不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响研究_熊伟

第42卷第6期
人工晶体学报Vol．42No．62013年6月JOUＲNAL OF SYNTHETIC CＲYSTALS June ，2013不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响研究
熊伟，储向峰，董永平，毕磊，叶明富，孙文起
（安徽工业大学化学化工学院，马鞍山243002）
摘要：本文制备了几种含不同磨料（SiC 、Al 2O 3、不同粒径SiO 2）的抛光液，通过纳米粒度仪分析磨料粒径分布，采用原
子力显微镜观察磨料的粒径大小。

研究了不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光（CMP ）的影响，
利用原子力显微镜检测抛光前后蓝宝石晶片表面粗糙度。

实验结果表明，
在相同的条件下，采用SiC 、Al 2O 3作为磨料时，材料去除速率与表面粗糙度均不理想；而采用含1%粒径为110nm SiO 2的抛光液，材料的去除速率最高为41．6nm/min ，表面粗糙度
Ｒa =2．3nm ；采用含1%粒径为80nm SiO 2的抛光液，材料的去除速率为36．5nm/min ，表面粗糙度最低Ｒa =1．2nm 。

关键词：蓝宝石；化学机械抛光；去除速率；表面粗糙度；磨料
中图分类号：TN305．2文献标识码：A 文章编号：1000-
985X （2013）06-1064-06收稿日期：2013-
01-31；修订日期：2013-04-09基金项目：国家自然科学基金项目（50975002）；安徽工业大学创新团队项目（TD201204）；教育部高校留学回国人员科研项目
作者简介：熊伟（1989-），男，湖北省人，硕士研究生。

E-
mail ：xwahut@126．com 通讯作者：储向峰，教授。

E-
mail ：xfchu99@ahut．edu．cn Effect of Different Abrasives on Sapphire Chemical-Mechanical Polishing
XIONG Wei ，CHU Xiang-feng ，DONG Yong-ping ，BI Lei ，YE Ming-fu ，SUN Wen-qi
（School of Chemistry and Chemical Engineering ，Anhui University of Technology ，Maanshan 243002，China ）
（Ｒeceived 31January 2013，accepted 9April 2013）
Abstract ：In this work ，the effect of different abrasives （SiC ，Al 2O 3and various sizes of SiO 2）on the
material removal rate （MＲＲ）and the surface quality of sapphire substrate after the chemical mechanical
polishing （CMP ）was investigated．The average diameter and shape of the prepared abrasive particles were
characterized by Mastersizer and atomic force microscopy （AFM ），respectively．The surface roughness of
sapphire substrate polished by different abrasive was measured by AFM．It was found that the lower removal
rate and bad surface quality were obtained when SiC and Al 2O 3were chosen as the abrasive in the slurry．
Under the same condition ，the MＲＲof sapphire substrate polished with 1wt%110nm SiO 2is 41．6nm /
min ，but the material removal rate of sapphire substrate is 36．5nm /min ，when 80nm SiO 2is used as
abrasive．The surface roughness of sapphire substrate polished with 1wt%110nm SiO 2is 2．3nm ，while
the surface roughness of sapphire substrate polished with 1wt%80nm SiO 2is 1．2nm．
Key words ：sapphire ；chemical mechanical polish ；removal rate ；removal rate ；surface roughness ；abrasive
1引言
蓝宝石是LED 重要的衬底材料之一，作为LED 衬底的蓝宝石晶片表面必须达到超光滑无损伤的程度［1］，
研究表明器件的质量很大程度上依赖于衬底的表面加工工艺［2-5］，因此蓝宝石晶片超光滑、少（或无）损伤的高效加工技术已经成为目前该行业急需解决的问题［6］。

由于蓝宝石晶片在航天、军事和医疗等方面
具有十分重要的用途
［7，8］，因此蓝宝石晶片加工技术在西方国家都极为保密。

目前蓝宝石晶片抛光方法很
第6期熊伟等：不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响研究1065
多，但是只有化学机械抛光技术可以在较低成本下获得较低的表面粗糙度以及较高的材料去除速率［9，10］。

目前有很多学者研究了蓝宝石晶片化学机械抛光工艺，Zhang等［11］研究了转速、抛光压力、摩擦力对蓝宝石晶片化学机械抛光去除速率的影响，得出去除速率随转速、抛光压力、摩擦力的增大而增大；Zhang等［12］报道采用两步法对蓝宝石晶片进行化学机械抛光，首先采用氧化铝进行粗抛，然后再用SiO2进行精抛，得到了较好的表面质量（Ｒa=0．68nm）；牛新环等［7］分析了蓝宝石晶片化学机械抛光的化学动力学过程，概述了磨料、表面活性剂、pH值、压力和温度对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响；汪海波等［13］研究了抛光液的pH 值、抛光压力和转速等因素对蓝宝石晶片材料去除速率与表面粗糙度的影响，得出最佳pH值为11，压力为7psi，转速为150rpm；Xu等［14］比较了蓝宝石晶片UFV（ultrasonic flexural vibration）-CMP与传统CMP，研究得出UFV-CMP比传统CMP材料去除速率大两倍，而且获得更低的表面粗糙度；刘金玉等［15］研究了不同粒径SiO2磨料对蓝宝石晶片去除速率的影响，得出粒径越大去除速率越大，而粒径太大又不利于降低蓝宝石表面粗糙度；王娟等［16］研究了SiO2粒径、浓度、抛光液流量对蓝宝石晶片去除速率的影响，得出材料去除速率随着磨料粒径与浓度的增大而增大，随着抛光液流量的增大先增加后减小；王银珍等［17］提到不同磨料对蓝宝石晶片抛光时，材料去除速率顺序为：α-Al2O3＞γ-Al2O3＞diaspore＞zirconia；Zhu等［18］研究了Al2O3、
Mono-diamond、Poly-diamond等磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响，得到α-Al
2O
3
抛光后表面粗糙度最
低，去除速率最大。

由于工艺条件对蓝宝石化学机械抛光影响较大，每位学者研究的实验条件不同，难以比较不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响。

本文采用五种不同磨料（SiC、α-Al2O3、不同粒径SiO2）对蓝宝石晶片进行化学机械抛光，研究了磨料对蓝宝石晶片材料去除速率及表面粗糙度的影响。

2实验
2．1蓝宝石抛光液的制备
Al
2O
3
分散液的制备：将2．0g六偏磷酸钠分散剂（上海国药）溶解于1000mL去离子水中，在机械搅拌
下加入适量α-Al2O3（宣城晶瑞新材料有限公司），搅拌均匀后，超声分散40min，得到Al2O3分散液；SiC分散液的制备：量取8mL四甲基氢氧化铵（上海国药）溶解于1000mL去离子水中，机械搅拌下加入适量α-SiC（合肥开尔纳米能源科技股份有限公司），搅拌均匀后，超声分散40min，得到SiC分散液。

硅溶胶分散液的制备：将40nm、80nm、120nm硅溶胶（上海新安纳电子科技有限公司）超声分散40min，得到硅溶胶分散液。

然后向制得的Al2O3分散液、SiC分散液、40nm硅溶胶、80nm硅溶胶、120nm硅溶胶中加入适量络合剂（如EDTA）、氧化剂（过硫酸铵），再用氢氧化钾调节pH值为10，最后再进行超声分散。

2．2化学机械抛光试验
抛光试验在杭州智邦纳米有限公司生产的Nanopoli-100型抛光机上进行，选用沈阳科技制造有限公司生产的P-PAD型合成革抛光垫。

抛光样品为直径50．9mm，厚度0．6mm的蓝宝石晶片，抛光前蓝宝石晶片表面粗糙度Ｒa为49．517nm，抛光基本参数：压力为7psi、下盘转速为100r/min，抛光液流速为100mL/ min，温度为20ħ。

采用上海卓伦微纳米设备有限公司生产的Micro Nano D-5A扫描探针显微镜检测抛光后蓝宝石表面粗糙度Ｒa（垂直分辨率为0．1nm，水平分辨率为0．2nm，扫描范围为5μmˑ5μm）值以及抛光前后的三维立体表面形貌。

采用金诺JF1004型精度为0．1mg的电子分析天平测量实验前后蓝宝石晶片的质量，通过计算获得蓝宝石晶片的材料去除速率。

3结果与讨论
3．1磨料的粒径分布与表面形貌
采用MASTEＲSIZEＲ纳米粒度仪（Malvern Zetasizer Nano ZS90）分析磨料粒径分布，如下图1是不同磨料粒子的粒径分布，由图1可知Al2O3抛光液中Al2O3粒子平均粒径为600nm左右；SiC粒子平均粒径为
1066人工晶体学报第42卷500nm 左右；三种SiO 2的平均粒径分别为50nm 、90nm 、110nm 。

采用MicroNano D-5A 扫描探针显微镜对
制备的分散液进行表征，由图2可以清晰看到磨料粒子，SiO 2分散效果较好，粒子分布较为均匀，
Al 2O 3粒子与SiC 粒子有明显团聚现象，分散效果不佳。

图1
不同磨料粒子的粒径分布Fig．1Size distribution of different abrasives particles
图2
不同磨料的AFM 形貌Fig．2AFM photographs of different abrasives （a ）40nm SiO 2；（b ）80nm SiO 2；（c ）120nm SiO 2；（d ）SiC ；（e ）Al 2O 3
3．2不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响
图3是在相同浓度下不同磨料对蓝宝石晶片抛光后表面形貌。

由图3可以看出，抛光前蓝宝石晶片表
面质量很差（Ｒa =49．5nm ），
经不同磨料抛光后蓝宝石晶片表面粗糙度略有不同，硅溶胶抛光后表面粗糙度处于最低，
表面平整，无明显起伏（Ｒa =1．7nm ）；而碳化硅（Ｒa =2．2nm ）或氧化铝（Ｒa =1．8nm ）磨料抛光液抛光后表面质量相对较差，碳化硅抛光后表面划痕较多，氧化铝抛光后表面有明显起伏。

