蓝宝石衬底化学机械抛光中材料去除特性的研究_高翔

1 抛光过程中材料去除机理分析
1.1 机械磨削作用 在 CMP 过程中所用的抛光垫表面非常粗糙 ， 且粗糙度的数量级远大于磨粒的直径 [2] ， 导致一 部分磨粒便随着抛光液流动而无法参加抛光 。 如 图1所示为抛光垫表面显微结构图。当衬底基片与 抛光垫的接触过程时，只有抛光垫表面的凸出部分 才能与基片接触，而较凹的部分无法与基片接触， 所以实际接触面Ar并不像我们看到的接触面A0那样 大，根据Kuide Qin和Brij Moudgil[3]的研究。
图1
抛光垫微观图
收稿日期：2014-04-09 基金项目：江苏省产学研前瞻性创新资金项目 （BY2014108-04）；江苏省“六大人才高峰”（2013-ZBZZ-026）；江 苏省高校国际科技合作聘专重点项目（G2012029）；江苏省自然科学基金项目（BK2008197）；江苏省新型 环保重点实验室开放课题项目（AE201120）；江苏省高校科研成果产业化推进项目（JH10-X048）；江苏省 生态环境材料重点建设实验室开放项目（EML2012013） 作者简介：高翔（1989 -），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事光电子材料超精密加工研究。 【86】 第36卷 第8期 2014-08(下)
实验中我们选用抛光转速 50r/min ， 抛光液流 速 200ml/min ， 每 30min 测量一次抛光去除量 。 实 验测量在不同抛光压力下蓝宝石衬底的材料去除 率MRR及抛光后的表面粗糙度Ra。在开始阶段抛 光去除率随抛光压力的增大呈直线增加 ， 并在某 一点出发生转折 ， 进而增加速度减缓 ， 如图 5 所 示 ； 抛光后衬底的表面粗糙度随抛光压力的增加 先减小后增加，如图6所示。
不同pH时对应一个腐蚀率GR（growth rate)。 1.3 机械磨削与化学腐蚀的相互作用 从式 （ 5 ） 和式 （ 7 ） 可以得出抛光过程中机 械去除率及化学腐蚀率的理论去除结果 ， 当式 （5）的结果建立在单颗磨粒去除量的结论之上， 腐蚀率 GR>MRR 时 ， 衬底表面材料被抛光液腐 蚀 ， 质地变软 ， 较易去除 ； 但 GR<MRR 时 ， 部分 磨粒会在未被腐蚀或不完全腐蚀的衬底表面上划 擦，其去除量将显著降低。根据J. Bai, Y.W.Zhao 与Y.G. Wang [6]的研究，当机械去处率MRR大于腐 蚀率GR时：
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图6
表面粗糙度Ra随抛光压力的变化


