（机械电子工程专业论文）蓝宝石cmp加工机理与工艺技术的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nc m pm a c h i n i n gm e c h a n i s m a n dt e c h n o l o g yf o rs a p p h i r ew a f e r a b s t r a c t s i n g l ec r y s t a ls a p p h i r ew a f e rh a sg o o dp h y s i c a l ，c h e m i c a la n dp o t i c a lp r o p e r t i e s ，s oi t h a saw i d e rr o l ei nm i c r o e l e c t r o n i c s ，i n d u s t r i a l ，d e f e n s e ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dg a nl e d s u b s t r a t ea r e a s a st h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs c i n e c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ea c c u r a t e r e q u i r e m e n tb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e rf o rp r o c e s s i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h e s a p p h i r ew a f e r s os a p p h i r ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 、i t l lh i 曲e f f i c i e n c ya n dl o wl o s sm a k e a m a j o ro b s t a c l ef o rt h ed e v e l o p m e t no f t h es a p p h i r e t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，u l t r a - p r e c i s i o nd o u b e s i d e dp o l i s h i n gm a c h i n ew a su s e d t o p o l i s h t h e s a p p h i r ew i t hd o u b l e s i d e dc h a m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h ec m pp r o c e s s i n gm e t h o dd o n tn e e dc o m p l i c a t e dp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ， w a sb e n e f i c i a lt ob a t c hp r o d u c t i o n , a n dc a ng e tt h ep r e c i s es u r f a c ea n dp r o c e s s i n ge f f i c i e n c e ， s oi tc a na c h i e v ep r e c i s i o np r o c e s s i n gw i t hl o wc o s ta n dh i 曲e f f i c i e n c y a sf o l l o wa r et h e m a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e r ： 1 w h i l es a p p h i r ep o l i s h i n gt h ec o n t a c tb e t w e e nm e c h a n i c a la n dc h e m i c a la c t i o nf r o m t h e d y n a m i c p r o c e s sw a sa n a l y z e d u s i n gc o n t a c td y n a m i c sa n dh y d r o d y n a m i c st o e s t a b l i s ht h ec m pm o d e la m o n gt h ep o l i s h i n gp a d ，w o r kp i e c ea n da b r a s i v e ，a n da n a l y z e t h em e c h a n i s mo fm e c h a n i c a la c t i o no ft h ea b r a s i v e b yt h ec h e m i c a la c t i o no fp o l i