单晶硅晶片化学机械抛光基本特性研究
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第 ４０卷 第 ６期
兵器装备工程学报
２０１９年 ６月
【机械制造与检测技术】
ｄｏｉ：１０．１１８０９／ｂｑｚｂｇｃｘｂ２０１９．０６．０３４
单晶硅晶片化学机械抛光基本特性研究
侯保江１，安亚青２，水涌涛１，孙向春１
（１．北京航天长征飞行器研究所，北京 １０００７６；２．中国运载火箭技术研究院，北京 １０００７６）
ｔｅｒｎａｌＧｒｉｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣＣｅｒａｍｉｃｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｒｄｎａｎｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，４０（６）：１６３－１６６，２０５．
中图分类号：Ｆ４０７．４１
文献标识码：Ａ
文章编号：２０９６－２３０４（２０１９）０６－０１６３－０４
ＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆＳｕｒｆａｃｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙｉｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｓｓｉｓｔｅｄ ＩｎｔｅｒｎａｌＧｒｉｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣ Ｃｅｒａｍｉｃｓ
摘要：实验中利用商业抛光机对单晶硅晶片进行化学机械抛光；实验结果显示：表面粗糙度随着抛光垫和抛光头的
转速以及抛光载荷的增加而减小；抛光载荷是影响总厚度变化的主要因素，晶片的总厚度变化会随着抛光载荷的增
加而相应地减少；材料去除率随着抛光垫转速，抛光头转速，以及抛光载荷的增加而增加，抛光载荷的变化对材料去
存在下的单晶硅晶片去除率，并将其与在其他氧化剂如碘酸 粗糙度 Ｒａ为 １１０ｎｍ，另一面未抛 光。抛 光 液 供 给 速 率 为
钠和高碘酸钠存在下获得的结果进行了比较，他们的研究表 ５００ｍＬ／ｍｉｎ，抛光液温度为 １６℃，抛光头和抛光垫的转速在
明，在用于抛光单晶硅晶片表面的水性浆料中。在缺少机械 ２０ｒ／ｍｉｎ到 ５０ｒ／ｍｉｎ范围内变化。抛光期间施加到晶片上
抛光的情况下，除了在 ｐＨ１０和 ｐＨ１２的 Ｈ２Ｏ２ 浆液中外，在 ３ｍＭ浓度的氧化剂如 ＮａＩＯ３，ＮａＩＯ４和 Ｈ２Ｏ２的水性浆液中的 单晶硅晶片的化学溶解可以忽略不计，这归因于形成了相对 稳定的 Ｇａ２Ｏ３钝化层。ＭｃＧｈｅｅ等［３］提出了一个三步机制， 用于在含有 Ｈ２Ｏ２和氨的水性浆料中除去单晶硅晶片。
除率的影响最明显。
关键词：砷化镓；化学机械抛光；抛光特性；表面粗糙度
本文引用格式：侯保江，安亚青，水涌涛，等．单晶硅晶片化学机械抛光基本特性研究［Ｊ］．兵器装备工程学报，２０１９，
４０（６）：１６３－１６６，２０５．
Ｃｉｔａｔｉｏｎｆｏｒｍａｔ：ＨＯＵＢａｏｊｉａｎｇ，ＡＮＹａｑｉｎｇ，ＳＨＵＩＹｏｎｇｔａｏ，ｅｔａｌ．ＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆＳｕｒｆａｃｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙｉｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｓｓｉｓｔｅｄＩｎ
由于具 有 较 高 的 直 接 带 隙，饱 和 电 子 速 度 和 电 子 迁 移 率，单晶硅晶 片 已 经 广 泛 地 应 用 于 从 宏 观 到 纳 米 级 的 器 件 中，用于照明，光 电 检 测，太 阳 能 转 换 等。例 如，具 有 纳 米 级 光滑、超平坦且无损伤表面的单晶硅晶片适用于金属有机化 学气象沉淀，以 生 产 高 性 能 柔 性 太 阳 能 电 池 和ຫໍສະໝຸດ Baidu发 光 二 极 管
ＨＯＵＢａｏｊｉａｎｇ１，ＡＮＹａｑｉｎｇ２，ＳＨＵＩＹｏｎｇｔａｏ１，ＳＵＮＸｉａｎｇｃｈｕｎ１
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＬｏｎｇＭａｒｃｈＶｅｈｉｃｌｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＬａｕｎｃｈＶｅｈｉｃｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎｗａｆｅｒｗａｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｕｓｉｎｇａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔ：（１） ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ （Ｒａ）ｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐａｄａｎｄｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｈｅａｄａｎｄｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ；（２）ｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｔｏｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｖａｒｉａｔｉｏｎ（ＴＴＶ），ａｎｄｔｈｅ ｔｏｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗａｆｅｒｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙａｓｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｉｎｃｒｅａｓｅｓ；（３）Ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅ（ＭＲＲ）ｉｎｃｒｅａｓｅｓａｓｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐａｄｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｈｅａｄｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｉｎｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｈａｓｔｈｅｍｏｓｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｌｌｉｕｍａｒｓｅｎｉｄｅ；ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ｐｏｌｉｓｈｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ
（ＬＥＤ）［１］。在加工过程中，单 晶 硅 晶 片 首 先 经 历 锯 切 过 程， 由于其高硬度和脆性，在晶片表面深处引入缺陷和 ／或断裂 损伤，随后，利用研磨和抛光过程去除锯切引起的损伤并产 生一个名义上的无损伤表面。
目前，ＣＭＰ是被用作生产纳米级光滑表面最有效的方式
收稿日期：２０１９－０４－２５；修回日期：２０１９－０５－２７ 作者简介：侯保江（１９８３—），男，硕士，高级工程师，主要从事机械工程研究，Ｅｍａｉｌ：１５３３２７０５８＠ｑｑ．ｃｏｍ。
１６４
兵器装备工程学报
ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｑｋｓ．ｃｑｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ／
之一。在文献 中，发 现 各 种 化 学 浆 料 已 被 用 于 单 晶 晶 片 的 ＣＭＰ中。Ｊ．Ｂ．Ｍａｔｏｖｕ等［２］研究了在 Ｈ２Ｏ２和二氧化硅颗粒
本次实验使用的单晶硅晶片晶片由江西德义半导体科技有 限公司提供。晶片的直径为 ４英寸，其一面已经研磨，表面
兵器装备工程学报
２０１９年 ６月
【机械制造与检测技术】
ｄｏｉ：１０．１１８０９／ｂｑｚｂｇｃｘｂ２０１９．０６．０３４
单晶硅晶片化学机械抛光基本特性研究
侯保江１，安亚青２，水涌涛１，孙向春１
（１．北京航天长征飞行器研究所，北京 １０００７６；２．中国运载火箭技术研究院，北京 １０００７６）
ｔｅｒｎａｌＧｒｉｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣＣｅｒａｍｉｃｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｒｄｎａｎｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，４０（６）：１６３－１６６，２０５．
中图分类号：Ｆ４０７．４１
文献标识码：Ａ
文章编号：２０９６－２３０４（２０１９）０６－０１６３－０４
ＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆＳｕｒｆａｃｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙｉｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｓｓｉｓｔｅｄ ＩｎｔｅｒｎａｌＧｒｉｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣ Ｃｅｒａｍｉｃｓ
摘要：实验中利用商业抛光机对单晶硅晶片进行化学机械抛光；实验结果显示：表面粗糙度随着抛光垫和抛光头的
转速以及抛光载荷的增加而减小；抛光载荷是影响总厚度变化的主要因素，晶片的总厚度变化会随着抛光载荷的增
加而相应地减少；材料去除率随着抛光垫转速，抛光头转速，以及抛光载荷的增加而增加，抛光载荷的变化对材料去
存在下的单晶硅晶片去除率，并将其与在其他氧化剂如碘酸 粗糙度 Ｒａ为 １１０ｎｍ，另一面未抛 光。抛 光 液 供 给 速 率 为
钠和高碘酸钠存在下获得的结果进行了比较，他们的研究表 ５００ｍＬ／ｍｉｎ，抛光液温度为 １６℃，抛光头和抛光垫的转速在
明，在用于抛光单晶硅晶片表面的水性浆料中。在缺少机械 ２０ｒ／ｍｉｎ到 ５０ｒ／ｍｉｎ范围内变化。抛光期间施加到晶片上
抛光的情况下，除了在 ｐＨ１０和 ｐＨ１２的 Ｈ２Ｏ２ 浆液中外，在 ３ｍＭ浓度的氧化剂如 ＮａＩＯ３，ＮａＩＯ４和 Ｈ２Ｏ２的水性浆液中的 单晶硅晶片的化学溶解可以忽略不计，这归因于形成了相对 稳定的 Ｇａ２Ｏ３钝化层。ＭｃＧｈｅｅ等［３］提出了一个三步机制， 用于在含有 Ｈ２Ｏ２和氨的水性浆料中除去单晶硅晶片。
