（机械设计及理论专业论文）单晶mgo高温超导基片cmp工艺的研究.pdfVIP

大连理工大学硕士学位论文 摘要 单晶氧化镁( m g o ) 在高温下具有较好的化学稳定性、热传导性和绝缘性，在高频 时具有很小的介电常数和损耗，是一种可产业化的重要的高温超导薄膜单晶基片。由于 基片的加工表面质量严重地影响在其表面所生长的高温超导( h i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r , h t s ) 薄膜的性能，所以如何获得超光滑无损伤的基片表面是一个亟待 解决的问题。单晶m g o 是典型的硬脆材料，目前实际生产所采用的机械抛光工艺存在 抛光效率低、加工质量不稳定、碎片率高等问题。目前对单晶m g o 超精密加工技术的 研究较少，没有一套完整的专门适合于单晶m g o 的超精密加工工艺。本文采用化学机 械抛光( c h e m i c a lm e e h a a i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 方法加工单晶m g o 基片表面，通过化 学和机械的交互作用去除表面损伤层，高效地获得超光滑无损伤的单晶m g o 基片表面。 本文在大量的c m p 实验基础上，研究了影响c m p 过程的主要因素( 如抛光垫、抛 光液、抛光压力、抛光盘转速等) 对单晶m g o 基片抛光效果的影响规律。根据单晶m g o 基片的物理化学性质，研制了适合单晶m g o 基片的化学机械抛光液。对抛光垫的主要 特性参数进行了检测和评价。并在相同工艺参数下，使用不同的抛光垫分别对单晶m g o 基片进行c m p 实验，对比分析了不同抛光垫的作用机理及抛光效果，选择出一种适合 单晶m g o 基片c m p 的抛光垫。通过正交实验，对c m p - r 艺参数进行优化，获得了较 好的基片表面质量，表面租糙度r a 值达到1 3a ( a f m 测量结果) ，提高了加工效率， 降低了成本。本文还针对c m p 过程中的小尺寸基片面形难于控制的问题，研究了c m p 工艺参数对单晶m g o 基片面形的影响，对于改善基片面形精度有一定的指导意义。 关键词：单晶_ 9 0 ；化学机械抛光；抛光垫；高温超导 单晶m g o 高温超导基片c m p 工艺的研究 s t u d y o nc m p t e c h n o l o g yo fs i n g l ec r y s t a lm g o s u b s t r a t e sf o rh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s a b s t r a c t s i n g l ec r y s t a lm g o h a ss u c hr e r f o r m a n e e sa sg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t y , h e a t - c o n d u c t i o n a n di n s u l a t i o nu n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r e ，v e r yl o wd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dd i s s i p a t i o ni nh i 曲 f r e q u e n c y i ti sak i n do fi m p o r t a n ts u b s t r a t ef o rh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ( h t s ) t h i n f i l m t h es u b s t r a t as u r f a c eq u a l i t y ，s u c h 觞s u r f a c er o t l g 3 n e s s m i c r o s t r u c t u r e d i r e e t l y i n f l u e n c e st h eq u a l i t yo fh t st h i nf i l lg r o w no ni t s o i ti sa ni m p o r t a n tp r o b l e mh o wt og e t m g o s u b s t r a t ew i t hh i 曲s u r f a c eq u a l i t y b e c a u s es i n g l ec r y s t a lm g oi sak i n do f t y p i c a lh a r d a n db r i t t l em a t e r i a la n dh a ss o m es p e c i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，t h e r ea l es o m e d i s a d v a n t