3 讨论
从实验结果可以看出 ， 在抛光过程中 ， 随着 压力的增加 ， 抛光速率 MRR 首先依照普林斯顿方 程随压力线性增加 ， 当到达某一点时便不再遵循 preston方程MRR=KPV[7]，与P值呈非线性增加。 在初始阶段，化学腐蚀速率GR高于机械去除 速率 MRR ， 表面材料被充分腐蚀 ， 反应层硬度及 与本体材料的结合度均降低 ， 晶片与抛光垫实际 接触区域的磨粒数量随压力P的增加而线性增加， 如式（3），去除率亦线性增加。此时，化学作用 较强 ， 表面晶格被腐蚀使衬底表面粗糙度较大 ， 随着去除率的增加 ， 腐蚀层被较快去除 ， 具有完 整晶格的表面呈现出来 ， 所以衬底表面粗糙度随 着抛光压力的增加而减小。 随着抛光压力的持续增加 ， 机械去除率呈线 性不断增加，如式（5）所示，但化学腐蚀率不变 或稍有增加 ， 当 GR<MRR 时 ， 磨粒将去除未被腐 蚀或未被完全腐蚀的晶格层 。 这种晶格层与本体 材料结合紧密 ， 硬度高 ， 难以去除 。 所以随着抛 光压力的增加 ， 机械去除率增加缓慢 ， 并趋于停 止。同时磨粒对未腐蚀表面的磨损会导致正常的晶 格层产生畸变，并出现划痕，此时衬底表面粗糙度 随着抛光压力的增加而增加，表面质量趋于恶化。 在实验中，当抛光压力小于6kg时，机械去除 率 MRR 随抛光压力快速增加 ， 抛光后的衬底表面 粗糙度Ra则相应的降低，说明抛光处于图1所示的 1区域内，化学腐蚀率较机械去除率高GR>MRR。 当抛光压力大于 6kg 时 ， MRR 增加缓慢 ， 但 Ra 却 快速增加，表面质量恶化，则抛光处于图1所示的 2 区域内 ， GR<MRR ， 磨粒在未被腐蚀的晶格表 面磨削 。 在对不同压力下的去除率及表面粗糙度 的检测表明在去除率增加量变小时粗糙度开始变 大 ， 而在转折处的表面具有较好的表面形貌 。 如 图7所示，利用KEYENCE VK-X100/X200形状测 量激光显微系统观察抛光后表面。
(2) 式中： σ 为粗糙峰高度的均方差。 CMP过程中有效磨粒的个数Na[4]为：
6χ Na = Ar [1 − Φ ( k 1 )] πd = C −1 (
2 3
ρ ) σ
1 2
PA0 6 χ 3 [1 − Φ ( k 1 )] E PW πd
2
(3)
其中：q w = ( fH W ) 2 (1 − 1
β
1 ) 1 + −1
γ
k p = 2C −1 ( )
ρ σ
1 2
1 6 2 ( ) 3 [1 − φ ( K 1 )] E PW π
1 1 ) 1 + −1
q e = ( fH e ) 2 (1 −
1
β
γ
式 （ 7 ） 预测的去除率变化曲线如图 2 所示 。 区域 1 为机械去除率小于腐蚀率 MRR<GR ， 区域 2 表示机械去除率大于腐蚀率 MRR>GR 。 在区域 1 与区域 2 的过度区域内存在某一点 ， 在这一点处
ρ 1 F ρ 1 PA0 (1) = C −1 ( ) 2 σ E PW σ E PW 式中： ρ 为抛光垫粗糙峰顶的平均曲率半径； C 为一个系数 ， 一般为 0.35 ； P 为接触区域的压 强，为抛光压力与A0的比值；EPW为抛光垫与晶片 的等效弹性模量。 附着在抛光垫表面的凸峰上且粒径大于平均 值的磨粒才能参加抛光 ， 称之为有效磨粒 。 假 设 ， 磨粒在抛光垫与基片接触区域的分布与在抛 光液中的分布相同 ， 且为均匀分布 。 抛光垫表面 粗糙峰高度z的分布服从正态分布，即：
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MRR=GR ， 即磨粒的研磨去除率与化学腐蚀率大 致相等 ， 以这一点对应的去除参数进行加工可以 得到表面晶格完整的衬底表面。
图4 图2 去除率变化示意图
ASL-910F型抛光机
2 实验方案与结果
本实验所有操作步骤均在无尘室内进行 ， 以 避免实验过程中灰尘等大颗粒进入实验环境 ， 对 实验结果造成不必要的干扰。 首先将承片盘放在AM公司AWB-300C型上蜡 机的加热台上加热至 110 ℃ 左右 ， 经过甩蜡 、 烘 焙、粘片、加压将2英寸蓝宝石衬底基片均匀粘附 在承片盘上，冷却后蜡层厚度约1µm，基片间的厚 度差约小于3µm，可以实现承片盘上粘附基片高度 均匀。如图3所示为上蜡过程。
MRR = (1 − α )(1 − β )k P x 3 ( + kP x 3 (
2 2
式中 ： d 为磨粒的平均半径 ； X 为抛光液磨粒 的体积浓度。 从式 （ 1 ）、 式 （ 3 ） 可以得出实际接触面积 Ar有效磨粒数Na均与抛光压力P成正比， 根据Kuide Qin和Brij Moudgil[3]的研究单颗磨 粒在晶片反应层表面划过后去除体积为：