除率的影响最明显。
关键词：砷化镓；化学机械抛光；抛光特性；表面粗糙度
本文引用格式：侯保江，安亚青，水涌涛，等．单晶硅晶片化学机械抛光基本特性研究［Ｊ］．兵器装备工程学报，２０１９，
４０（６）：１６３－１６６，２０５．
Ｃｉｔａｔｉｏｎｆｏｒｍａｔ：ＨＯＵＢａｏｊｉａｎｇ，ＡＮＹａｑｉｎｇ，ＳＨＵＩＹｏｎｇｔａｏ，ｅｔａｌ．ＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆＳｕｒｆａｃｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙｉｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｓｓｉｓｔｅｄＩｎ
由于具 有 较 高 的 直 接 带 隙，饱 和 电 子 速 度 和 电 子 迁 移 率，单晶硅晶 片 已 经 广 泛 地 应 用 于 从 宏 观 到 纳 米 级 的 器 件 中，用于照明，光 电 检 测，太 阳 能 转 换 等。例 如，具 有 纳 米 级 光滑、超平坦且无损伤表面的单晶硅晶片适用于金属有机化 学气象沉淀，以 生 产 高 性 能 柔 性 太 阳 能 电 池 和ຫໍສະໝຸດ Baidu发 光 二 极 管
ＨＯＵＢａｏｊｉａｎｇ１，ＡＮＹａｑｉｎｇ２，ＳＨＵＩＹｏｎｇｔａｏ１，ＳＵＮＸｉａｎｇｃｈｕｎ１
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＬｏｎｇＭａｒｃｈＶｅｈｉｃｌｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＬａｕｎｃｈＶｅｈｉｃｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎｗａｆｅｒｗａｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｕｓｉｎｇａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔ：（１） ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ （Ｒａ）ｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐａｄａｎｄｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｈｅａｄａｎｄｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ；（２）ｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｔｏｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｖａｒｉａｔｉｏｎ（ＴＴＶ），ａｎｄｔｈｅ ｔｏｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗａｆｅｒｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙａｓｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｉｎｃｒｅａｓｅｓ；（３）Ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅ（ＭＲＲ）ｉｎｃｒｅａｓｅｓａｓｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐａｄｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｈｅａｄｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｉｎｐｏｌｉｓｈｉｎｇｌｏａｄｈａｓｔｈｅｍｏｓｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｌｌｉｕｍａｒｓｅｎｉｄｅ；ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ｐｏｌｉｓｈｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ
（ＬＥＤ）［１］。在加工过程中，单 晶 硅 晶 片 首 先 经 历 锯 切 过 程， 由于其高硬度和脆性，在晶片表面深处引入缺陷和 ／或断裂 损伤，随后，利用研磨和抛光过程去除锯切引起的损伤并产 生一个名义上的无损伤表面。
目前，ＣＭＰ是被用作生产纳米级光滑表面最有效的方式
收稿日期：２０１９－０４－２５；修回日期：２０１９－０５－２７ 作者简介：侯保江（１９８３—），男，硕士，高级工程师，主要从事机械工程研究，Ｅｍａｉｌ：１５３３２７０５８＠ｑｑ．ｃｏｍ。
１６４
兵器装备工程学报
ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｑｋｓ．ｃｑｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ／
之一。在文献 中，发 现 各 种 化 学 浆 料 已 被 用 于 单 晶 晶 片 的 ＣＭＰ中。Ｊ．Ｂ．Ｍａｔｏｖｕ等［２］研究了在 Ｈ２Ｏ２和二氧化硅颗粒
本次实验使用的单晶硅晶片晶片由江西德义半导体科技有 限公司提供。晶片的直径为 ４英寸，其一面已经研磨，表面