a g e si nm e c h a n i c a lp o l i s h i n go fs i n g l ec r y s t a lm g os u b s t r a l e s s u c ha sl o wm a t e r i a l r e m o v a lr a t ef m r r ) ，p o o rs u r f a e eq u a l i t ya n dh i g hp e r c e n to ff r a g m e n tw 3 b t e m o r e o v e r , t o t h ea u t h o r sb e s tk n o w l e d g e , s y s t e m a t i cs t u d yo nu l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n go fm g os u b s t r a t e s h a sn o tb e e nr e p o r t e d i nt h i st h e s i s ，t h ec h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) t e c h n o l o g yo f m g os u b s t r a t ei ss t u d i e di no r d e rt oe f f i c i e n t l yo b t a i nt h eu l t r as m o o t ha n df r e ed a m a g e b x n f a c eo f m g os u b s t r a t e sb yu s eo f t h ec h e m i c a la n dm e c h a n i c a li n t e r a c t i o n as e r i e so fc m p e x p e r i m e n t a lb m i d i e so nt h ei n f l u e n c e so ft h em a i nf a c l o l 苫( p o l i s h i n g p a d , p o l i s h i n gs l u r r y ，p o l i s h i n gl o a d ，t a b l er o t a t i o n a ls p e e d ) o nt h es u r f a c eq u a l i t yo fs u b s t r a t e a r ee a l r i e do u t a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs i n g l ec r y s t a lm g o ，t h e a p p l i e dp o l i s h i n gs l u r r yf o rm g oi sd e v e l o p e d n 圮m a i nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f d i f f e r e n tk i n do fp o l i s h i n gp a da r em e a s u r e da n da r n , r a i s e a 。n 圮e f f e c t so ft h ed i f f e r e n t p o l i s h i n gp a d sa l ec o m p a r e da n da n a l y z e dt h r o u g hc m pe x p e r i m e n t su n d e rt h es a m ep r o c e s s p a r a m e t e r s ，a n dt h e nak i n do fp o l i s h i n gp a df o rs i n 百ec r y s t a lm g os u b s u m e si sc h o s e n f i n a l l y ，t h es u i t a b l ec m pp a r a m e t e r sf o rs i n g l ec r y s t a lm g oa r eo b t a i n e db yu s i n gt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d i ti sp r o v e dt h a tt h es u d 搬r o u g h n e s so fm g os u b s t r a t ec a l l r e a c hr a0 4 n ma n dt h em r ro fm g os u b s t r a t ei s i m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，a i m i n ga tt h e d i f f i c u l t yt oc o n t r o lt h ef l a t