s h i n g s l u r r yf o rs a p p h i r e ，t h ee f f e c to fc m pp r o c e s s i n gf o r t h es a p p h i r es u r f a c ew a sa n a l y z e d 2 t oi m p r o v et h er e m o v a lo ft h es a p p h i r ea n dt h eq u a l i t yo ft h es u r f a c e ，u l t r a - p r e c i s o n d o u b l e s i d e dp o l i s h i n gm a c h i n ew a su s e dt op o l i s ht h es a p p h i r e s e l e c t i n gt h ed i f f e r e n t p o l i s h i n gs l u r r yf o rt h es a p p h i r ec m pp r o c e s s i n g ，f a op o l i s h i n gs l u r r y 谢t hs i 0 2a s a b r a s i v ew a sm o s ts u i t a b l e a l s o ，t h ep a r a m e t e r so ft h ep o l i s h i n gs p e e d ，p o l i s h i n gp r e s s u r e a n dc o n c e n t r a t o n so ft h ep o l i s h i g ns l u r r ya st ot h ei n f l u e n c eo ft h er e m o v a la n dt h es u r f a c e l i a b s t r a c t q u a l i t yw a ss t u d i e d ，a n d t h ei d e a l p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n 3 e s t a b l i s h e dam o d e l lt op r e d i c tt h es a p p h i r er e m o v a lw i n ld i f f e r e n tp r o c e s s i n g p a r a m e t e r sb yb pn e u r a ln e t w o r ka n dm t l a bs i m u l a t i o n 4 b yt h eb e t t e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sb e i n ga d o p t e dt ot h es a p p h i r eo p t i m i z a t i o n e x p e r i m e n t ，s a p p h i r es u r f a c er e m o v a lg e tb e t t e ra n dr e a c ht h em i r r o rr e q u i r e m e n t u s i n g o p t i c a lm i c r o s c o p ea n dw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t e r ，t h es a p p h i r es u r f a c ea f t e ro p t i m i z a t i o n p o l i s h i n gw a st e s t e da n da n a l y z e d a f t e ro p t i m i z a t i o np o l i s h i n g ，s a p p h i r es u r f a c ew a s b a s i c a l l yn os c r a t c h e sp i t sa n do t h e rd e f e c t , a n dh a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ，a tt h es a m e t i m eg e tt h eg o o ds u r f a c er o u g h n e s s k e yw o r d s ：s a p p h i r e ，c m p , d o u b l e s i d e dp o l i s h i n g ，t c c h a n i c a le x p e r i m e n t ，n e u r a l n e t w o r k ! i i 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 当今社会科学技术的不断发展，环保和节能已经成为世界经济发展的两大主题。美 国能源部预测至2 0 3 0 年电力能源的消耗每年将保持1 5 的速度增长i l j ，固态照明是目前 世界上公认的一种最有效的节能途径，而高亮度l e d 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 的问世，使得l e d 的用途从指示灯转向照明的革命性的变革1 2 - 4 1 。