蓝宝石衬底材料CMP抛光工艺研究
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２存在的问题
目前国内蓝宝石批量生产的技术还很不成熟， 在生产蓝宝石衬底片的时候产生裂痕和崩边现象比 例较高，占总数的５％－８％，在之后的研磨工序完 成以后，检查发现有５０％的宝石片上有短而粗的 加工痕迹在抛光时无法抛掉，并且很多经过加工之 后的蓝宝石片由于表面划痕较重，有Ｚ０％左右的 宝石片表面有粗深划痕［８３０－１２］，需要重新研磨抛 光，从而导致返工，而部分经过返工的蓝宝石片由 于研磨抛光过度，导致厚度过薄而报废，这样就大 大提高了蓝宝石衬底片加工的成本。目前国际七的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＣＭＰ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｅＩｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ＣＭＰ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｔｆｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ ＣＭＰ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｅｒｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｅａｓｉｂｌｅ ｐｍｊｃｏｔｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ａｂｒａｓｉｖｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｄｉｓｐｅｒｓｉｔｙ，ａｐｐｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｃ ａｌｋａｌｉ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｗｅｒｅ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ａｄｖａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．
作为ＧａＮ的衬底材料有多种，包括蓝宝石、碳
收稿Ｅｔ期：２００５—０７＿０１
化硅、硅、氧化镁、氧化锌等，其中蓝宝石以其独 特的性能和高的可利用率成为最主要的衬底材料。 蓝宝石单晶，又称白宝石，分子式为矗ｌ疵透明， 与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能［５－７］， 有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性， 并且防化学腐蚀，对红外线透过率高，有很好的 耐磨性，硬度仅次于金刚石达莫氏９级，在高温 下仍具有较好的稳定性，熔点为２０３０℃，所以被 广泛应用于工业、国防、科研等领域，越来越多地 用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、 精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料，如
ＡＩ（ＯＨ）３＋ＯＨ∞Ａ１０＿＋２Ｈ２０