n e s so fs i n 垂ec r y s t a lm g os u b s t r a t e ，e s p e c i a l l yt ot h i n n e r s u b s t r a t e ，t h ei n f l u e n c e so f c m pp a r a m e t e r so nt h ef l a t n e s so f m g os u b s t r a t ei si n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：s i n g l ec r y s m li g o ：s u b s t r a t e ：c m p ；p o l i s h i n gp a d ：l a g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 蔓巳叠竺 具 立吐年上月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题意义及背景 随着薄膜在微电子器件中的广泛应用，市场对与之相匹配的基片材料的需求量越来 越大。单晶m g o 在高频时的介电常数和损耗都很小，并且与常用的半导体衬底材料s i 、 电极材料p t 以及铁电和超导材料的晶格常数等关键性质都很接近，且能够得到大尺寸 的基片( 直径2 英时及更大) ，所以是当前可实现产业化的重要的单晶基片之一。单晶 m g o 还具有超常的耐温性、透光性和化学稳定性，使其在航空航天窗口材料、高温超 导材料、光电器件等领域具有重要的作用和广泛的应用前景【l - 3 。 基片是薄膜生长的载体，目前性能良好的薄膜多采用外延技术生长。而随着外延薄 膜生长技术研究的不断深入和提升，对单晶基片的质量也提出了越来越高的要求。 这是因为基片表面上存在的任何微小缺陷都会破坏基片表面上生长的薄膜的质量和性 能，甚至导致薄膜构造的变化，影响元件的工作精度和可靠性【_ ”。因此，对于薄膜生长 来说，基片的表面质量至关重要。 单晶m g o 是典型的硬脆材料，容易沿着( 1 0 0 ) 晶面解理、脆性大，很容易在加工 表面形成缺陷【s ，9 ，用传统的机械抛光技术容易使基片表面产生微裂纹和微破碎。目前在 实际的单晶m g o 基片生产中，一直沿用机械抛光方法，存在抛光效率低、加工质量不 稳定、碎片率高等问题。 目前国内外对单晶m g o 的超精密加工技术研究较少，对m g o 基片超光滑无损伤表 面的形成机理和加工工艺还没有进行系统的研究，缺乏必要的理论指导。并且近年来市 场上对高温超导基片的需求量越来越大，而我国的m g o 基片材料资源( 菱镁矿) 很丰 富，菱镁矿资源占世界总量的1 4 。但由于受单晶m g o 晶体制备技术和超精密加工技术 的限制，我们只能大量出口菱镁矿石，导致矿石价格大幅下降和优良资源流失。相反， 还需要高价从国外购买高质量的单晶m g o 基片。因此，如何获得具有超光滑无损伤的 单晶m e o 基片，便成为制约其应用的重要因素。 目前在单晶m g o 基片的超精密加工中主要采用的工艺路线为：切片一研磨一抛光 一清洗。其中，抛光是决定基片最终质量的最关键的工序。化学机械抛光( c h e m i c a l m e c l 恤n i c a lp o l i s h i n g , c m p ) 方法是一种能够高效的获得超光滑无损伤表面的平坦化方 法1 1 0 , 1 1 】。用此方法可以获得满足加工质量要求的基片。但是目前还没有一套完整的专门 适合于单晶m g o 的化学机械抛光工艺及相应的理论。 针对这现状，本课题对单晶m g o 高温超导基片的化学机械抛光工艺进行研究。 以改善单晶m g o 基片的表面质量，提高加工效率为目标。研究工作主要集中在以下几 方面： ( 1 ) 抛光垫特性参数的检测及其对单晶m g o 基片化学机械抛光效果的影响。 ( 2 ) 化学机械抛光过程中，各工艺参数对抛光速率和基片表面粗糙度的影响规律， 以及单晶m g o 化学机械抛光工艺的优化。 ( 3 ) 化学机械抛光过程中，各工艺参数对单晶m g o 基片面形的影响。 研究成果可以直接应用于单晶m g o 基片的加工生产，对于提高我国菱镁矿的深加 工水平，促进我国微电子、磁电子和光电子等高新技术的发展，赶超国际先进水平，具 有重要的现实意义。 1 2 单晶m 9 0 超精密加工技术研究现状 在单晶m 9 0 研究方面，由于设备投资、技术水平和研究成本等原因，目前世界上 具备氧化镁单晶合成、纯化研究和中试生产能力的实验室数量很少，其研究工作处于高 度保密状态。由于受到单晶m 9 0 晶体生长制备技术的限制，国内外对单晶m 9 0 基片的 超精密加工方法投入和研究较少，相关文献和报道几乎检索不到。 j e o n g - d uk i m i2 ，1 3 烽入研究了金剐石砂轮磨削单晶m g o 的特性和磨削表面裂纹的 形成，并研究了在线电火花修整和在线电解修整金刚石砂轮技术在超精密磨削单晶m g o 中的应用。而关于单晶m g o 基片c m p 工艺和关键技术的研究文献尚未找到。 