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图5

MRR随抛光压力的变化


图3 上蜡图片

wenku.baidu.com
然后在AM公司的ASP-910型单面抛光机上进 行抛光，如图4所示，将粘附晶片的承片盘均匀放 置在抛光盘上 ， 抛光盘与承片盘均可自由调速 ， 可以实现抛光相对速度的准确控制 。 使用气压作 为抛光压力来源 ， 通过气压计得到所用的抛光压 力 。 采用 SiO 2胶体磨粒的抛光液 ， 衬底基片经过 W3.5金刚石磨粒铜盘研磨。
Ar = C −1 ( ) 2
底基片发生化学反应生成一层反应层 ， 抛光液中 的磨粒与反应层发生磨削去除作用 ， 同时新的抛 光液流入 ， 旧的抛光液以及磨削废屑被带走 。 由 此可见 ， 化学腐蚀率对材料去除率有很大影响 ， 只有被腐蚀的晶体表面才能被叫容易的去除 ， 磨 粒在未反应的表面很难产生去除作用 。 根据研究 在单位时间内化学反应速率为Rc [5]： ∂C D ∂ 2 C µ l ∂C (7) = + ζ ∂t l 2 ∂ζ 2 l ∂ζ 式中：C为扩散点的浓度； ζ (t ) 为时间函数的 无穷小量； µ l (t )为晶片厚度方向的去除速率； l (t ) 为晶片厚度对时间的函数。 从式（7）中可以看出在化学腐蚀点处的浓度 越高 ， 腐蚀速率越快 。 在抛光过程中抛光液持续 流动 ， 我们假设在腐蚀点处的浓度可以保持初始 时的浓度 ， 腐蚀率以最快的速度发生 ， 则抛光液
蓝宝石衬底化学机械抛光中材料去除特性的研究
The study of the material removal features of the sapphire substrate chemical mechanical polishing 高 翔1，周 海2，黄传锦2，冯 欢2，崔志翔2 GAO Xiang1, ZHOU Hai2, HUANG Chuan-jin2, FENG Huan2, CUI Zhi-xiang2
0 引言
LED （ Light Emitting Diode ） 已被广泛认为 是下一代主要照明工具 ， 相比于现在使用的白炽 灯而言 ， 其具有寿命长 、 节能 、 安全等优点 。 目 前其主要衬底材料为蓝宝石（Al 2O3），经长晶、 掏棒 、 切割 、 研磨 、 抛光等加工工艺后达到所需 的表面质量 。 抛光是衬底加工的最后工序 ， 决 定着衬底的表面质量 。 化学机械抛光 （ chemical mechanical polishing CMP）是主要的抛光方法。 化学机械抛光是目前唯一兼顾全局与局部平 坦化的抛光技术 。 其加工过程为将衬底基片粘附 在承片盘上 ， 承片盘在一定的抛光压力下与表面 覆盖着抛光垫的抛光盘接触 ， 衬底基片与抛光垫 做相对运动 ， 并在其间加入由磨粒 、 活性剂等组 成的抛光液[1]。 抛光过程中 ， 机械去除作用与化学腐蚀作用 相互配合完成材料的去除 ， 在此我们对磨粒的磨 削作用与化学腐蚀作用作综合分析 ， 并通过单因 素实验法测得 ： 压力的增加会导致材料去除率的 增加 ， 但当压力增加到某一点后 ， 材料去除率的 增加反而减缓 ， 与此同时衬底基片表面粗糙度达 到最小。
1
σ 1 + k 1 S2 )q w d µ pv D D
(8)
(5)
从式(5)中可以看出，材料去除率MRR正比与 PV，其符合preston方程的描述。 1.2 化学腐蚀作用 用于蓝宝石CMP抛光液的pH值呈碱性，一般 为10~12，在此碱性环境中会发生如下化学反应： − Al 2 O3 + 2OH − = 2 AlO 2 + H 2 O (6) Al (OH ) 3 +OH − = AlO 2− + 2 H 2 O CMP 过程主要是抛光液腐蚀 — 磨粒磨削去 除 — 去除物被抛光液带走 ， 这三步在抛光过程中 是同时发生的 ， 缺一不可 。 即抛光液与蓝宝石衬
2 a 3V (4) 3R 式中： a 为磨粒压入晶片表面的深度；R为磨 粒半径；V为抛光盘与晶片的相对速度。 因此可以得出： ( RR) V =
ρ 1 PA0 6 χ 3 2a 3V = C ( )2 [1 − Φ (k 1 )] σ E PW πd 3R
−1 2
σ 1 + k 1 S2 )[α + (1 − α )β ]q c d m ( pv) 0 D D
摘 （1.江苏大学，镇江 212013；2.盐城工学院，盐城 224051） 要：衬底基片的化学机械抛光(CMP)同时兼顾材料去除率及衬底表面质量，在抛光过程中，化学
作用与机械作用相辅相成同时参与抛光，化学作用与机械作用的平衡对能否得到满意的衬底 表面有重要有意义。针对蓝宝石衬底基片的CMP材料去除率进行了研究，分析了材料去除 机理。使用单因素实验法测得：压力的增加会导致材料去除率的增加，但当压力增加到某一 点后，材料去除率的增加反而减缓，与此同时衬底基片表面粗糙度达到最小。这一点附近的 抛光参数可以达到机械与化学作用的平衡。在实验中，当抛光压力为6kg时材料去除率达到 80nm/min，表面粗糙度达到0.2nm。 关键词：蓝宝石衬底；CMP；材料去除率；压力；平衡 中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2014)08(下)-0086-04 Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.08(下).22