虽然碱性物质的反应速率相对较慢，但是它对 设备无腐蚀，在腐蚀过程中对称的局部腐蚀也相对 均匀，所以一般来说，抛光液中一般选用碱性介 质，如ＮａＯＨ，ＫＯＨ等强碱，碱金属离子在抛光 过程中进入衬底中，容易引起器件的局部穿通、漏 电流增大等效应，使芯片工作的可靠性降低，引起 器件失效；同时，强碱没有ｐＨ缓冲作用，目前有 的单位用氨水作为ｐＨ值调节剂，但是它容易挥发 从而造成空间污染，而且ｐＨ值不稳定，缓冲作用 也比较少［１“。所以通过大量研究，选用有机碱作 ｐＨ值调节剂能有效解决上述问题。 ４．２磨料的选择
微纳电子技术２００６年第１期●日参
万方数据
纳米材料与结构
地对地、地对空导弹的红外窗口， 高温压敏传感器 的窗口等［８－ｌｑ。
研究表明，器件的质量很大程度上依赖于衬底 的表面加工，蓝宝石由于其硬度高且脆性大，机械 加工困难。尤其对用于ＧａＮ生长的蓝宝石衬底片 精密加工技术更加复杂，是目前重点研究的难题。 随着光电技术的飞速发展，光电产品对蓝宝石衬底 材料需求量的日益增加，且对晶体表面提出了超光 滑的要求，为了满足蓝宝石光学器件发展的要求， 获得高平整的表面，须对蓝宝石进行化学机械抛光 （ＣＭＰ），对ＣＭＰ机理的研究及技术方案的优化将 会对蓝宝石晶体表面达到超光滑起到至关重要的作 用％
因此说，ＣＭＰ是一个多相反应过程，是机械 作用与化学作用互相加强与促进的过程。经过研 究，对于化学机械抛光而言，我们发现其ＣＭＰ的
动力学过程主要有以下几个步骤组成：（鞭应剂分
子从液体主体向待加工片外表面扩散（外扩散）； ②反应剂分子由外表面向内表面扩散其速率与质量 附面层厚度相关，当在压力与抛光机旋转作用下附 面层极小；③反应物吸附在待加工片表面；（勤曼应 物在加工片表面上进行化学反应，生成产物；⑤产 物从表面解吸；⑥产物从内表面向外表面扩散；⑦ 产物从外表面向主液体扩散［１“。
由河北工业大学微电子研究所研制的以水玻璃 为原料，通过离子交换制备的硅溶胶，现在已制得 大粒径硅溶胶，如图１所示。
图１ １１６．５ ｎｍ硅溶胶分布图（应用激光纳米粒度分析仪测试）
由上图可知，粒径主要为９５．１～１４７．６ ｎｍ，且 分散度很小，几乎为单分散，分散度为１．０１０３。 ４．３活性剂的作用
的主要难题。
３ ＣＭＰ理论分析
目前ＣＭＰ抛光机理模型大多采用Ｐｒｅｓｔｏｎ方程 Ｒ＝ＫｐＶ（Ｒ为抛光速率；Ｐ为压力；Ｖ为抛光垫与 样片的相对转速）“２】。该公式主要考虑压力、转 速、抛光垫等机械作用对抛光速率的影响，仅仅从 机械作用的角度定性地给出了去除速率与压力和转 速的关系。而化学作用更复杂重要，展现化学作用 速率的是阿累尼乌斯方程Ｖ＝Ｋｅｘｐ（～Ｅ，／ＲＴ）。在以 前的研究中我们发现ＣＭＰ过程中速率不是机械与 化学作用的简单相加，而是Ｖ ｍｍ－Ｖ ｎ＋ｙ化。
大量研究表明，抛光浆料中表面活性剂有着许 多重要的作用。其中主要作用有三方面：①稳定浆 料作用，加人合适的表面活性剂可以改善抛光浆料 稳定性，增大研磨料之间的空位电阻，使得胶体研 磨料长期稳定存在；②改善ＣＭＰ后清洗效果，特 选活性剂的加入能优先吸附于晶片表面形成易清洗 的物理吸附，并将抛光颗粒或其他颗粒包覆使其难
在稳态下，上述几步速率大小受阻力最大的慢 过程（步骤）所控制，设法减慢过程阻力，就能加 快整个过程的速率［１４］。为了达到更好的抛光效果保 证表面高平整、低损伤、无污染，必须在抛光过程 中加速质量传递过程。质量传递包括两个方面，反 应物及时进入表面；反应产物及时脱离表面。两个 过程中的综合结果呈现出ＣＭＰ的速率与表面质量。
４影响蓝宝石ＣＭＰ效果的因素分析
４．１介质的选择 在蓝宝石衬底片全局平面化中介质是非常重要
的，它是化学作用的基础。蓝宝石为两性氧化物， 可与酸、碱反应。
在酸性介质中，产物易溶解，反应式为 Ａ１２０３＋Ｈ２０｛＝｝２ＡＩＯ（ＯＨ） Ａ１２０３＋３Ｈ２０ｃ＝》２Ａ１０（ＯＨ）３
Ａ１２０３＋６Ｈ＋ｃ＝，２Ａ１“＋３Ｈ２０