在e e m i t c h e l l 1 4 】等人的文献中，提到了m g o 基片表面质量对薄膜生长的影响。单 晶m g o 基片表面上的宏观缺陷，如抛光纹路和划痕对沉积的y b c o 薄膜的形态和性能 有很大影响，有严重划痕的粗糙基片表面上沉积的薄膜不仅粗糙度较大，而且性能较差， 导致薄膜和连接节的临界电流密度j c 显著降低。在表面粗糙度小于l n m 和大于1 6 n m 的单晶m g o 基片上沉积的薄膜的j c 值要相差2 3 倍。s a n g s u bk i m 1 5 】、d a m m a k 1 6 j 和 t h a r a d a 1 7 】等人研究表明，通过解理、抛光和退火处理等不同方式所形成的m g o ( 1 0 0 ) 表面的微观形貌和微观结构将影响单晶m 9 0 基片上生长的铁电薄膜的微观结构和结晶 度。a 晰o u l l s l 和e n g k v i s t l l 9 1 等人研究表明m g o 基片表面的吸附物也会影响薄膜的表面 形态和性能。上述研究对m g o 基片的质量提出了具体的要求。而且随着薄膜技术的发 展，未来对大尺寸( 拉英寸) m g o 基片表面质量提出了更高的要求。用于高温超导( h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r h t s ) 薄膜外延生长的m g o 基片通常需要双面抛光，要求 达到表面粗糙度r a2 a ，表面平整度小于x 6 ；且要求基片没有划痕、凹坑、崩边、微 疵点、微裂纹、位错、非晶相变与残余应力等表面亚表面缺陷和损伤，基片表面不产生 雾化、无残留水渍和吸附物，这些要求对单晶m g o 基片超精密加工技术提出了新的挑 战。图1 1 是单晶m 9 0 基片的图片。 单晶m g o 是典型的难加工硬脆材料，脆性大、易解理，在超精密加工过程中存在 着很多难以解决的关键性问题。以前，国内外普遍生产直径1 英寸单晶m g o ，现在国 外商品化小尺寸单晶m g o 基片的加工水平已达到表面粗糙度r a 5 a ，平整度x 4 。国内 的加工水平与国外相比有较大差距。国际市场上高品质单晶m g o 产品的供应商主要集 中在美国、日本、以色列等少数国家。这些供应商的技术保密工作非常严格。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 单晶m g o 基片 f i g 1 1s i n g l ec r y s t a lu g o s u b s a a t e s 目前，美国橡树岭国家实验室( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y o r n l ) 和工业晶体 实验室( c o m m e r c i a c r y s t a ll a b o r a t o r i e s ) 联合研究开发，已研制成功直径2 英寸和3 英寸的大尺寸单晶m g o 。德国的柏林晶体公司也成功研制了3 英寸的大尺寸单晶m g o 。 美国的大尺寸单晶m g o 基片作为多种薄膜材料的衬底应用于h t s 器件和光通信以及光 计算机的光开关和调节器。因为由热源产生的红外线能以很高的温度穿过m g o 晶体， 大尺寸单晶m 9 0 窗口和镜头还应用于化学分析的红外分光仪和遥测地球上生热过程的 人造卫星传感器。大尺寸单晶m g o 其它已有的和潜在的应用还包括宇航和国防工业的 光学零件等。国内。中科院的一些研究所和大连理工大学等少数几个单位已研制出低成 本的2 英寸单晶m g o ，并用于超导技术研究。因为国外对涉及尖端技术和国防应用领 域的高质量的m g o 基片在技术和产品上对我国实行封锁，所以涉及m g o 基片加工工艺 的文献几乎检索不到，而国内的少数的几个研究所也没有对单晶m g o 基片的超光滑无 损伤表面的超精密加工进行系统的理论和技术的研究。在所查到的有关m g o 基片表面 质量对薄膜生长影响的研究文献中【t s j 7 , 2 0 l ，只是简要的介绍了抛光时所用的抛光液，没 有对抛光后的表面质量给出详细的评价指标。由此可以看出，现在世界上还没有研究人 员或学者对单晶m g o 基片的超精密加工工艺以及单晶m g o 基片c m p 工艺进行系统的 研究。而化学机械抛光方法是获得超光滑基片表面的有效的加工方法，因此，研究和掌 握单晶m g o 基片的c h i p 技术显得非常重要。 由于单晶m g o 有其独特的物理化学及力学性能，所以对单晶m g o 的c m p 技术进 行研究，就需要建立一个适合单晶m g o 基片c m p 的模型。研究在这一过程中单晶m g o 基片的材料去除机理，并探究各种影响因素在c m p 过程中对单晶m g o 的去除率和表面 质量的影响。c m p 是一个复杂的机械和化学交互作用的过程，需要根据单晶m g o 的物 一3 一 单晶m g o 高温超导基片c m p 工艺的研究 理化学性质，研制适合单晶m g o 的高效的抛光液，选择适合单晶m 9 0 的抛光垫，研究 抛光垫与基片之间的接触状态和材料去除机理。在实际单晶m 9 0 基片的c m p 过程中， 不仅要考虑一个或几个参数变化的情况，而且要考虑很多参数共同作用的情况。