l e d 产品具有寿命长、 体积小、耗电量低、驱动电压低、反应速度快、耐震性佳及单色性佳等优点，成为各种 电器、信息看板、通讯产品的发光组件【5 】。l e d 不同于传统意义上的灯泡的热发光，属 于一种冷发光材料，不依靠发热使灯丝发光，可以减少发光带来的能量消耗，使能量转 化效率提高，理论上可以达到一般白炽灯的1 0 的能耗，与荧光灯相比也可以达到5 0 的节能效果。它的基本构造是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上， 然后四周用环氧树脂密好，起到保护内部芯线的作用。中国绿色照明工程促进项目办公 室做过一个专项调查，每年我国用在照明的电量达多j 3 0 0 0 亿度以上，而如果所有的白炽 灯与部分的荧光灯被l e d 取代后，可以节约1 0 0 0 亿度左右的电量，意味着可以节省1 3 的照明用电，相当于一个总投资超过2 0 0 0 亿的三峡工程全年的发电量，其经济效益和社 会效益是极其可观的，将大大减少火力发电造成的大气污染，有效保护地球的生态环境， 相对于能源十分紧张的我国来说，无疑具有十分重要的意义。世界各国包括c r e e 、n i c h i a 在内的许多大型公司已经将大量资金投入到l e d 的研究中，极大地加快了l e d 的进程。 一般来说，高亮度l e d 的发光效率为5 0 - - 2 5 0 1 m 啊j 而超高亮度l e d 的发光效率大于2 5 0 l m w ，l e d 技术的迅猛发展使人类看到了固态照明的曙光1 6 j 。2 0 0 3 年l e d 的发光效率仅 在3 0 1 m w ，2 0 0 7 年批量生产的l e d 发光效率达到了8 0 1 m w ，研究室的水平达到了 1 3 0 1 m w 左右，预计2 0 1 2 年批量生产的l e d 发光效率可以达到1 6 0 1 m w 7 。随着我国半导 体照明工程的启动，大大拓展了l e d 的应用领域，使我国l e d 产业进入了飞速发展的新 阶段，中下游产业如薄膜生长、芯片及封装等技术将飞速发展。但上游产业如蓝宝石， 硅片等晶体生长和研磨抛光加工等工艺发展相对缓慢 8 - 1 0 】，导致目前我国只能提供装饰 第1 章绪论 灯、指示灯等较低附加值的l e d 灯具。 作为继s i 、g a a s 之后的第三代半导体材料的g a n ，使得半导体发光二极管和激光 器上了一个新的台阶，其在器件上的应用被视为2 0 世纪9 0 年代半导体最重大的事件之 一。而作为半导体照明产业技术发展基石的衬底材料，它的选择直接决定了l e d 芯片的 制造路线，是半导体照明产业的核心技术，具有非常重要的地位。一般来说，评价衬底 材料必须考虑以下因素【1 1 1 3 】： 1 衬底与外延膜的结构匹配程度：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、 晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低； 2 衬底与外延膜的热膨胀系数匹配程度：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与 衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程 中，由于发热而造成器件损坏； 3 衬底与外延膜的化学稳定性匹配程度：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延 生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下 降； 4 材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制 备要求简洁，成本不宜很高，衬底尺寸一般不小于2 英寸。 当前有许多衬底材料能用于g a n 晶片l e d ，但是真正能用于实现商业化的衬材料底 目前还比较少，一般只有两种，即蓝宝石和s i c ，目前还没有第三种衬底用于g a n 的l e d 的商业化生产。s i c 是作为一类非常重要的衬底材料，同蓝宝石相比，s i c 属于低阻材料， 可以制作电极，其晶格常数和材料的热膨胀系数与g a n 材料更为接近，并且易于溶解， 且本身具有蓝光发光特性，但s i c 材料也有其缺点，主要是其热膨胀系数与g a n 相差较 较大，容易导致外延g a n 层的裂纹，不适合大量使用，价格相对昂贵【。蓝宝石衬底是 目前使用最好也是最为普遍的一种衬底材料，单晶蓝宝石基片与g a n 晶格能互相匹配， 具有良好的高温稳定性与机械力学性能，符合g a n 薄膜生长过程中耐高温的要求，且单 晶蓝宝石基片在可见光范围内其透光性较好，加之对其研究也较多，生产技术较为成熟， 价格相对便宜，因此成为7 n 作白、蓝、绿、蓝绿光g a n 基片的关键衬底材料【1 5 d7 】。目 前已经能够在蓝宝石上外延出高质量的g a n 材料，并已研制出g a n 基片蓝色发光二极管 及激光二极管。 目前，对于衬底材料的加工主要是通过超精密加工来实现。