下，分散度大的研磨料由于有效研磨料的减少影 响了参与机械研磨的粒子数，从而影响了抛光速 率。由上述分析可知，一定平均粒径的研磨料，分 散度越小，有效研磨料粒子越多，抛光速率越大； 反之，分散度越大，有效粒壬数越少，抛光速率越 低，且在选择抛光研磨料粒径时不易选择。国内外 多采用机械粉碎法制得的大粒径磨料（ｓｉ０２粒径为 １３０ ｒｉｍ）来提高抛光过程中的机械作用，以此提高 抛光速率，进而提高生产效率。但该类磨料分散度 大，导致了表面损伤层加深，黏度高，活性差，易 造成表面划伤与颗粒吸附，难清洗等问题，而采用 水热合成的硅溶胶则粒径较小，多为１０－２０ ｎｍ， 国外典型产品为Ｃａｂｏｔ公司的５０—７０ ｎｍ、德国 Ｂａｙｅｒ的８０ ｎｍ硅溶胶，但分散度较大，不利于 ＣＭＰ的有效研磨。如何研制大粒径、分散度相对 较小的硅溶胶成为当前ＣＭＰ磨料发展之所急。
纳米材料与结构
蓝宝石衬底材料ＣＭ Ｐ抛光工艺研究
赵之雯，牛新环，檀柏梅，袁育杰，刘玉岭
（河北工业大学微电子研究所，天津３００１３０）
摘要：介绍了蓝宝石衬底的化学机械抛光工艺，阐述了蓝宝石衬底的应用发展前景以及加工工 艺中存在的问题，总结了影响ＣＭＰ工艺的多种因素，并系统地分析了蓝宝石抛光工艺过程的性 能参数及其影响因素，提出了优化方案，采用大粒径、低分散度的磨料，加入有机碱及活ｔｉｆ－－＿＿剂， 能够有效提高蓝宝石表面的性能厦加工效率。 关键词：蓝宝石；化学机械抛光；影响因素；表面状态 中图分类号：ＴＮ３０４．２＋Ｉ；＇ｒＮ３０５．２文献标识码：Ａ文章编号：１６／Ｉ－４７７６（２００６）０１－００１６－０４
Biblioteka Baidu
万方数据
●１日●
微纳电子技术 ２００６年第１期
纳米材料与结构
Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＡＩＯ（ＯＨ）３＋３Ｈ＋｛：，ＡＩ％３Ｈ２０ ＡＩＯ（ＯＨ）＋３Ｈ＋ｃｏＡＰ＋＋２Ｈ２０ 但是酸性腐蚀设备，会产生金属离子，对微电 子本身污染较重，同时污染环境，对人体的危害也 较大，容易造成非均匀化腐蚀，影响局部平整度。 若采用碱性介质，反应物相对于酸来说，速率 较低，反应式为［６］ Ａ１２０３＋２０Ｈ—甘２Ａ１０－＋Ｈ２０
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ＣＭＰ
ＺＨＡＯ Ｚｈｉ－ｗｅｎ，ＮＩＵ Ｘｉｎ－ｈｕａｎ，ＴＡＮ Ｂａｌ－ｍｅｉ，ＹＵＡＮ Ｙｕ－ｊｉｅ，ＬＩＵ Ｙｕ—ｌｉｎｇ （Ｉｎｓｔ／ｔｕｔｅ矿Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍ时ｅｒｉａｌｓ．Ｈｅｂｅｉ Ｕｍｖｅｎ毋０，Ｔｅｃｈｎｏ／ｏ盱，ｎ耐讥３００１３０，Ｃｈｉｎａ）
在抛光浆料中，研磨料是重要影响因素之一。 根据被抛光材料物化性质的不同可选用不同的研磨 料，常用研磨料主要有硅溶胶研磨料、氧化铈研磨 料和氧化铝研磨料。
由于抛光一般采用软垫，故在研磨料和被抛材 料作用下，抛光表面通常发生形变，这样抛光垫与 被抛材料问就存在两种情况：接触和非接触区域。 且由于抛光垫较软，非接触区域占优。非接触区域 的抛光效率决定了整个抛光片的抛光速率。粒径分 散度较大的研磨料中并不是所有颗粒都参与机械研 磨，而只有部分研磨料参与了机械磨削，称之为有 效研磨料。而其中粒径较小的研磨料虽然也在浆料 中，但并不参与机械研磨，将这一类研磨料定义为 无效研磨料。浆料中研磨料粒径和浓度的选择其实 取决于研磨料的分散度，若研磨料分散度较小，则 根据需要选择对应粒径大小研磨料即可，文献 ［１４］中指出，对于ＳｉＯ：磨料来说，粒径在８０ ｎｍ 时的去除速率最高；但对于粒径分散度较大的研磨 料，考虑到无效研磨料的存在，相同平均粒径情况
微纳 万电方子数技据术 ２００６年第１期●Ｉ暇一
纳米材料与结构
以吸附在表面，还可将弱吸附在表面的颗粒有效去 除；③提高抛光凹凸选择性，改善抛光表面平整 度，并实现“自停止”［１”。