所以， 对这些影响因素进行综合、优化也显得非常必要。 1 3 单晶m 9 0 的物理化学性质 近年来，单晶m g o 在电子元件和集成电路中得到越来越广泛的应用，源于其优良 的物理和化学性质。它具有介电常数小( - - - 9 6 ) ，高频介电损耗低( 在7 7 k 、1 0 g h z 条 件下，t g s = 4 1 0 5 ) 2 j ，与高温超导材料晶格匹配好等优点，能得到大面积的基片( 直 径2 英时或更大) ，比其它基片材料有明显成本优势( 其价格只有s t o 和l a o 基片的 1 7 ，蓝宝石基片的1 4 ) 。尽管m g o 在空气中不够稳定，容易潮解，但据报导，含有 一定量c a o 和s i 0 2 的m g o 晶体能保持优良的稳定性能【2 ”。用晶格匹配、热膨胀系数、 化学稳定性、微波性能、生长工艺和成本等综合指标衡量，单晶m g o 在高温超导薄膜 基片材料中有其独特的地位。单晶m g o 还是一种极其罕见的耐高温材料，其熔点高达 2 8 5 0 。在光透过率、折射率、热导率、电绝缘性、化学稳定性、机械强度、抗腐蚀性、 绝缘性与耐磨性等方面的具有优良特性，尤其是具有很好光学性能，能透过从紫外光、 可见光、红外光到远红外光，透过率达到8 0 ，是高温光学系统、激光光学系统、红外 夜视系统、光学信息系统等不可多得的光学基片。 单晶m g o 是一种面心立方晶体，是有着n a c l 晶体结构的绝缘固体无机材料，空间 群为f m 3 m ，晶格常数a = 4 2 1 2a 。单晶m g o 晶格结构如图l - 2 所示。 心o o 图1 2 单晶m g o 晶格结构 f i g 1 2t h em - y s t a ll a t t i c eo f s i n g l ec r y s t a lm g o - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 单晶m g o 的莫氏硬度为5 5 6 5 ，脆性大。其晶体中离子是沿( 1 0 0 ) 面呈密堆积 排列，晶面间键合力较弱，很容易沿( 1 0 0 ) 晶面解理田例，所以用传统的机械抛光容 易给基片表面带来损伤。单晶m g o 是一种碱性氧化物，溶于酸和铵盐，不溶于水和乙 醇。微溶或难溶于有机溶剂。在空气中易吸收c 0 2 和水，易潮解【2 5 】。 单晶m g o 有其独特的物理化学性质和力学性能，在研制c m p 中所使用的抛光液、工 艺参数选择和清洗等工序时，都要考虑基片材料的物理化学特性。而且c m p 过程是化学 和机械的共同作用，不同的基片材料的c m p 过程有着不同的材料去除机理。 1 4 化学机械抛光技术及研究现状 1 4 1 化学机械抛光概述 c m p 技术就是使被抛光材料在化学和机械的共同作用下，使表面达到所要求的平整 度的一个工艺过程 2 6 - 2 s | 。它将软质磨料与适当的抛光液混融在起，使其与基片材料表 面发生化学反应，改变基片表面材料的化学键，生成一层容易去除的反应膜；基片表面 形成的化学反应膜在磨粒和抛光垫的机械作用下去除，在化学成膜和机械去膜的交替过 程中实现超精密表面加工。在c m p 过程中，由于选用比基片材料软或者与基片材料硬度 相当的磨粒，在化学反应和机械作用的共同作用下只是从基片表面去除极薄的一层材 料，因而可以获得高精度、低表面粗糙度的基片表面。 c m p 是一种真正意义上的原子分子级的极限加工技术。它在机械抛光过程中加入 了化学反应，大大提高了抛光精度和抛光速率，从而极大的提高了抛光的质量和生产效 率，降低了生产成本1 2 9 3 0 。 载物盘导轮b _ 图i 3 c m p 原理图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f c m p 图1 3 是c m p 装置原理图。抛光时，抛光机工作台( 直径中2 0 0 r n m ) 在电机的带 动下主动旋转，转速调节范围为0 3 0 0 r m i n 。单晶m 9 0 基片用蜡粘在不锈钢载物盘上， 由于摩擦力矩的作用，载物盘以角速率c 与工作台同方向转动。载物盘两边各有一个 导轮( 导轮a 可以主动旋转，导轮b 从动旋转) ，利用主动导轮a 调节载物盘转速。抛光 压力通过向载物盘上加减砝码来实现，抛光液由另一套装置单独供给，且不循环使用。 被输送到抛光垫上的抛光液在离心力的作用下均匀地分布到抛光垫上，在被抛光片和抛 光垫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，将表面材料转化成较软的物质，然后通过机械摩擦将这些 生成物从被抛光片表面去掉，并被流动的抛光液带走。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。 化学机械抛光技术是化学作用和机械作用相结合的技术，其过程相当复杂，影响因 素很多。它是在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成基片表面抛光。抛光速 率是由这两个过程中速率慢的过程所控制。同时，c m p 中的化学和机械的综合作用还影 响着基片的抛光质量。