超精密加工技术是上 世纪5 0 年代末，6 0 年代初由于电子技术、计算机技术、宇航和激光等技术发展的需 浙江工业大学硕士学位论文 要而发展起来的。它综合应用了新发展的机械技术成果及现代电子技术、计算机技术 和测量技术等新技术，是一种机械加工的新工艺。随着信息技术和微电子技术的飞速 发展，各种光电子元器件加工要求也越来越高，它包括现代机械、光学、电子、计算机、 测量及材料等先进技术，已经成为一个国家科学技发术发展水平相当重要的标志。同 时，对光电子元器件的性能要求越来越高，特征尺寸也在不断减小，对光电子元件的 关键零件基片材料的表面光洁度和平整度等加工精度的要求也越来越耐1 3 1 。现 在，超精密加工技术已经成为尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段，无论是 军事工业还是民用工业都很需要这样先进的加工技术【1 9 】。例如，激光核聚变用的光学 镜、大型天体望远镜的反射镜、激光打印机用多面棱镜、自动检测装备的扫描镜、激 光加工机的多曲面反射镜等各种光学元件都需要超精密加工；复印机的感光鼓、录像 机的磁头、计算机的硒鼓、磁盘等信息高科技产品；导弹舵机、精密泵、伺服阀等高 精度控制执行器零件；大规模集成电路制造装备【1 9 】。从某种意义上说，超精密加工担 任着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志 之一。 双面抛光加工作为材料超精密表面加工最有效的技术手段之一，受到了超精密加 工研究领域和光电子材料生产加工企业的广泛关注与重视。双面抛光加工工艺技术是 在单面抛光加工工艺技术的基础上发展起来的，它能避免薄片加工工件两表面的应力 差及由夹具的粘贴误差引起的材料变形等问题，因此相比于单面抛光加工，双面抛光 加工具有材料表面变形小，平面度高，加工效率高，易获得超光滑加工表面等优点。 同时在对要求两个相互平行的平面的工件( 如集成电路芯片、材料衬底基片、平面显 示器的玻璃等) 进行抛光加工时，采用两个平行平面同时进行抛光加工，其比分别抛 光加工两个平面的加工效率要高出一倍。所以一般双面抛光取代单面抛光加工，成为 晶片超精密表面加工的主要方法。但是双面抛光也有自己的缺点，由于双面抛光过程 的复杂性和不可视性，往往需要特定的实验来获得实验结果并说明抛光的加工机理。 因此对晶片双面抛光加工过程中各种工艺参数优化及抛光过程中表面去除的过程，国 内外都未进行深入地研究，没有一种严密完善的理论能够对双面抛光加工的完全特征 作定量的描述，这就极大地阻碍了光电子晶片加工技术水平的提高。 采用双面抛光加工需要精密的加工设备以及极为严格的加工工艺条件，目前国际 上只有美国、日本、英国等少数工业发达国家能生产和使用双面抛光机产品，昂贵的 进口价格也让国内厂家望而却步，而且由于在军工中的应用，对加工工艺技术始终保 第1 章绪论 密。我国虽有众多光电子材料晶片生产企业，但多数工厂只能完成研磨加工及少量光 电子材料晶片的单面抛光a n t _ ，目前尚存在工件表面加工加工效率低，平面度较差， 对环境污染严重，成本高等诸多问题，这些现象严重制约着生产企业的发展。超精密 双面抛光加工应用于化学机械抛光( c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 技术，在材 料切除过程中会由于局部高温、高压而使工件与加工液之间存在着直接的化学作用， 并在工件表面产生反应生成物，以抛光盘、磨粒和工件之间的摩擦作用来去除生成的 反应物，使工件上下表面的生成物不断被移除工件表面从而使工件表面实现平滑化 1 2 0 1 。对蓝宝石晶片进行双面化学机械抛光加工过程中表面材料去除过程及抛光过程中 各种工艺参数优化国内外都未进行深入的研究，没有一种严密的理论能够对双面化学 机械抛光抛光加工的特征作定量的描述，这就极大地阻碍了蓝宝石等光电子晶片加工 技术水平的提高。 超精密双面化学机械抛光加工应用于蓝宝石晶圆必须同时实现两个目标：一是追 求降低表面糙度，保证厚度公差和形状精度的要求：二是以实现l e d 衬底功能为目标， 解决高精度匹配的表面粗糙度和极小的变质层问题。因此开展对蓝宝石超精密双面 c m p 加工的研究，掌握蓝宝石晶片在双面c m p 加工过程中各工艺参数对晶片抛光加 工效率和表面质量的影响规律，获得高精度、低表面粗糙度值和无损伤的蓝宝石表面， 对于本课题的研究来说就具有极大的现实意义。 1 2 蓝宝石的特性 1 2 1 单晶蓝宝石的晶体结构 单晶蓝宝石基片又称白宝石，分子式为a 1 2 0 3 ，透明，与天然蓝宝石具有相同的 化学特性和力学性能，属于共价键化合物，其结晶晶体结构一般可分为两种排列方式： 六方密堆积与立方最密堆积两种。单晶蓝宝石的莫氏硬度为9 其硬度仅次于金刚石 的硬度。现已确定的蓝宝石有口、7 等9 种，本文研究的蓝宝石为口相氧化铝， 其构造如图1 1 所示，晶体结构为刚玉型，其中浅色为a l 原子，深色为o 原子。内 部构造为六方最密堆积氧原子层所构成，氧原子间的八面体配位的2 3 空隙是a 1 3 + 离 子所填允，二相氧化铝是由六层的氧原子，以a b a b 的方式所构成的单位晶格，其中 每层各台3 个氧，如果以单位晶格来算、氧原子共1 8 个。而铝原子在第一层、第四层 各为2 个铝原子，其余4 层各自3 个铝原子，以单位品格来算，铝原子共1 2 个。