经过多次研究，由河北工业大学微电子研究所 生产的ＦＡ／Ｏ复合活性剂在适当的配比下能起到最 优的抛光效果。烷基苯酚聚乙氧基醇类，烷基聚氧 乙烯醚醇［ＲＯ（ＯＨ：ＣＨ２０）。ＣＨ：ＣＨｚＯＨ，Ｒ＝Ｃｔ２Ⅲ， ｎ＝６］，聚乙二醇等非离子型界面活性剂在目前应 用比较广泛，而由河北工业大学微电子研究所研制 的ＦＡ／Ｏ活性剂则是一种复合型活性剂，其性能要 优于目前市场上的同类产品，效果更佳。 ４．４温度的影响
水平是，去除速率低于１斗ｎ以；表面粗糙度达到 ０．４ｍ左右”１；平整度小于５¨ｍ Ｅｇ］。
尽管ＣＭＰ技术发展的速度很快，但它们需要 解决的理论及技术问题还很多。如人们对诸如抛光 参数（如压力、转速、温度等）对平面度的影响、 抛光垫．浆料－片子之问的相互作用、浆料化学性质 （如组成、ｐＨ值、颗粒度等）对各种参数的影响等 比较基本的基础机理了解甚少，因而定量确定最佳 ＣＭＰ工艺，系统地研究ＣＭＰ工艺过程参数，建立 完善的ＣＭＰ理论模型，满足各种器件对ＣＭＰ工艺 的不同要求，是研究ＣＭＰ技术的重大课题；另外 片子表面残留浆料的清除也是ＣＭＰ后清洗的主要 课题，研制合适的ＣＭＰ工艺、设备及抛光液以使 去除速度高而稳定、片子的膜内均匀性和片内均匀 性都理想，而且产生的缺陷少，是ＣＭＰ技术发展
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓａｐｐｈｉｒｅ；ＣＭＰ；ｅｆｆｅｃｔ ｆａｃｔｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅ
１引 言
作为继Ｓｉ，ＧａＡｓ之后的第三代半导体材料的 ＧａＮ，其在器件上的应用被视为２０世纪９０年代半 导体最重大的事件，它使半导体发光二极管和激光 器上了一个新的台阶。ＧａＮ是直接带隙半导体材 料，室温下禁带宽度为３．３９ ｅＶ，因此近年来成为 国内外半导体材料及光电子器件的研究热点，但由 于Ｇａｂ／体材料很难制备，所吼必须在其他衬底材 料上外延生长薄膜［１卅。
目前国内蓝宝石批量生产的技术还很不成熟， 在生产蓝宝石衬底片的时候产生裂痕和崩边现象比 例较高，占总数的５％－８％，在之后的研磨工序完 成以后，检查发现有５０％的宝石片上有短而粗的 加工痕迹在抛光时无法抛掉，并且很多经过加工之 后的蓝宝石片由于表面划痕较重，有Ｚ０％左右的 宝石片表面有粗深划痕［８３０－１２］，需要重新研磨抛 光，从而导致返工，而部分经过返工的蓝宝石片由 于研磨抛光过度，导致厚度过薄而报废，这样就大 大提高了蓝宝石衬底片加工的成本。目前国际七的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＣＭＰ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｅＩｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ＣＭＰ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｔｆｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ ＣＭＰ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｅｒｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｅａｓｉｂｌｅ ｐｍｊｃｏｔｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ａｂｒａｓｉｖｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｄｉｓｐｅｒｓｉｔｙ，ａｐｐｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｃ ａｌｋａｌｉ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｗｅｒｅ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ａｄｖａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．
