抛光机转速比对蓝宝石衬底抛光后形貌的影响

抛光机转速比对蓝宝石衬底抛光后形貌的影响
摘要：宝石（Sapphire）是一种氧化铝（α-Al2O3）的单晶，又称为刚玉。

蓝宝石单晶具有熔点高(2040℃)，硬度高(莫氏硬度9)，化学性能稳定，电绝缘性好，具
有良好的热特性、极好的电气特性和介电特性，特别是具有优良的红外透过率等
特性。

在半导体领域中，主要是使用蓝宝石作为制备GaN薄膜的衬底，它与GaN 之间的晶格常数失配率小，是目前最主要的GaN外延基片材料之一。

关键词：蓝宝石衬底；化学机械抛光；纳米级；转速
蓝宝石抛光的方法主要有机械、化学、化学机械抛光等。

机械抛光因使工
件表面存在较深的亚表层损伤，使得抛光表面质量水平不高且影响产品应用性能；化学抛光速率慢而且会降低产品形貌精度；化学机械抛光综合了机械和化学抛光
的优势，在抛光速率、抛光精度以及抛光产生的破坏深度等方面都具有明显的优势，是目前蓝宝石衬底抛光的主流技术。

影响蓝宝石衬底化学机械抛光的主要技
术要素包括：抛光液组分、抛光液流量、抛光布类型、抛光压力、抛光转速比、
抛光温度等，所以各技术要素进行深化研究，对于稳定蓝宝石衬底抛光质量，提
高蓝宝石衬底表面形貌具有重要价值。

一、实验目的
随着蓝宝石衬底图形化工艺的推广，对蓝宝石衬底形貌提出了更高的要求，如要求数值更低的、分布更集中的TTV和LTV。

本次实验通过采用相同的抛光设
备使用不同的转速比（抛光机上下盘之间的转速比例）进行蓝宝石衬底抛光工艺
实验，通过抛光后蓝宝石衬底的TTV、LTV数据分布研究不同的抛光机台转速比
对蓝宝石衬底抛光表面形态的影响。

二、理论基础
在蓝宝石衬底抛光的过程中，蓝宝石先与减性抛光液发生化学反应，在蓝
宝石表面生成一种水合物，然后通过与抛光布以及抛光液磨料的摩擦作用去除该
层水合物，重复这个过程就完成了蓝宝石的抛光。

化学机械抛光去除率Preston
方程为： MRP=(KP+B)V+Rc，其中k、B、Rc为常数，P为抛光压力，V为相对速度。

抛光机上下盘面使用不同的转速比，抛光布不同半径区域的合成线速度不同，导致抛光布在不同半径区域的磨损程度或塑性变形不同，从而影响蓝宝石衬底的
形貌。

所以合理的转速比，不仅能够很好的提高蓝宝石衬底的表面形貌，还能够
保持抛光布的面型，降低抛光布的修整频率，提高抛光布的使用寿命。

如图1所示，下盘的半径为R1，转速为n1，上盘的半径为R2，转速为n2；则其相互
接触的3点合成线速度分别为：V1=2π（R1n1-R2n2），V2=2π（R1-R2）n1，V3=2π[(R1-
2R2)n1+R2n2]。

按下述三种情况，推算3点速度的差异：1.n1=n2=n时：可以推导出V1= V2=
V3，晶片的各点去除速率相同；2.n1>n2时：可以推导出V1>V2>V3，晶片在下盘半径方向从
外到内的磨削速度逐渐降低；3.n1<n2时：可以推导出V1<V2<V3，晶片在下盘半径方向从外
到内的磨削速度逐渐增加。

C1:C2=2πR1:2π(R1-2R2)=V1T:V3T，单位时间内，V1：V3=
2πR1:2π(R1-2R2)，因为实际中R1>2R2，所以V1>V3，即：在实际抛光中，为尽量保证抛光布
各区域的磨损速度，需选用n1>n2。

通过模拟软件模拟在不同转速比下抛光4英寸晶片中点的轨迹图，找寻合理的转速比，便于进行试验对比。

在蓝宝石衬底机械研磨磨削中，产品在加工过程中运动的轨迹越复杂，
且轨迹间的相交点越多，对研磨盘面的面型保持度越高以及研磨后产品的表面形貌控制能力
越高。

通过模拟转速比为0.5、0.83、0.95、1、1.05、1.2、2的轨迹分析，转速比0.95与
1.05的运行轨迹满足轨迹复杂，相交点多的特点。

所以本次实验选取上下盘转速比为1、
1.05、0.95分别进行实验。

三、实验方法与过程
实验中采用c<0001>晶向蓝宝石衬底片，直径为4英寸(100.2mcm)，厚约650um；粒径为200 nm的Al2O3碱性抛光液；使用强碱调节pH值；选用SUBA800型抛光布。

使用相同主驱设备，相同PH值，相同抛光时间，相同抛光盘等相同的工况条件下，使用不同的转速比
进行抛光，不同转速比切换时，使用钻石修整盘修整抛光布。

在实验的过程中，使用不同的
转速比进行交叉切换，排除抛光盘使用次数对实验的影响。

使用全自动表面形态检查仪对抛
光后的衬底片进行检测，通过衬底片的TTV、LTV数据分析对比来验证转速比对衬底片抛光
后表面形态的影响。

四、实验结果分析
实验数据统计分析如下：
从上图对比：1.转速比为1.05及0.95时，TTV和LTV分布相对转速比为1时正态。

2.TTV过程控制能力转速比1.05优于转速比0.95,转速比0.95优于转速比1。

3. LTV过程控制
能力转速比1.05优于转速比0.95,转速比0.95优于转速比1。

4.抛光机上下盘面转速有差异时，衬底片的运行轨迹较相同转速复杂，能够更有利于控制衬底片的TTV和LTV。

五、结论
实验表明，转速比在减小时晶片的表面形貌逐渐变差，主要是不同的转速比使得晶片
在抛光布上行走的轨迹不相同，从而导致抛光布的磨损程度不相同，进而影响晶片的表面形貌。

经实验验证，转速比在1.05时，能得到较好的晶片形貌同时又能延长抛光布的使用寿命。

六、参考文献
[1]宗思邈，刘玉岭，牛新环，等.蓝宝石衬底材料CMP去除速率的影响因素[A]. 显徽、
测量、徼细加工技术与设备,1671—4776(2O09)01—0050—0
[2]计时鸣，李琛，谭大鹏，等.基于Preston方程的软性磨粒流加工特性[J].机械工程学报，2011.17.156。