收稿日期:2005204220;修订日期:2005207228

基金项目:天津市重大攻关项目资助(043801211)作者简介:王娟(19762),女,山西省五台县人,在读博士,研究方向为半导体材料与工艺。

文章编号:100328213(2005)0420065204

蓝宝石衬底片化学机械抛光的研究

王　娟,刘玉岭,檀柏梅,李薇薇,周建伟,牛新环(河北工业大学微电子研究所,天津300130)

摘要:

为了提高蓝宝石化学机械抛光(CMP)效果,对其抛光工艺进行了研究。采用

SiO2磨料对蓝宝石衬底片进行抛光,分析了抛光时的温度、pH条件、磨料粒径及浓

度,结果表明,采用80nm大粒径、高浓度的SiO2磨料,既可以保证抛光速率,又能得到良好的表面状态;当pH值在10～12时,可加速蓝宝石在碱性条件下的化学反应速率,从而提高抛光速率;在30℃时,能较好地平衡化学作用与机械作用,获得平滑表面;加入适量添加剂,可增大反应产物的体积,易于提高机械作用的效果,以获得较高的去除速率。关　键　词:蓝宝石;化学机械抛光;纳米硅溶胶中图分类号:TN30512 文献标识码:A

1　引言蓝宝石具有很好的热特性、电气特性和介电特性,并且耐化学腐蚀,对红外线透过率高,故被广泛应用于固体激光器、红外窗口探测器、发光二极管衬底片、精密耐磨轴承等高技术领域,如导弹红外窗口和高温压敏传感器的窗口等。随着光电技术的飞速发展,光电器件对蓝宝石衬底材料需求量日益增加,为满足光学器件发展的需求,蓝宝石化学机械抛光(CMP)的技术及机理亟待研究。目前国内蓝宝石批量生产技术尚不成熟,生产蓝宝石衬底片时出现裂痕和崩边现象的衬底片高达5%～8%,在之后的研磨和抛光工序中所能达到的抛光和研磨速率也很低(1μm/h),加工常需数小时,并且很多经过加工之后的蓝宝石片由于表面划痕较重而导致返工,部分经过返工的蓝宝石片由于研磨抛光过度,以致厚度过薄而报废,大大增加了蓝宝石衬底片的加工成本。为此,本文进行了蓝宝石衬底片CMP的研究,分析了影响抛光的各种因素。

2　实验首先将陶瓷抛光盘放入恒温箱,从室温升高到一定温度,恒温一段时间后取出,然后将抛光蜡均匀涂抹在粘片处,并把蓝宝石基片轻轻置于其上,缓缓轻揉。再取另一个平滑的抛光盘轻放在上面,待冷却到室温后,用脱脂棉蘸酒精将蓝宝石基片表面及其周边处理干净。

第4期2005年12月微细加工技术MICROFABRICATIONTECHNOLOGY№14

Dec1,2005将硅溶胶、去离子水、螯合剂及表面活性剂按一定比例混合均匀,配制成抛光液,测定其pH值后待用。将抛光盘装到兰新通信设备公司生产的X6281521型抛光机(如图1所示)上,设定抛光温度、压力、抛光液流速等工艺参数,按一定的操作规程进行抛光。图1　X6281521型单片抛光机　抛光液的pH值采用METTLERTOLEDO320pHMeter酸度计测量(pH值测量范围0～14,精度0101),SiO2磨料的粒径大小与分布采用英国Marlven公司生产的ZetasizerHS3000型激光纳米粒度测试仪测量,基片厚度用抛光机自带的测厚仪进行测量,抛光后的蓝宝石衬底片表面形貌采用上海卓伦微纳米设备有限公司生产的MicroNanoSPM21型原子力显微镜观察。3　结果与讨论311　pH值的影响大量的实验证明,高pH值不仅能有效防止硅溶胶沉淀,还能增强抛光中的化学作用,提高去除速率,所以抛光液的pH值选取为10～12。采用实验室自行研制的二氧化硅水溶胶作磨料,用氢氧化钾来调节pH值。实验表明,在碱性抛光液中,随pH值的增加,抛光速率不断增大,这是由于蓝宝石为两性氧化物,随着碱性的增加,化学反应加快,

促使如下式所示的反应平衡向右移动。2Al2O3+4KOH4KAlO2+2H2O312　温度的影响温度是抛光中极为重要的工艺参数之一。当二氧化硅研磨剂与蓝宝石衬底片表面相互摩擦时,由于二氧化硅热传导性差,即使有水存在也会造成局部变热,影响化学反应和机械去除两个过程。故温度必须在合适的范围内,才能满足氧化物的平整化要求,得到完美的表面。实验表明,温度低于25℃时,抛光速率较低,随着温度上升,速率增加很快,当温度高于38℃后,增长变缓。低温下,化学反应速率较低,抛光速率较慢,且机械损伤严重,