如果机械作用大，表面加工的应力就大，容易在单晶m g o 的加工 表面造成损伤，如划痕等缺陷。如果化学作用强，材料去除的选择性差，就不易得到一 个平坦的基片表面形貌。因此要实现高效率、高质量的抛光，必须使化学作用过程和机 械作用过程进行良好的匹配。 p r e s t o n 方程是描述材料去除速率与其它工艺参数之间关系最简单的数学模型【3 1 m 】， 它的表达式是： 却= k p p v 其中，j 印表示表面抛光速率，p 表示所加的压力，壤示被抛光片与抛光垫之间的 相对速率，劫表示p r e s t o n 方程系数，主要是由抛光液的化学成份，磨料的大小、硬度以 及基片表面的性质等因素决定。 在这之后也有很多学者进行了大量的c m p 方面的理论和实验研究，来修正p r e s t o n 公式。但是一方面，由于抛光过程变量多、复杂，且具有交互作用，它的变化会直接影 响到基片和抛光垫之间的关系及材料去除机理，这就使c m p 材料去除机理变得复杂， 且难以控制。例如，抛光垫表面粗糙度在抛光过程中会随抛光时间的变化而变化，其粗 糙度的交化会影响到基片表面材料去除率，抛光垫表面磨损的非均匀性也会影响到基片 表面材料去除率；抛光压力影响基片与抛光垫的实际接触面积和系统的摩擦，进而影响 到化学反应速度及材料去除率等；抛光速度的变化会影响到抛光系统在基片表面产生的 摩擦力，从而也影响到材料去除率；摩擦直接关系到c m p 的机械作用，它起到促进化 学反应等等。另一方面，由于基片表面组成材料变化多、性质也不同，要实现均匀去除 和有选择的去除比较困难。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 4 2 化学机械抛光技术的发展 化学机械抛光( c m p ) 技术最早是由m m 公司于八十年代中期开发出来的。利用 这种技术可以使基片材料和多层s i 0 2 介质( i l d ) 平面化，使多于三层的金属层能集成 在一起，实现高密度连线【3 3 l 。利用c m p 工艺，可以使随后的多层结构能在一个近乎平 坦的平面上进行制备。c m p 综合了化学和机械两方面的特性，既能消除材料表面前加 工导致的损伤层，又能够较好地实现表面全局平坦化( 一般认为，平坦化区域长度大于 1 0 9 i n 为全局平坦化) 。c m p 是到目前为止，唯一能实现全局平坦化的关键技术。因此 近年来在i c 制备工艺中得到了广泛的应用，并取得了飞速的发展。表1 1 显示了近年来 c m p 发展情况。 表1 1 快速增长的c m p t a b 1 1t h ef a s td e v e l o p m e n to f c m p c m p 的研究开发工作最初主要集中在美国的i b m 、s e m a t e c h 等大公司。现在已 经向全球展开，欧洲、法国、日本及亚洲的许多国家和地区都制定了研发计划。虽然 c m p 技术已经成为i c 制造厂的标准制造过程，但是对于c m p 的过程控制仍停留在经 验实证阶段，还欠缺完整严密的理论基础。人们对诸如抛光参数对平面度的影响，抛光 垫一抛光液一抛光片之间的相互作用，抛光液化学作用对c m p 各种参数的影响等方面 的机理缺乏了解。因此，要对c m p 过程中各项过程参数，以及c m p 过程中基片与抛光 垫的接触状态，抛光液的流体状况等进行深入的研究，更完善地揭示c m p 的机理，推 动c m p 的进一步应用和发展。 1 4 3 影响化学机械抛光效率及表面质量的主要因素 c m p 过程是一个非常复杂的化学与机械共同作用的过程。影响c m p 速率和表面质 量的因素比较多 2 6 , 3 4 。如抛光液、抛光垫的种类、抛光压力、抛光盘转速、抛光液流量 和抛光时间等。 。( 1 ) 抛光液的影响 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。抛光液中的化学成分，能够调节溶液的p h 值，影响氧化物表面的带电类 型和电荷量，决定表面的水合等化学反应过程；抛光液中的磨料，在压力作用下与基片 表面摩擦，影响着反应产物的去除速率。抛光液的配方是决定化学机械抛光效果的关键。 单晶m g o 高温超导基片c m p 工艺的研究 ( 2 ) 抛光垫的影响 抛光垫的性质严重影响到抛光基片的表面质量和抛光的效率。抛光垫可以使抛光液 有效地均匀分布，还能够提供新补充进来的抛光液，并能顺利地将反应后的抛光液及反 应物排出。抛光垫在抛光压力的作用下会产生弹性形变，它将影响到局部压力梯度的大 小，而且影响抛光液中化学成分的供给和产物的去除速率。而且随着抛光时间的增加， 抛光垫的某些区域会产生“釉化”等现象，使抛光效率降低。所以，为了保持抛光过程 的稳定性、均匀性和重复性，必须选用合适的抛光垫，并对抛光垫表面的变化情况进行 合理的控制。由于抛光垫具有一定的弹性，所以它保持基片面形精度的能力较弱，抛光 垫是影响基片表面形貌的主要因素之一。 ( 3 ) 压力的影响 抛光压力是抛光工艺中的一个重要参数。压力越大，抛光速率越大。由于基片表面 凸凹部位所受压力的不同，导致去除率的差异。凸出部位去除率高，低凹部位去除率低， 从而使基片表面达到平整。