作为ＧａＮ的衬底材料有多种，包括蓝宝石、碳
收稿Ｅｔ期：２００５—０７＿０１
化硅、硅、氧化镁、氧化锌等，其中蓝宝石以其独 特的性能和高的可利用率成为最主要的衬底材料。 蓝宝石单晶，又称白宝石，分子式为矗ｌ疵透明， 与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能［５－７］， 有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性， 并且防化学腐蚀，对红外线透过率高，有很好的 耐磨性，硬度仅次于金刚石达莫氏９级，在高温 下仍具有较好的稳定性，熔点为２０３０℃，所以被 广泛应用于工业、国防、科研等领域，越来越多地 用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、 精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料，如
ＡＩ（ＯＨ）３＋ＯＨ∞Ａ１０＿＋２Ｈ２０
虽然碱性物质的反应速率相对较慢，但是它对 设备无腐蚀，在腐蚀过程中对称的局部腐蚀也相对 均匀，所以一般来说，抛光液中一般选用碱性介 质，如ＮａＯＨ，ＫＯＨ等强碱，碱金属离子在抛光 过程中进入衬底中，容易引起器件的局部穿通、漏 电流增大等效应，使芯片工作的可靠性降低，引起 器件失效；同时，强碱没有ｐＨ缓冲作用，目前有 的单位用氨水作为ｐＨ值调节剂，但是它容易挥发 从而造成空间污染，而且ｐＨ值不稳定，缓冲作用 也比较少［１“。所以通过大量研究，选用有机碱作 ｐＨ值调节剂能有效解决上述问题。 ４．２磨料的选择
微纳电子技术２００６年第１期●日参
万方数据
纳米材料与结构
地对地、地对空导弹的红外窗口， 高温压敏传感器 的窗口等［８－ｌｑ。
研究表明，器件的质量很大程度上依赖于衬底 的表面加工，蓝宝石由于其硬度高且脆性大，机械 加工困难。尤其对用于ＧａＮ生长的蓝宝石衬底片 精密加工技术更加复杂，是目前重点研究的难题。 随着光电技术的飞速发展，光电产品对蓝宝石衬底 材料需求量的日益增加，且对晶体表面提出了超光 滑的要求，为了满足蓝宝石光学器件发展的要求， 获得高平整的表面，须对蓝宝石进行化学机械抛光 （ＣＭＰ），对ＣＭＰ机理的研究及技术方案的优化将 会对蓝宝石晶体表面达到超光滑起到至关重要的作 用％
因此说，ＣＭＰ是一个多相反应过程，是机械 作用与化学作用互相加强与促进的过程。经过研 究，对于化学机械抛光而言，我们发现其ＣＭＰ的
动力学过程主要有以下几个步骤组成：（鞭应剂分
子从液体主体向待加工片外表面扩散（外扩散）； ②反应剂分子由外表面向内表面扩散其速率与质量 附面层厚度相关，当在压力与抛光机旋转作用下附 面层极小；③反应物吸附在待加工片表面；（勤曼应 物在加工片表面上进行化学反应，生成产物；⑤产 物从表面解吸；⑥产物从内表面向外表面扩散；⑦ 产物从外表面向主液体扩散［１“。
由河北工业大学微电子研究所研制的以水玻璃 为原料，通过离子交换制备的硅溶胶，现在已制得 大粒径硅溶胶，如图１所示。
图１ １１６．５ ｎｍ硅溶胶分布图（应用激光纳米粒度分析仪测试）
由上图可知，粒径主要为９５．１～１４７．６ ｎｍ，且 分散度很小，几乎为单分散，分散度为１．０１０３。 ４．３活性剂的作用
的主要难题。
３ ＣＭＰ理论分析