以此 4 浙江工业大学硕士学位论文 方式所构成的q 相氧化铝结构为八面体，此八面体可形成共点、共棱、共面的构造【2 1 1 。 晶胞的形状和大小可用6 个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数2 2 1 。它们 是3 条棱边的长度a 、b 、c 和3 条棱边的夹角口、夕、7 。如表1 1 所示为单晶蓝宝 石的晶胞参数。蓝宝石的晶格特征如图1 - 2 ，生长g a n 衬底多用c ( 0 0 0 1 ) 晶面。 ( a ) ( a ) 图1 1 蓝宝石晶体结构图 n 2n 图1 2单晶蓝宝石的品格结构 ( b ) 第1 章绪论 表1 1 蓝宝石的晶胞参数 1 2 2 单晶蓝宝石的材料特性 理论上，单晶蓝宝石晶片纯度达到1 0 0 时的密度为3 9 8 6 9 9 e m 3 ，且单晶蓝宝 石本身的密度对于其的机械特性有着直接的关系，密度越大则其机械性质相对越好。 单晶蓝宝石材料的抗压缩强度约在1 9 2 4g p a 之间，是抗拉强度的1 0 倍，而且其杨 氏弹性模数为3 8 0 g p a ，约为一般铁材的的2 倍，对于钢材来说其弹性模数只有2 0 0 g p a ， 但是如果单晶蓝宝石处于1 2 0 0 高温时，其弹性模数会急速下降；单晶蓝宝石的化学 性能非常稳定，不溶于水，一般也不受酸碱腐蚀；其热传导性、透光性、电气绝缘性 及力学机械性都非常好，熔点、沸点及工作温度都比较高，且具有抗风蚀、耐磨等特 点，蓝宝石的物理性质如表1 2 所示。对于蓝宝石老说，硬度为蓝宝石另重要的机 械性质，它代表着耐磨损的能力，蓝宝石的硬度很高，莫氏硬度达9 ，仅次于金刚石 ( 莫氏硬度1 0 ) ，一般来说，单晶蓝宝石的纯度越高，则硬度相对越高，其耐磨耗的 能力也就越好。 表1 2 单晶蓝宝石的物理性质 化学式 口a 1 2 0 3 晶格常数( a ) 密度( g c m 3 ) 硬度 泊松比 杨氏模量( g p a ) 剪弹性模量( g p a ) 表观弹性极限( g p a ) 比热( c a l c ) 热导系数( w m k ，3 0 0 k ) 熔点( ) a = 4 7 6 5c = 1 3 0 0 0 3 9 8 莫氏9 0 2 5 旬3 0 3 4 5 1 4 5 2 7 5 0 1 平行方向3 5 1 ，垂直方向3 3 0 2 0 4 0 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 单晶蓝宝石的热性质 热性质主要包括比热、热膨胀系数、热传导系数与热扩散系数。单晶蓝宝石的热性 质也与其纯度有关，一般而言，单晶蓝宝石纯度越高，则其热传导系数及热扩散系数也 会越高，而热膨胀系数则不一定。热扩散系数与热传导系数会随着温度升高而上升，当 单晶蓝宝石的温度升高n s o o ，其氧化铝的热含量接近于饱和。 正是由于单晶蓝宝石具有这样优越的物理、化学和光学特性，因此被广泛应用于工 业、国防、科研等领域，并越来越多地用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、 精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料【2 3 - 2 6 。 虽然蓝宝石具有上述优良的光学特性和力学性能，但正是由于这些特殊性质，使得 对其表面加工的难度很大，在蓝宝石作衬底片上生长g a n 时，要求蓝宝石表面要达到超 光滑的无损伤表面，但由于其硬度仅次于金刚石，研磨抛光技术困难，加工时间长，蓝 宝石单晶衬底为典型的脆硬材料，在加工过程和应用过程中如果存在较高的张应力就会 产生破裂或表面和亚表面损伤，而且传统的加工单晶蓝宝石基片方法会在工件上造成表 面刮痕及次表面破坏，而这些表面刮痕及次表面破坏都会影响光学特性，并且造成工件 表面应力集中使得工件寿命与可靠度受影响【2 刀。目前超光滑表面是指：表面粗糙度小于 l n m 的表面。无损伤表面是指：加工表面不能有加工变质层，且表面晶格完整。因此产 业化制备满足光通讯、光电子领域需求的高品质的蓝宝石晶体元件技术是相当复杂的系 统工程，涉及机械制造、晶体结构、超精密加工、物理化学、力学等相关学科，目前国 内在蓝宝石批量加工的技术还很不成熟，国内高亮度l e d 所采用的蓝宝石衬底材料几乎 全部从日本、德国、俄罗斯、美国等进口，高亮度l e d 蓝宝石衬底的加工技术体系在国 内并未完全被掌握。加之蓝宝石元件在航空航天、国防军事等方面的特殊用途，国际上 对高亮度l e d 蓝宝石衬底材料的关键装备及其加工工艺技术实施严格保密和封锁，关键 设备禁销，因此为了满足对蓝宝石发展的要求，获得高平整的表面，需对蓝宝石的超精 密的加工技术进行深入研究是非常有必要的，该方面的研究是我国半导体照明工程上游 产业急需攻克的关键课题。 1 3 蓝宝石的制备 蓝宝石晶体的生长方法有几种：如提拉法( c z ) ，温度梯度法t g t ，高温高压水热 法等。下面就以提拉法和温度梯度法对蓝宝石晶体的生长作一下简单的介绍： 第1 章绪论 1 提拉法冈【2 8 】 提拉法又称c z 法。合理的温度场是生长晶体的首要条件。为了获得高质量的晶 体就要确保整个拉晶过程中温度场的恒定。而温度场的设计必须有适当的纵向和径向 温度梯度和适当的坩埚与晶体的直径比例，即保证适当的过冷度条件。只要存在径向 温度梯度和纵向温度梯度，熔体内就会出现热运动，使固液界面处晶体存在着热应力。 