研究表明，高压抛光是产生表面缺陷( 如划伤、弹性形变、 应力损伤) 的主要来源。压力大时，磨料划过基片表面产生划痕造成基片表面划伤。摩 擦力增大时，产生大量的热量，层间抛光液少，不能起到很好的润滑和散热的作用，产 生局部温度梯度，使该处的化学作用增强，抛光速率加大，易产生桔皮等抛光缺陷。 ( 4 ) 转速的影响 根据机器种类和运转情况，上下盘的运转对抛光速率和质量也有一定影响，增加转 速，可以提高抛光速率。但如果转速太高，不易使抛光液均匀地分布在抛光垫上，且使 机械作用过强，易掉片。同时表面损伤层增大，基片表面质量不好。转速慢，则机械作 用小，化学反应速率大于机械去除产物速率，抛光效率较低。 ( 5 ) 抛光液流量的影响 抛光液流量是影响抛光速率和抛光质量的一个重要因素，抛光液流量太小，增加了 摩擦力，使温度分布不均匀，降低了基片表面的平整度。如果抛光液流量太大，不仅使 反应物迅速脱离基片表面，更重要的是降低了摩擦产生的热量，引起基片表面局部过高 的温度，佼基片表面温度均一性好。但考虑加工成本的原因，抛光液的流量不易过大。 1 5 课题来源及主要研究内容 1 5 1 课题来源 本论文得到了国家自然科学基金项目“大尺寸单晶m g o 高温超导基片高效超精密 加工技术”( 项目批准号：5 0 4 7 5 1 4 9 ) ，教育部科技研究重点项目“氧化镁高温超导基 片的摩擦化学抛光机理与技术”( 项目批准号：1 0 5 0 5 3 ) 和辽宁省科学计划项目“大尺寸 单晶氧化镁基片超精密加工技术与装备”( 项目批准号：2 0 0 4 2 2 2 0 0 1 ) 的资助。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 t 5 2 主要研究内容 本文针对单晶m g o 机械抛光加工效率低、损伤层大、工艺稳定性差等问题，采用 c m p 技术对单晶m g o 基片进行加工，可以获得商质量的单晶m g o 抛光表面。 研究内容包括： ( 1 ) 应用多种检测方法对抛光垫的表面和剖面结构、硬度、表面粗糙度、密度、厚 度和压缩比等主要的特性参数进行检测，为研究抛光垫的特性参数对单晶m 9 0 抛光效 果的作用规律提供数据支持。 ( 2 ) 进行多种抛光垫的c m p 对比实验，选择一种适合单晶m g o 的抛光垫，研究抛 光垫特性参数对单晶m g o 抛光效果的作用规律。 ( 3 ) 通过单因素c m p 工艺实验，研究不同c m p 工艺参数( 如压力、转速、抛光液 流量等) 对单晶m g o 抛光效果的影响。并通过正交实验法，对上述工艺参数进行优化， 得到影响单晶m g o 基片抛光效果的主要的影响因素和优化的工艺参数。 ( 4 ) 通过实验，研究c m p 过程中各工艺参数对单晶m g o 基片面形精度的影响。 一9 一 2 抛光垫特性参数的测定 2 1 抛光垫的特性参数对c m p 效果的影响 c m p 是基片与耗材之间复杂的相互作用过程。抛光垫作为主要的耗材之一对c m p 过程起着非常重要的作用。在c m p 过程中，抛光垫可以使抛光液有效地均匀分布，还 能够提供新补充进来的抛光液，并能顺利地将反应后的抛光液及产物排出。它还能起到 传递抛光过程中的正应力和剪应力的作用。 抛光垫在压力下会产生一定的变形，减弱磨料粒子与基片间的相互作用，所以可以 获得较低煦基片表面加工变质层和表面粗糙度。但与此同时，抛光垫具有一定的弹性， 不易保持所抛出的基片的面形。而且随着抛光时间的增加，一方面抛光液中的磨料粒子 和抛光去除物会使抛光垫表面的孔隙堵塞；另一方面，抛光垫的表面某些区域也会因为 塑性变形而产生一定程度的“釉化”，从而影响抛光垫的加工效率和所抛光出的基片的 表面质量【3 5 1 。所以，为了保持抛光过程的稳定性，均匀性和重复性，必须了解抛光垫的 性质以及其变化规律，并通过一些方法对其进行合理的控制，使其物理性能、化学性能 及表面形貌都保持在稳定的状态。抛光垫的性质主要由抛光垫的材料种类、表面结构、 硬度、密度、剪切模量、弹性模量和压缩比等性质共同决定。所以我们在选择抛光垫的 时候，在考虑适合基片材料的同时，还要考虑抛光垫上述综合性能。 下面对几种主要的抛光垫特性参数加以介绍。 ( 1 ) 抛光垫的结构 抛光垫的结构是影响抛光效果的主要因素，在压力作用下抛光垫发生弹性形变，与 基片表面相接触，同时将压力作用在基片的表面上。抛光垫的表面结构直接影响到局部 压力梯度的大小，还将影响抛光液的供给和反应物的去除。微孔结构是抛光垫的主要特 征之一，这些微孔影响抛光液在抛光垫上的传递速度。孔径过大将影响抛光垫的机械性 质；孔径过小将影响抛光液的有效传输，从而减小抛光液的供给和产物的去除。 ( 2 ) 硬度 抛光垫的硬度决定了其保持面形精度的能力。抛光垫按硬度分为硬质和软质两种。 硬质抛光垫可以较好地保证基片表面的平面度，抛光效率高，材料去除率快；软质抛光 垫可以获得加工变质层和表面粗糙度都很小的抛光表面，但材料去除率低闭。毫微米元 件实验室把p r e s t o n 方程式进行了改进【3 7 】，从式2 i 中可以看出抛光垫硬度对去除率的 影响： 脚，盎睦+ 珈 晓。