目前ＣＭＰ抛光机理模型大多采用Ｐｒｅｓｔｏｎ方程 Ｒ＝ＫｐＶ（Ｒ为抛光速率；Ｐ为压力；Ｖ为抛光垫与 样片的相对转速）“２】。该公式主要考虑压力、转 速、抛光垫等机械作用对抛光速率的影响，仅仅从 机械作用的角度定性地给出了去除速率与压力和转 速的关系。而化学作用更复杂重要，展现化学作用 速率的是阿累尼乌斯方程Ｖ＝Ｋｅｘｐ（～Ｅ，／ＲＴ）。在以 前的研究中我们发现ＣＭＰ过程中速率不是机械与 化学作用的简单相加，而是Ｖ ｍｍ－Ｖ ｎ＋ｙ化。
大量研究表明，抛光浆料中表面活性剂有着许 多重要的作用。其中主要作用有三方面：①稳定浆 料作用，加人合适的表面活性剂可以改善抛光浆料 稳定性，增大研磨料之间的空位电阻，使得胶体研 磨料长期稳定存在；②改善ＣＭＰ后清洗效果，特 选活性剂的加入能优先吸附于晶片表面形成易清洗 的物理吸附，并将抛光颗粒或其他颗粒包覆使其难
在稳态下，上述几步速率大小受阻力最大的慢 过程（步骤）所控制，设法减慢过程阻力，就能加 快整个过程的速率［１４］。为了达到更好的抛光效果保 证表面高平整、低损伤、无污染，必须在抛光过程 中加速质量传递过程。质量传递包括两个方面，反 应物及时进入表面；反应产物及时脱离表面。两个 过程中的综合结果呈现出ＣＭＰ的速率与表面质量。
４影响蓝宝石ＣＭＰ效果的因素分析
４．１介质的选择 在蓝宝石衬底片全局平面化中介质是非常重要
的，它是化学作用的基础。蓝宝石为两性氧化物， 可与酸、碱反应。
在酸性介质中，产物易溶解，反应式为 Ａ１２０３＋Ｈ２０｛＝｝２ＡＩＯ（ＯＨ） Ａ１２０３＋３Ｈ２０ｃ＝》２Ａ１０（ＯＨ）３
Ａ１２０３＋６Ｈ＋ｃ＝，２Ａ１“＋３Ｈ２０
下，分散度大的研磨料由于有效研磨料的减少影 响了参与机械研磨的粒子数，从而影响了抛光速 率。由上述分析可知，一定平均粒径的研磨料，分 散度越小，有效研磨料粒子越多，抛光速率越大； 反之，分散度越大，有效粒壬数越少，抛光速率越 低，且在选择抛光研磨料粒径时不易选择。国内外 多采用机械粉碎法制得的大粒径磨料（ｓｉ０２粒径为 １３０ ｒｉｍ）来提高抛光过程中的机械作用，以此提高 抛光速率，进而提高生产效率。但该类磨料分散度 大，导致了表面损伤层加深，黏度高，活性差，易 造成表面划伤与颗粒吸附，难清洗等问题，而采用 水热合成的硅溶胶则粒径较小，多为１０－２０ ｎｍ， 国外典型产品为Ｃａｂｏｔ公司的５０—７０ ｎｍ、德国 Ｂａｙｅｒ的８０ ｎｍ硅溶胶，但分散度较大，不利于 ＣＭＰ的有效研磨。如何研制大粒径、分散度相对 较小的硅溶胶成为当前ＣＭＰ磨料发展之所急。
纳米材料与结构
蓝宝石衬底材料ＣＭ Ｐ抛光工艺研究
赵之雯，牛新环，檀柏梅，袁育杰，刘玉岭
（河北工业大学微电子研究所，天津３００１３０）
摘要：介绍了蓝宝石衬底的化学机械抛光工艺，阐述了蓝宝石衬底的应用发展前景以及加工工 艺中存在的问题，总结了影响ＣＭＰ工艺的多种因素，并系统地分析了蓝宝石抛光工艺过程的性 能参数及其影响因素，提出了优化方案，采用大粒径、低分散度的磨料，加入有机碱及活ｔｉｆ－－＿＿剂， 能够有效提高蓝宝石表面的性能厦加工效率。 关键词：蓝宝石；化学机械抛光；影响因素；表面状态 中图分类号：ＴＮ３０４．２＋Ｉ；＇ｒＮ３０５．２文献标识码：Ａ文章编号：１６／Ｉ－４７７６（２００６）０１－００１６－０４
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●１日●
微纳电子技术 ２００６年第１期
纳米材料与结构
Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＡＩＯ（ＯＨ）３＋３Ｈ＋｛：，ＡＩ％３Ｈ２０ ＡＩＯ（ＯＨ）＋３Ｈ＋ｃｏＡＰ＋＋２Ｈ２０ 但是酸性腐蚀设备，会产生金属离子，对微电 子本身污染较重，同时污染环境，对人体的危害也 较大，容易造成非均匀化腐蚀，影响局部平整度。 若采用碱性介质，反应物相对于酸来说，速率 较低，反应式为［６］ Ａ１２０３＋２０Ｈ—甘２Ａ１０－＋Ｈ２０