当超过晶体材料的临界应力，晶体中就会产生位错。 对此，秦友兰、倪宗祥【2 9 l 等以定型态的光滑纯石墨制作的加热器以及用多层钥片 作热屏障系统，以创造出适宜蓝宝石晶体生长的温度场。另外，提拉速度和晶体转速 的变化也会影响固液界面形态的变化。为保证得到外形均匀和完整性好的蓝宝石，必 须保证固液面为平界面或者平凸界面。适当的拉速是获得高质量蓝宝石的重要条件之 一。鉴于以上原因，秦友兰等人用c z 法生长蓝宝石晶片时所采用的工艺条件是：拉速 为3 5 - - 4 5 m m h ，转速为4 2 - - 4 5 r m m ，炉内充纯度为9 9 9 9 的氢气，用钨来热电祸测 温，以d w 7 0 2 密度温度控制仪和程控仪来控制温度。 2 温度梯度法【3 0 】 温度梯度法又称t g t 法。该种方法生长的蓝宝石晶片的完整性很高，其位错密度 一般为2 x 1 0 3 c m 2 ，x 射线双晶衍射的摆动曲线半峰宽为1 0 2 0 a r c s e c o n d ，由于蓝宝石 晶体是在高温缺氧条件下生长的，一般都会在晶体内因缺氧而形成大量的氧空位。当 氧空位和自由电子相互作用时便形成色心缺陷，如f 心和凡心等。此外，高温晶体在 生长结束后的冷却过程中存在很大的内应力，为了消除晶体的色心缺陷和内应力，一 般要进行高温退火，退火温度为1 6 0 。 此外，温梯法生长的a 1 2 0 3 晶体因石墨发热体在高温时的挥发和原料中过渡性金 属离子的存在，使晶体在不同部位显现不同的颜色，且一般是上部为浅红色，第一章 绪论蓝宝石晶片超光滑加工技术研究尾部为浅黄色。徐军、周国清等人提出了“两步退 火法”来解决这个问题。他们认为将t g t 生长的a 1 2 0 3 晶体依次经过高温氧化气氛， 高温还原气氛脱炭，去色退火等过程，最终晶体就会变成无色透明的晶体，且光学透 过率和光学均匀性均有显著的提高。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 单晶蓝宝石超光滑表面研究现状 1 4 1 单晶蓝宝石加工技术简介 随着光电技术的飞速发展，光电产品对蓝宝石衬底材料需求量的日益增加，同时 随着l e d 元件的不断拓展，蓝宝石已经成为最重要的衬底材料之一，具有极大的国内 外市场需求。由于蓝宝石机械加工非常困难，镜面加工技术更加复杂，是目前世界各 国重点研究的课题之一，当前在蓝宝石整个加工过程中，国内普遍采用如图1 3 所示 的工艺路线。 f 辩 切片巍 釜f j 馏鞘斑 扣滋麓 蜷 镜啦研磨 崴武钎船帆 麝艇讣碉 蚪| 鲺髓刚矾 艘删1 7 蕊 螭潮尊例机 漓洗 上演洗 捌功稠i l j 鞠线敬喇钒 睡沈 中列溃洗捌 研黔半嘲 直式蛾麝机 铭断缭例 瀚珏磁睁搬 斜两糖兜 穰式抛圪巍 漶洗 弘。1 清洗 图1 3蓝宝石加工普遍采用的工艺路线 在实际生产使用中的蓝宝石晶片，都是由晶棒经过切割然后经过研磨抛光加工制 成，一般先用线切割或多线切割机将半导体晶棒切割成晶片，因在切割过程中，切割 加工条件总会有所变化波动，因此切割后的蓝宝石在厚度和平整度等方面都存在偏差。 如果切割条件变化，还会造成较深的损伤层。由于晶片抛光过程材料表面的去除量很 小，所以在抛光前，还需要用研磨来改善晶片的平整度、弯曲度与平行度的偏差，并 降低由于切割造成损伤层的厚度。 一般传统加工工艺对蓝宝石的研磨抛光都会选择硬度比蓝宝石大的做为磨料，会 9 第1 章绪论 加工过程会产生许多不足，主要有以下几个方面： 1 加工过程中晶片缺角比例较高，占总数的5 8 。 2 研磨及抛光后，宝石片表面会出现较重的划痕，有2 0 左右晶片表面会有粗 深痕迹，需要重新进行研磨抛光，使得晶片厚度达不到要求而报废，这样即增加了成 本，有影响加工效率。 3 加工废液处理不当易引起环境污染。 现阶段单晶蓝宝石的加工主要是集中在c ( 0 0 0 1 ) ，a ( 11 2 0 ) ，m ( 1 0 1 0 ) 三个晶向上。 对于蓝宝石来说，由于晶向的不同其许多特性也是完全不同的，比如：在平行与不平 行于c 方向的晶片，热伸展率、介电常数、硬度及弯曲强度等方面的差异是非常大的。 通过查阅相关文献资料我们得到，对于晶片，晶向的不同会很大的影响材料的研磨和 抛光速率，在相同条件下，对蓝宝石加工c 晶向的材料去除率远远大于a 方向和m 方 向，所以在抛光蓝宝石时，我们主要集中在c 方向上【3 l 】。 针对以上单晶蓝宝石晶片加工中存在的不足，发展了许多先进的超精加工技术， 如水面滑行抛光、磁流体抛光、电泳抛光、化学机械抛光、浮动抛光、机械化学抛光、 水合抛光和弹性发射加工掣3 2 。3 5 1 。上述技术有些已在单晶硅、光学玻璃、蓝宝石晶体、 砷化稼( o a a s ) 等硬脆晶体材料的超精密加工中得到了广泛应用，有些尚在进一步的研 究中。近几年，国外还提出了固结磨料化学机械抛光( f i x e da b r a s i v e sc m p ，f a c m p ) 【3 6 1 、无磨料化学机械抛光【3 刀和摩擦化学抛光【3 8 1 等比较先进的超光滑无损伤表面的超精 密加工技术，但是由于加工工序比较复杂难以避免的增加了碎片的几率。工业上对蓝 宝石衬底多以化学机械抛光加工为主，c m p 在化学作用的环境下，通过机械作用将化 学反应物去除掉，提高了材料的去除速率，同时也得到良好的表面形态。