， 大连理工大学硕士学位论文 其中- v p 为抛光垫的硬度值，职，为基片表面的硬度值，e 为磨粒的弹性系数，日 为基片的弹性系数，p k 为区域性的抛光压力，p 石为抛光盘与基片问的相对转速，c 为 常数。文献网中指出，当抛光垫比较软时，材料去除率在全部速度范围遵循p r e s t o n 方 程；抛光垫硬度较高时( 肖氏硬度5 0 7 0 d ) ，在高于某个速度以上材料去除率才遵循 p r e s t o n 方程。由此可见，抛光垫硬度是影响着材料去除率的主要因素。除此之外，它 还影响所抛光基片的面形精度。 常用的抛光垫是由聚氨酯发泡材料通过铸造成形技术制成的，为了控制抛光垫的硬 度，会添加一定的毡制材料。聚氨酯具有良好的综合性能，用它制成的抛光垫耐磨性好， 抛光效率高，形变小，所以在实际生产中应用较多。 ( 3 ) 弹性模量 抛光垫的弹性模量对抛光垫的变形起主要作用，它影响材料去除率和表面平坦化程 度。弹性模量高的抛光垫承载能力强。抛光垫的硬度也与其弹性模量有关。s d e s h p a n d e 指出抛光垫的弹性是内部聚氨酯和泡沫结构的函数1 3 9 1 。 抛光垫的压缩比是抛光垫弹性模量的另外一种表现形式，它们都反应了抛光垫的变 形能力。压缩比大的抛光垫与基片的贴合面积小，材料去除率高。抛光过程中，为了迅 速去除基片表面凸起部分，抛光垫不应与基片表面低洼处贴合接触。但为了使抛光垫与 基片间有较大范围的均匀接触，以保证基片抛光表面的均匀性，抛光垫的可压缩性也不 宜过大。 ( 4 ) 剪切模量 抛光垫的剪切模量对抛光垫的抛光效果有重要影响。剪切模量高，有利于抵抗圆周 方向的力。抛光垫的剪切作用影响基片材料的去除率。s h a k vk t 3 8 】研究发现，材料去除 率与抛光垫的剪切模量成反比。w e i d a nl i l 4 0 】等人研究发现在水中浸泡可以使抛光垫的 剪切模量降低，但氧化物的材料去除率并没有明显的改变。抛光垫的损伤产生在抛光垫 的表层，但抛光垫的袭层结构因为无法再生，所以随着抛光时间的增加，抛光垫抛光能 力显著下降。相对来讲，保持弹性模量和剪切模量强的抛光垫寿命长，抛光加工效果好。 b a j a j t 4 1 埤人发现抛光垫与基片之间的剪切力会引起抛光垫表面材料的冷流动或塑性变 形，抛光垫的塑性变形引起抛光垫的釉化，它与抛光垫的剪切模量成反比。低的剪切模 量的抛光垫更易产生塑性变形和釉化。l u 【4 2 】等人对抛光前后的抛光垫的化学成分进行了 检测，发现抛光垫的化学成分在抛光前后没有改变，是抛光过程中的机械作用力使抛光 垫表面的孔隙数量减少，产生釉化。 ( 5 ) 表面租糙度 抛光过程中，抛光垫表面的凸凹不平和随机分布的孔隙会带来较大的摩擦，从而使 基片表面材料得以去除。粗糙的抛光垫表面与基片表面的接触面积小，所以作用在磨粒 上的力较大，材料去除率高；租糙的抛光垫表面可以存储更多的抛光液，加快化学反应 的速率，从而提高材料去除率。但抛光垫表面粗糙度不能太大，否则无法获得低表面粗 糙度的基片。而且，由于抛光液中磨粒的填充和抛光垫的釉化，抛光垫表面趋于平整， 抛光垫表面租糙度值交小，从而使材料去除率降低。所以首先应选择具有合适的表面租 糙度的抛光垫，并掌握抛光垫表面粗糙度的变化情况，实时地对抛光垫的表面粗糙度进 行控制。 ( 6 ) 密度 抛光垫材料的密度对抛光垫的最终机械特性有重要影响。抛光垫的密度与孔隙率成 反比。抛光垫的孔隙结构是用来运输抛光液和去除反应物的，b 萄a j 】等人发现高密度的 抛光垫材料比较致密，不能传递足够的抛光液，从而导致抛光效率比较低。m o o n 和 d o m f e l d 4 3 1 等人发现随着抛光垫密度的增加，抛光垫的摩擦系数降低，抛光垫的密度还 影响抛光垫的弹性模量和剪切模量，抛光垫的密度与抛光垫的弹性模量成正比。 ( 7 ) 厚度 抛光垫的厚度也是一个重要的特性参数。j c h o i t “l 采用正交实验和有限元分析的方 法研究了抛光垫厚度对抛光效果的影响。发现抛光垫的硬质层厚时，抛光后基片的不均 匀性小。对于i c l 0 0 0 s u b a i v 双层抛光垫来说，厚度为1 3 1 4 m m 较为适宜。 还有一些学者，研究了表面开槽的抛光垫的抛光效果。研究发现，开有沟槽的抛光 垫可以提高基片的材料去除率和基片的均匀性。 2 2 抛光垫特性参数的测定 本章在已有的实验条件和设备下，对抛光垫的各种特性参数进行了检测。抛光垫属 于粘弹性材料，国内对抛光垫的测试才处于刚刚起步的阶段，仍没有一些合适的测试方 法和标准对抛光垫的一些特性参数进行测量。而且缺乏测量抛光垫的合适的检测设备， 这给本章抛光垫性能测试带来很大的难度。 本章所检测的抛光垫来源于不同的厂家，共六种，有世界著名抛光垫供应商r o d e l 公司生产的i c l 4 0 0 双层抛光垫、s u b a 6 0 0 ，还有其它4 种国产抛光垫，分别为沈阳科晶 公司的白色抛光垫、黑色无纺布抛光垫和麦科公司生产的红色聚氨酯抛光垫，以及北京 国瑞升公司生产的黑色无纺布抛光垫。 2 2 1 抛光垫的种类和结构 抛光垫主要分如下四种，本节采用型号为j s m 6 3 6 0 l v 的扫描电子显微镜，并配合 光学显微镜对抛光垫的表面及剖面的结构进行了检测。下面通过测得