图4是在相同浓度下不同磨料对蓝宝石晶片去除速率（a ）和抛光后表面粗糙度（b ）的影响。

由图4可知，
硅溶胶的去除速率最高（MＲＲ=34．1nm /min ），碳化硅次之（MＲＲ=24．0nm /min ），氧化铝最低（MＲＲ=20．2nm /min ）。

这可能是因为在磨料具有相同质量浓度前提下，可以认为颗粒粒径越大，则参与研磨的有
效粒子数越少，在相同抛光压力条件下，单个颗粒承担的压力P 越大［19］。

抛光后表面粗糙度Ｒa 与切削深度
d 的平均值成正比［20］，即Ｒa =kd 。

而由图1可知，氧化铝粒径最大，碳化硅次之，硅溶胶最小，因此在相同浓度下，硅溶胶参与研磨的有效粒子最多，单个颗粒承受压力越小，所以表面粗糙度最低，去除速率最大。

而且
碳化硅的莫氏硬度最大，
而硬度越大，机械作用越大，损伤也越严重，所以碳化硅抛光后表面粗糙度最高。

第6期熊伟等：不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响研究1067
图3SiC （a ）、α-
Al 2O 3（b ）、40nm SiO 2（c ）抛光后以及抛光前（d ）蓝宝石表面形貌Fig．3
AFM photographs of sapphire substrate unpolished （d ）and polished by
different abrasives SiC （a ）、α-Al 2O 3（b ）、40nm SiO 2（c ）
图4不同磨料与蓝宝石去除速率（a ）和抛光后蓝宝石晶体表面粗糙度的关系（b ）
Fig．4Ｒelationship between different abrasives and the MＲＲ（a ）and Ｒa （b ）
3．3不同粒径SiO 2蓝宝石晶片化学机械抛光的影响
研究表明［13］在抛光过程中，蓝宝石（0001）面上的Al 和水中羟基反应形成一种水化层，此水化层的成份
是鲍姆石和水铝石，其分子式分别是Al （OH ），Al （OH ）3，莫氏硬度为3 4。

只要磨料硬度比水化层硬，就可
以对蓝宝石晶片进行化学机械抛光。

图5
40nm SiO 2（a ）、80nm SiO 2（b ）和120nm SiO 2（c ）抛光后蓝宝石表面形貌Fig．5AFM photographs of sapphire substrate polished by different abrasives 40nm SiO 2（a ），80nm SiO 2（b ）and 120nm SiO 2（c ）图5是在相同浓度下不同粒径硅溶胶对蓝宝石晶片抛光后表面形貌，图6是在相同浓度下不同粒径硅
溶胶对蓝宝石晶片的去除速率（a ）和抛光后表面粗糙度（b ）的影响。

由图5与图6可知，
40nm 硅溶胶的去
1068人工晶体学报第42卷除速率最低（MＲＲ=34．1nm /min ），可能是因为磨料粒径过小导致其无法穿透水化层，即不完全使用磨料的化学抛光机械法，其机械作用通过抛光盘的摩擦获得，抛光后表面质量较好（Ｒa =1．7nm ）。

而110nm 硅溶胶虽然去除速率最大（MＲＲ=41．6nm /min ），但其表面粗糙度也最高（Ｒa =2．3nm ），这可能是因为磨料颗粒嵌入蓝宝石深度过大，使其表面产生划痕。

80nm 硅溶胶去除速率虽然不是最大（MＲＲ=36．6nm /min ），但
是其表面粗糙度最低（Ｒa =1．1nm ），
这可能是因为磨料颗粒刚好穿透水化层，达到最佳抛光效果。

图6
不同粒径硅溶胶与蓝宝石去除速率（a ）和抛光后蓝宝石晶体表面粗糙度（b ）的关系Fig．6Ｒelationship between different colloidal silica abrasive sizes and the MＲＲ（a ）and Ｒa （b ）
4结论
（1）三种不同的磨料（SiC 、Al 2O 3、SiO 2）对蓝宝石进行化学机械抛光，硅溶胶的去除速率最大（MＲＲ=34．1nm /min ），抛光后表面粗糙度最低Ｒa =1．7nm ；
（2）三种不同粒径的硅溶胶对蓝宝石进行化学机械抛光，80nm 硅溶胶获得的表面粗糙度最低Ｒa =1．1nm ，120nm 硅溶胶获得的去除速率最大MＲＲ=41．6nm /min 。

对于蓝宝石晶片的最终抛光，考虑到表面质量提出更高的要求，颗粒粒径过大不利于形成更加光滑的表面。

因此，偏向牺牲MＲＲ，选用平均粒径80nm 硅溶胶作为磨料。

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．
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒(上接第1057页)
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