目前对蓝宝 石的c m p 加工多采用硬度比蓝宝石高的金刚石微粉作为磨粒，n a o h 、k o h 等强碱 作为抛光液，抛光过程中通过磨粒强制性机械力将衬底表面材料去除，虽然可以实现 较快的去除速率，但很容易在衬底表面产生明显的划痕和亚表面损伤的现象甚至让蓝 宝石衬底在后序的工艺中发生碎裂，且蓝宝石衬底的硬度是单晶硅的3 倍以上，良好 的耐强酸强碱腐蚀和高温性能使得化学机械抛光加工的质量远远不如硅片的效果好。 1 4 2国内外的研究现状及趋势 8 0 年代初期，国际商业机器公司( i b m ) 首先提出的化学机械抛光引入集成电路进行 平坦化的制程工作。主要是通过适当的制程参数设计，利用一个抛光平台，配合适当的 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 化学溶液，将晶片表面高低起伏不一的轮廓加以磨平。安永畅男使用不锈钢环抛光蓝宝 石，发现蓝宝石界面与不锈钢形成了结构松软的固相化学反应层，蓝宝石表面具有镜面 光泽，而且没有发现亚表面损伤的现象，并提出了机械化学抛光的概念【3 9 1 。n a m b a 和 t s u w a 等人在进行蓝宝石超抛光的实验中，利用二氧化硅水溶液搭配上锡盘当研磨盘， 首次观察到蓝宝石的残余表面粗糙度为l n m ，对于使用s i 0 2 当磨粒而言，因为其硬度比 蓝宝石的要低，理论上并不具有去除蓝宝石表面的能力，但是实验结果却说明s i 0 2 抛光 液具有去除蓝宝石表面材料的能力，利用此套仪器设备对蓝宝石进行抛光可获得比较好 的表面粗糙度并认为在超抛光中，抛光液中直径7 n m 的胶羽状s i o 通过撞击移除了蓝宝 石表面原子，并提出了一种新的抛光方法，浮法抛光法【删。g u t s e h e 着i m o o d y 4 1 1 等人在 其研究成果上提出假设，他们认为是由于单纯的化学反应s i 0 2 才能移除蓝宝石表面的原 子，而来自抛光过程摩擦产生的热是化学反应能够进行的驱动力，并提出化学反应式为： 4 乞q + 2 s i 0 2 + 2 1 1 2 0 = 彳，2 d 7 2 皿d 反应后生成物为高岭土，并可利用抛光液的流动特性将高岭土移除。 p r o c h n o w 和e d w a r d s 4 2 】等人使用直接接触法搭配上沥青抛光盘对蓝宝石进行超抛 光，抛光结果均方根粗糙度值可达到0 2 o 3 n m 。b h a d e r g l o w e i s 4 3 】依据p r o c h n o w 和 e d w a r d s 4 2 】等人证实的直接接触的想法的基础上，提出了“热液磨耗的理论模型。最 近几年，国际上一些知名的半导体及光电子技术公司纷纷投入了大量的资金去研究蓝宝 石抛光，并取得了一定的成果，如美国、日本、德国以及俄罗斯等公司己经能产业化生 产3 英寸的单晶蓝宝石，并且正在研发4 英寸的技术。 相比与国外，我国的起步比较晚，2 0 世纪8 0 年代才正式开始对蓝宝石进行研究开发， 北京市光电子技术实验室李冰、郭霞】等人研究了利用碳化硼作为磨料对蓝宝石基片外 延片减薄加工过程中，比较了在不同的氮化硼磨料粒度对蓝宝石去除速率和表面粗糙度 的影响，以及去除速率和表面粗糙度与研磨盘转速和研磨压力的关系，通过比较实验最 终表面粗糙度可达到r a 6 0 2 5 n m 。浙江工业大学袁巨龙【4 5 j 等人，研究讨论了蓝宝石化学 机械抛光过程中的必备条件，并提出了相应的抛光机理。文章认为蓝宝石加工过程中， 即使蓝宝石与磨料在高速接触过的界面接触点的时间非常短( 1 0 一1 0 5 ) ，也能发生固相 化学反应，生成1 0 数量级厚度的化学反应层，且反应生成物与材料自身的结合力很低， 在抛光过程中极易用磨粒的机械作用移除。河北工业大学王娟1 4 6 】等人对蓝宝石晶片化学 机械抛光液进行了研制并对蓝宝石衬底片进行了化学机械抛光加工，确定了适宜蓝宝石 第1 章绪论 化学机械抛光加工的条件：1 = 3 0 ，p h 值在9 和1 3 之间，并得出采用大粒径、高浓度的 s i 0 2 抛光液并且在抛光液中应加入适量添加剂，可以获得较高的材料去除率和较好的表 面粗糙度。深圳奥普光电子有限公司发明了一种新的蓝宝石加工方法，叫固相反应湿式 c m p 力i 工方法。该加工方法选取比蓝宝石硬度低的氧化物微粉作为磨料；在抛光中，氧 化物磨料与蓝宝石接触，在接触点发生固相化学反应，生成结晶层；磨料通过机械接触 把结晶层去除。通过实验结果表明用该抛光加工方法获得的蓝宝石表面基本没有任何损 伤，获得了比较理想的加工表面，提高了抛光加工效率，降低了生产成本。 从上面国内外对蓝宝石的几种；0 n - r 方法可以看出，对蓝宝石晶体的加工条件都比 较特殊，虽然加工后得到的晶体表面精度能够达到使用的要求，但同时晶体表面也存 在一定的缺陷，影响晶体的应用，因此开展对蓝宝石c m p 加工的研究，探索蓝宝石 晶体的加工方法对其未来的应用也很重要。 1 5 课题研究内容 本文在分析了单晶蓝宝石的生长与物理、化学和光学特性的基础上，对蓝宝石加 工中表面的质量比较差、精度表面损伤度大以及加工效率低等问题，以及一些加工工 艺参数进行了研究，通过对蓝宝石加工的理论分析，用超精密双面抛光机对蓝宝石进 行双面化学机械抛光加工，实现低成本、高效率，表面精度较高的蓝宝石加工。本文 的主要研究工作如下几个方面： 1 对于蓝宝石c m p 加工，从动力学过程分析机械作用与化学作用的互相联系。