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ＣＭＰ
ＺＨＡＯ Ｚｈｉ－ｗｅｎ，ＮＩＵ Ｘｉｎ－ｈｕａｎ，ＴＡＮ Ｂａｌ－ｍｅｉ，ＹＵＡＮ Ｙｕ－ｊｉｅ，ＬＩＵ Ｙｕ—ｌｉｎｇ （Ｉｎｓｔ／ｔｕｔｅ矿Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍ时ｅｒｉａｌｓ．Ｈｅｂｅｉ Ｕｍｖｅｎ毋０，Ｔｅｃｈｎｏ／ｏ盱，ｎ耐讥３００１３０，Ｃｈｉｎａ）
在抛光浆料中，研磨料是重要影响因素之一。 根据被抛光材料物化性质的不同可选用不同的研磨 料，常用研磨料主要有硅溶胶研磨料、氧化铈研磨 料和氧化铝研磨料。
由于抛光一般采用软垫，故在研磨料和被抛材 料作用下，抛光表面通常发生形变，这样抛光垫与 被抛材料问就存在两种情况：接触和非接触区域。 且由于抛光垫较软，非接触区域占优。非接触区域 的抛光效率决定了整个抛光片的抛光速率。粒径分 散度较大的研磨料中并不是所有颗粒都参与机械研 磨，而只有部分研磨料参与了机械磨削，称之为有 效研磨料。而其中粒径较小的研磨料虽然也在浆料 中，但并不参与机械研磨，将这一类研磨料定义为 无效研磨料。浆料中研磨料粒径和浓度的选择其实 取决于研磨料的分散度，若研磨料分散度较小，则 根据需要选择对应粒径大小研磨料即可，文献 ［１４］中指出，对于ＳｉＯ：磨料来说，粒径在８０ ｎｍ 时的去除速率最高；但对于粒径分散度较大的研磨 料，考虑到无效研磨料的存在，相同平均粒径情况
微纳 万电方子数技据术 ２００６年第１期●Ｉ暇一
纳米材料与结构
以吸附在表面，还可将弱吸附在表面的颗粒有效去 除；③提高抛光凹凸选择性，改善抛光表面平整 度，并实现“自停止”［１”。
经过多次研究，由河北工业大学微电子研究所 生产的ＦＡ／Ｏ复合活性剂在适当的配比下能起到最 优的抛光效果。烷基苯酚聚乙氧基醇类，烷基聚氧 乙烯醚醇［ＲＯ（ＯＨ：ＣＨ２０）。ＣＨ：ＣＨｚＯＨ，Ｒ＝Ｃｔ２Ⅲ， ｎ＝６］，聚乙二醇等非离子型界面活性剂在目前应 用比较广泛，而由河北工业大学微电子研究所研制 的ＦＡ／Ｏ活性剂则是一种复合型活性剂，其性能要 优于目前市场上的同类产品，效果更佳。 ４．４温度的影响
水平是，去除速率低于１斗ｎ以；表面粗糙度达到 ０．４ｍ左右”１；平整度小于５¨ｍ Ｅｇ］。
尽管ＣＭＰ技术发展的速度很快，但它们需要 解决的理论及技术问题还很多。如人们对诸如抛光 参数（如压力、转速、温度等）对平面度的影响、 抛光垫．浆料－片子之问的相互作用、浆料化学性质 （如组成、ｐＨ值、颗粒度等）对各种参数的影响等 比较基本的基础机理了解甚少，因而定量确定最佳 ＣＭＰ工艺，系统地研究ＣＭＰ工艺过程参数，建立 完善的ＣＭＰ理论模型，满足各种器件对ＣＭＰ工艺 的不同要求，是研究ＣＭＰ技术的重大课题；另外 片子表面残留浆料的清除也是ＣＭＰ后清洗的主要 课题，研制合适的ＣＭＰ工艺、设备及抛光液以使 去除速度高而稳定、片子的膜内均匀性和片内均匀 性都理想，而且产生的缺陷少，是ＣＭＰ技术发展
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓａｐｐｈｉｒｅ；ＣＭＰ；ｅｆｆｅｃｔ ｆａｃｔｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅ
１引 言
作为继Ｓｉ，ＧａＡｓ之后的第三代半导体材料的 ＧａＮ，其在器件上的应用被视为２０世纪９０年代半 导体最重大的事件，它使半导体发光二极管和激光 器上了一个新的台阶。ＧａＮ是直接带隙半导体材 料，室温下禁带宽度为３．３９ ｅＶ，因此近年来成为 国内外半导体材料及光电子器件的研究热点，但由 于Ｇａｂ／体材料很难制备，所吼必须在其他衬底材 料上外延生长薄膜［１卅。