表面平整度差;高温下,化学反应速率高,表面平整度好,但化学腐蚀严重,表面完美性差,且随着温度上升,抛光速率受到反应物去除速率限制,增长很慢。综合分析以上因素,

30℃为抛光时的最佳温度。313　磨料粒径、浓度及流速的影响本研究用不同粒径的硅溶胶研磨料配制抛光浆料进行CMP上机实验(其它添加剂相同),以研究粒径对CMP去除速率的影响。三种抛光浆料中研磨料平均粒径分别为40

nm,80nm和120nm,结果表明,其它条件相同的情况下,随着研磨料粒径的增大,蓝宝石CMP去除速率增大。这是因为增大粒径就能增强表面的机械磨削能力,进而提高抛光速率。浆料浓度对CMP去除速率也有影响,故以相同粒径的研磨料配制不同浓度的抛光浆料上机进行CMP实验,研究浓度对CMP的影响。实验以80nm的研磨料分别配制成浓度为10%,15%,20%和30%的抛光浆料进行对比。结果表明,在其它条件相同的情况

66微细加工技术2005年

本页已使用福昕阅读器进行编辑。福昕软件（Ｃ）２００５－２００７，版权所有，仅供试用。下,随着浆料浓度的增大,抛光速率增大。这主要是因为浆料浓度的增大,使得抛光过程中参与机械磨削的粒子数增多,相应的有效粒子数也增多,粒径一定的情况下,有效粒子数的增多增强了机械磨削作用,进而提高了抛光速率。研究还表明,在CMP过程中适当增加浆料浓度,有利于提高抛光表面的平整度。CMP过程中浆料流速也是主要的工艺参数之一,本研究以相同粒径的研磨料配制成相同浓度的抛光浆料,通过调节恒流泵改变浆料流速观察其对CMP的影响。结果表明,浆料总量一定的情况下,存在最佳浆料流速,即200mL/min时CMP去除速率最大。当浆料流速太慢时,会严重影响反应产物从材料表面的去除,使其滞留在抛光表面,从而抑制抛光反应的进一步进行,导致抛光速率较慢。而随着抛光浆料流速的增大,反应产物的有效去除使得抛光反应得以快速进行,从而实现了较高的CMP去除速率。但随着抛光浆料流速的进一步加快,部分活性浆料来不及反应就从抛光垫与被抛光材料之间流失,也就是说,参与机械磨削的有效粒子数减少,从而降低了CMP去除速率。314　螯合剂、络合剂和活性剂的作用金属离子对半导体芯片危害极大,可导致器件电特性劣化,可靠性降低。配制抛光浆料时加入螯合剂主要是螯合浆料及CMP过程中的金属离子,提高蓝宝石衬底片的成品率。由于蓝宝石为两性氧化物,在抛光液配料中加入适当的络合剂,使其生成易溶解于水的络合物,而且还可以使反应产物的分子体积增大,这样使反应产物在摩擦和压力作用下更易脱离氧化物表面,从而提高机械去除速率,进而提高抛光速率。表面活性剂在抛光中起着非常重要的作用,它不仅影响抛光液的分散性、颗粒吸附后清洗的难易程度以及金属离子的沾污,更重要的是表面活性剂可提高质量传递速率,降低表面张力,从而提高平整度,降低损伤层厚度,有效抑制了高温非均化腐蚀(桔子皮现象)的产生,实现了高温均一化。而且表面活性剂还可以优先吸附,形成易清洗的物理吸附表面。同时,活性剂的加入还可以抑制颗粒在表面的强吸附状态,在研磨料作用下很容易从被抛光材料的表面清除,使得抛光得以进一步进行。研究表明,在研磨料粒径、浆料浓度等条件相同的情况下,配置抛光浆料时,不加活性剂的去除速率明显低于加入活性剂的浆料。315　优化条件下的抛光速率及表面形貌在研究了上述各种因素后,选择了较佳配比配制了抛光液,采用粒径为80nm,浓度为30%,pH值为11115的SiO2抛光液进行抛光,6件样品抛光1h的测试数据如表1所示,平均抛光速率达到5167μm/h,抛光速率较大是因为pH值较高,提高了化学抛光作用,而磨料粒径选取较大,提高了机械抛光作用,故而抛光速率较大。并且抛光液中加有十三个螯合环的螯合剂,能更有效地去除金属离子,具有更广泛的应用前景。

表1　采用硅溶胶研磨料配制抛光

　浆料CMP测试数据μm

样品1

#2#3#4#5#6#

抛光前厚度280102851027010277102791027815

抛光后厚度274102791526410271102741027310

去除层厚度610515610610510515

采用原子力显微镜从不同角度观测了抛光后蓝宝石的表面形貌,结果如图2所示。由图可以看出,在161795μm×161795μm的范围内,其表面粗糙度较低,表面状态较好。

4　结论 实验从pH值、温度、磨料粒径、浓度、流

76第4期　王娟等:蓝宝石衬底片化学机械抛光的研究图2　抛光以后AFM图

速及各种辅助剂等多方面因素对蓝宝石衬底

片抛光的影响进行了研究,在pH值为10～12,温度为30℃的条件下,采用配入适量螯合剂、络合剂及活性剂的大粒径、高浓度的硅溶胶碱性抛光液可以达到较好的蓝宝石衬底片抛光效果,且去除速率高,表面粗糙度低。

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