用 接触力学和流体动力学理论来建立抛光垫、工件以及磨粒之间的c m p 模型，分析磨 粒的机械作用机理。通过对蓝宝石的化学作用分析c m p 加工对蓝宝石表面的影响。 2 在超精密双面抛光机上进行蓝宝石c m p 双面抛光加工实验，选取比较适合作为 蓝宝石加工的抛光液。同时研究抛光盘转速、抛光压力、抛光液浓度等工艺参数对蓝 宝石晶片去除率和表面质量的影响，通过实验对比理想的工艺参数。 3 采用b p 神经网络和m a t l a b 的仿真，建立蓝宝石材料去除率的预测模型， 可以实现不同的加工参数下的蓝宝石去除率的预测。 4 对蓝宝石进行优化实验，得到的蓝宝石晶片去除率及表面质量，金相显微镜与 白光干涉仪对优化抛光后的蓝宝石晶片表面形貌进行了检测与分析，分析优化后蓝宝 石的表面质量，得到较好的表面粗糙度及表面质量。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第二章蓝宝石晶片c m p 加工机理分析 抛光加工技术种类很多，从理论和实践来说，化学机械抛光技术在加工一些特殊 材料中被广泛的应用，且加工效率比较明显，可以实现材料的全局平坦化，在蓝宝石 加工工艺中，其核心部分是研究化学机械抛光技术，主要包括抛光机理、抛光方式和 抛光工艺。自从化学机械抛光技术应用于集成电路以来，被广泛用于多种材料的加工 中，且众多的研究者从物理、化学及控制方面对c m p 的材料去除机理等进行了大量 的研究。但是目前，对化学机械抛光仍有很多本质现象还不能进行很好地解释。化学 机械抛光是利用机械磨削和化学腐蚀对材料进行去除，是一个复杂的多项反应过程， 由图2 1 可以看出，影响晶片c m p 过程的因素很多，其每一个影响因素的变化都会影 响到晶片c m p 系统输出参数的变化，即影响到晶片c m p 材料去除的机理，各影响因 素之间还具有微妙的交互作用。 图2 1蓝宝石c m p 的关系图 1 3 第2 章蓝宝石晶片c m p 加工机理分析 目前对于c m p 方法材料去除机理的模型及理论可以概括为如图2 2 所示。由于蓝 宝石自身的硬度很高，目前国外虽然对蓝宝石的加工有了一定的进展，也获得了较为 理想的表面质量，但是同时也存在的一定的问题，比如加工条件和加工成本比较高， 加工效率比较低，加工中出现缺陷痕、点蚀、凹坑、突起、沾污等产品报废现象。本 章主要是从蓝宝石材料在加工过程中的动力学过程进行分析，用接触力学和流体动力 学理论来建立抛光垫、工件以及磨粒之间的抛光c m p 模型，探讨磨粒的机械作用机 理，并通过抛光液对蓝宝石的化学作用分析c m p 加工对蓝宝石材料的影响。 去除机理 = 三 其他化学反应机理 图2 2 蓝宝石材料去除机理研究模型 2 1 蓝宝石c m p 中材料去除的动力学过程及构成 2 1 1 蓝宝石表面c m p 的动力学过程分析 c m p 加工的目的是消除表面的凸起部分，降低表面粗糙度，是表面实现平坦化， 依据机械加工原理、半导体材料工程学、物理化学多相反应多相催化、表面工程学、 半导体化学基础等理论对化学机械抛光过程的研究，认识到化学机械抛光是一个十分 复杂的多相反应过程，并存在着两个动力学过程： ( 1 ) 首先是抛光液中的化学成分向抛光材料的表面进行扩散，然后由外向内表面扩 散，其扩散速率与质量附面层有关，随着抛光液中的化学成分如氧化剂、活性剂等吸 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 附在材料的内表面，材料表面开始与化学成分发生化学反应，把材料的损伤表面和材 料表面附着的物质通过反应转变成更容易抛光的软化层，提高抛光加工效率，这个动 力学过程主要一化学作用为主； ( 2 ) 在c m p 加工过程中，抛光盘、抛光垫及磨粒通过对材料表面的研磨，将化学 作用过程形成的表面软化层抛离抛光表面，使化学作用的生成的软化层通过抛光液的 扩散脱离材料表面( 解吸过程) ，并使未反应的材料表面重新暴露出来，从而保证了材 料表面化学作用继续进行。这一阶段的动力学过程是控制抛光速率的一个重要过程， 它是以机械作用为主的动力学过程。 若化学反应过程过快，机械作用过程很慢，化学腐蚀作用大于机械磨损作用，这 样会导致整个抛光过程的效率很慢，抛光片表面会产生腐蚀坑、桔皮状波纹等现象。 这是因为化学作用能使材料表面生成比较容易去除的反应产物，但由于不能及时脱离 表面，反应的化学剂无法和新的材料表面接触，阻碍了反应继续进行，使加工效率降 低，并且化学反应速度过高会导致材料表面腐蚀的不均，使材料表面局部出现腐蚀坑 现象；若机械作用过程较快，化学反应过程进行得比较慢，此时机械磨损作用大于化 学腐蚀作用，虽然材料表面的平整度会比较好，但是由于磨粒的机械摩擦磨损必然会 使表面产生比较粗深的划痕，在抛光表面产生损伤层。所以，在整个c m p 加工过程 中，两个动力学过程中相对比较慢的过程决定了材料的抛光速率m 1 。化学机械抛光加 工就是化学动力学与机械动力学过程共同作用的综合结果，直接决定了材料的抛光速 率的快慢和一致性，也就是说，如果化学作用和机械作用两者共同作用的速率不能很 好的匹配就会造成材料表面局部平整度比较差或形成表面损伤层，影响材料表面质量， 只有二者速率相匹配才能产生良好的光洁度和平整度。因此为达到将表面加工成一个 平坦的、清洁的镜面的目的，必须使抛光过程中的化学腐蚀