 2主要研究内容 本论文通过对钽酸锂晶片化学机械抛光过程的实验研究和抛光轨迹的理论 分析，研究钽酸锂晶片的抛光加工特性，探讨钽酸锂晶片化学机械抛光机理，系 统分析主要工艺参数对化学机械抛光过程的影响规律。主要包括； 第一章：绪论 介绍晶片化学机械抛光研究的意义，国内外的研究现状，以及本论文所要研 究的主要内容。 第二章：实验材料与实验研究方法 主要介绍钽酸锂晶片和硅片的结构、性能，论文所采用的实验方法，并简单 广东工业大学工学硕士学位论文 介绍了实验过程。 第三章：钽酸锂晶片化学、机械去除机理研究 采用化学腐蚀和无磨料抛光液化学抛光方法抛光晶片，测量材料去除率。并 用x 衍射测量晶片表面成分和晶格变化，分析腐蚀液对钽酸锂晶片的腐蚀作用。 采用单颗金刚石刻划钽酸锂晶片和硅片表面，测量划痕过程变形和断裂所致的声 发射信号变化，观察划痕表面形貌，分析钽酸锂晶片的机械去除机理。 第四章：化学机械抛光的运动轨迹分析 针对实验设备修正环型超精密抛光机，分析抛光运动轨迹并进行计算机仿 真。通过运动分析及仿真，理论上分析抛光过程的主要影响因素及其作用规律。 第五章：钽酸锂晶片化学机械抛光过程实验研究 对钽酸锂晶片化学机械抛光过程进行系统实验研究。通过测量钽酸锂晶片在 不同抛光条件下的表面粗糙度和材料去除率，并结合第三、四章对钽酸锂晶片化 学机械抛光机理和抛光运动参数研究的结果，探讨了钽酸锂化学机械抛光去除机 理，详细分析抛光垫材料和状态、抛光压力、抛光盘转速、磨料种类及粒度、抛 光液组成几个因素对抛光表面质量和材料去除率的影响规律。 1 2 第二章实验材料及实验条件 第二章实验材料与实验研究方法 本章主要介绍钽酸锂晶片和硅片的结构、性能，论文所采用的实验方法，并 简单介绍了实验过程。 2 1实验材料 本论文主要系统地实验研究钽酸锂晶片的化学机械抛光过程，并将钽酸锂晶 片的加工特性与硅片的加工特性进行对比。为此，本节分别介绍钽酸锂晶片和硅 片的结构和性质。 2 1 1钽酸锂晶片的结构与性能 钽酸锂( l i t a 0 3 ，简称l t ) 单晶，属三方晶系，3 m 点群，其晶格结构如图 2 - 1 所示3 们。 “t a o 0 ，j 8 8 n m 1 0 0 v u 0 2 1 3 n m o 5 0 v u n 2 3 6 n m 0 1 2 v u l i ，0 3 0 6 m l n 2 h “ i 、 k ：= 二二二 图2 - 1 钽酸锂单晶体三维结构示意图及其三维结构片段图 f i g 2 1t h r e e d i m e n s i o no fl ts i n g l ec r y s t a la n di t ss e g m e n ts t r u c t u r e 口7 】 广东工业大学工学硕士学位论文 本论文实验所用钽酸锂单晶为y 3 6 。切晶片，样件直径为0 5 0 4 m m ，切片表 面粗糙度为r a 0 8 + o 1 p m ，厚度为0 4 0 0 5 m m 。钽酸锂晶体基本性能参数见表2 - 1 。 表2 - 1 钽酸锂单晶性能参数表0 7 一删 t a b l e2 - 1l tp r o p e r t i e s 口7 4 0 】 基本物理常数钽酸锂 结晶的对称性晶系三方 空间群 r 3 c 点群 3 m 晶格常数a = 5 1 5 4 2 8 a c ：1 3 7 8 3 5 1 a 弹性常数 罐2 2 9 8 1 0 n n m 2 ，罐o 4 4 0 x1 0 t t n m 2 ，0 8 1 2 x1 0 1 1 n m 2 。 - 0 1 0 4 x 1 0 n n m 2 ，2 7 9 8 x 1 0 n n m 2 ，或0 9 6 8 1 0 n n 恤2 0 9 2 9 1 0 1 1 h i m 2 2 1 2硅片结构与性能 ( a )( b ) 图2 2 硅片结构图( a ) 及硅片晶棒( b ) f i g 2 - 2s t r u c t u r ea n di n g o to fs i f i c o ns i n g l ec r y s t a l 作为半导体材料的硅片，具有金刚石晶格结构，如图2 - 2 ( a ) 所示。晶体硬 而脆，灰黑色，具有金属光泽，如图2 - 2 ( b ) 所示。能导电，但导电率不及金属， 且随温度升高而增加，具有半导体性质。其性能参数见表2 - 2 。 第二章实验材料及实验条件 表2 - 2 硅片基本性能参数4 2 l t a b l e2 - 2s i l i c o np r o p e r t i e s 【4 1 “1 基本物理常数硅片( 两) 晶系立方 晶格常数 0 5 4 0 7 n m 熔点1 4 t 0 。c 沸点 2 3 5 5 0 c 密度 2 3 2 - 2 3 4 9 c m 3 硬度莫氏5 热膨胀系数 2 3 3 1 0 - 6 ，。c 弹性模量 2 0 0 g p a 泊松比 o 2 本征电阻率2 3 x l o a c m 本论文实验所用硅片为p ( 1 0 0 ) 0 5 0 8 m m 切片和n ( 1 1 1 ) 型0 7 6 2 m m 研 磨片，研磨片粗糙度为r a 0 6 2 - 0 0 8 1 a m ，晶片厚度：0 5 x 0 0 4 m m 。 2 2实验方法 为了分析探讨钽酸锂晶片、硅片的化学机械抛光机理，本论文分别采用化学 腐蚀方法、单颗金刚石刻划钽酸锂晶片表面的实验研究方法，并重点系统地进行 不同抛光条件下晶片的化学机械抛光实验。分析腐蚀液对钽酸锂晶片的腐蚀作用、 单颗金刚石刻划钽酸锂晶片的塑性变形与裂纹产生机理。通过测量钽酸锂晶片在 不同抛光条件下的表面粗糙度和材料去除率，探讨了钽酸锂化学机械抛光去除机 理，详细分析抛光垫材料和状态、抛光压力、抛光盘转速、磨料种类及粒度、抛 光液组成几个因素对抛光表面质量和材料去除率的影响规律。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 化学腐蚀实验 钽酸锂晶片( 简称l t ) 制成的器件可在高温下工作，不会退磁化，另外具 有不溶于水，化学性质稳定等优点。但钽酸锂晶体易溶于i - i f h n 0 3 混合液闭，可 与碱发生反应。 硅片在常温下不活泼，在含氧酸中被钝化，但易溶于i - i f h n 0 3 混合液，生 成s i f 4 或h 2 s i f 6 1 2 ： 3 s i + 4 h n 0 3 + 1 8 髓= 3 h 2 s i f 6 + 4 n o t + 8 h 2 0 ( 2 1 ) 硅片能与碱发生反应生成可溶性硅酸盐，并放出氢气： s i + 2 k o h + h 2 0 = k 2 s i 0 3 + 2 h 2 1 ( 2 2 ) 硅片可与空气中的氧反应生成s i 0 2 ，s i 0 2 与碱反应生成可溶性硅酸盐： s i + 0 2 = s i 0 2 s i 0 2 + 2 k o h = k 2 s i 0 3 + h 2 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 利用钽酸锂单晶和硅片的上述特点，在加工前采用h f - h n 0 3 混合液去除样 件表面的杂质，采用碱性抛光液以增强其化学作用。 另外，o h 对于钽酸锂晶片和硅片的化学反应均有促进作用，故采用k o h 作 为稳定剂进行实验。 单晶材料的化学机械抛光实验中通常选用次氯酸钠n a c l o 、尿素 c o ( n h 2 ) 2 】、过氧化氢h 2 0 2 t 孤“4 4 1 等作为氧化剂；选用无机碱( k o h 、n a o h ) 和有机碱( 乙二胺c 2 h 龇) 4 5 1 为稳定荆。本论文采用不同的氧化剂( h 2 0 2 、n a c l 0 等) ，不同的稳定剂( 无机碱k o h 、有机碱乙二胺c 2 h 8 n 2 ) ，配制成不同浓度的 化学溶液，分别在不同温度下对钽酸锂晶片和硅片进行腐蚀，用x 衍射谱观察确 1 6 第二章实验材料及实验条件 定表面化学反应的产生；通过测量样件反应前后的质量，根据测量结果和计算公 式r = ( w o w i ) ，s 计算化学腐蚀过程钽酸锂材料的去除率，评价化学反应的效 果。 2 2 2单颗金刚石刻划晶片实验 采用单颗金刚石刻划钽酸锂晶片和硅片表面，测量划痕过程变形和断裂所致 的声发射信号变化，观察划痕表面形貌，分析钽酸锂晶片和硅片的机械去除机理。 本论文采用中科院兰州物理化学研究所研制的w s ，9 7 型自动划痕试验仪。该 划痕仪由划痕试验机、微机控制仪、声信号接受传感器、绘图仪等组成，如图2 3 所示。其主要技术参数1 4 6 1 ：1 n