赵伟
重庆四联光电科技有限公司 重庆市北碚区 400700
摘要：宝石（Sapphire）是一种氧化铝（α-Al2O3）的单晶，又称为刚玉。蓝宝石单晶具有熔点高(2040℃)，硬度高(莫氏硬度9)，化学性能稳定，电绝缘性好，具有良好的热特性、极好的电气特性和介电特性，特别是具有优良的红外透过率等特性。在半导体领域中，主要是使用蓝宝石作为制备GaN薄膜的衬底，它与GaN之间的晶格常数失配率小，是目前最主要的GaN外延基片材料之一。
关键词：蓝宝石衬底；化学机械抛光；纳米级；转速
蓝宝石抛光的方法主要有机械、化学、化学机械抛光等。机械抛光因使工件表面存在较深的亚表层损伤，使得抛光表面质量水平不高且影响产品应用性能；化学抛光速率慢而且会降低产品形貌精度；化学机械抛光综合了机械和化学抛光的优势，在抛光速率、抛光精度以及抛光产生的破坏深度等方面都具有明显的优势，是目前蓝宝石衬底抛光的主流技术。影响蓝宝石衬底化学机械抛光的主要技术要素包括：抛光液组分、抛光液流量、抛光布类型、抛光压力、抛光转速比、抛光温度等，所以各技术要素进行深化研究，对于稳定蓝宝石衬底抛光质量，提高蓝宝石衬底表面形貌具有重要价值。
一、实验目的
随着蓝宝石衬底图形化工艺的推广，对蓝宝石衬底形貌提出了更高的要求，如要求数值更低的、分布更集中的TTV和LTV。本次实验通过采用相同的抛光设备使用不同的转速比（抛光机上下盘之间的转速比例）进行蓝宝石衬底抛光工艺实验，通过抛光后蓝宝石衬底的TTV、LTV数据分布研究不同的抛光机台转速比对蓝宝石衬底抛光表面形态的影响。
二、理论基础
在蓝宝石衬底抛光的过程中，蓝宝石先与减性抛光液发生化学反应，在蓝宝石表面生成一种水合物，然后通过与抛光布以及抛光液磨料的摩擦作用去除该层水合物，重复这个过程就完成了蓝宝石的抛光。化学机械抛光去除率Preston方程为： MRP=(KP+B)V+Rc，其中k、B、Rc为常数，P为抛光压力，V为相对速度。抛光机上下盘面使用不同的转速比，抛光布不同半径区域的合成线速度不同，导致抛光布在不同半径区域的磨损程度或塑性变形不同，从而影响蓝宝石衬底的形貌。所以合理的转速比，不仅能够很好的提高蓝宝石衬底的表面形貌，还能够保持抛光布的面型，降低抛光布的修整频率，提高抛光布的使用寿命。
如图1所示，下盘的半径为R1，转速为n1，上盘的半径为R2，转速为n2；则其相互接触的3点合成线速度分别为：V1=2π（R1n1-R2n2），V2=2π（R1-R2）n1，V3=2π[(R1-2R2)n1+R2n2]。按下述三种情况，推算3点速度的差异：1.n1=n2=n时：可以推导出V1= V2= V3，晶片的各点去除速率相同；2.n1>n2时：可以推导出V1>V2>V3，晶片在下盘半径方向从外到内的磨削速度逐渐降低；3.n1<n2时：可以推导出V1<V2<V3，晶片在下盘半径方向从外到内的磨削速度逐渐增加。C1:C2=2πR1:2π(R1-2R2)=V1T:V3T，单位时间内，V1：V3= 2πR1:2π(R1-2R2)，因为实际中R1>2R2，所以V1>V3，即：在实际抛光中，为尽量保证抛光布各区域的磨损速度，需选用n1>n2。
通过模拟软件模拟在不同转速比下抛光4英寸晶片中点的轨迹图，找寻合理的转速比，便于进行试验对比。在蓝宝石衬底机械研磨磨削中，产品在加工过程中运动的轨迹越复杂，且轨迹间的相交点越多，对研磨盘面的面型保持度越高以及研磨后产品的表面形貌控制能力越高。通过模拟转速比为0.5、0.83、0.95、1、1.05、1.2、2的轨迹分析，转速比0.95与1.05的运行轨迹满足轨迹复杂，相交点多的特点。所以本次实验选取上下盘转速比为1、1.05、0.95分别进行实验。
三、实验方法与过程
实验中采用c<0001>晶向蓝宝石衬底片，直径为4英寸(100.2mcm)，厚约650um；粒径为200 nm的Al2O3碱性抛光液；使用强碱调节pH值；选用SUBA800型抛光布。使用相同主驱设备，相同PH值，相同抛光时间，相同抛光盘等相同的工况条件下，使用不同的转速比进行抛光，不同转速比切换时，使用钻石修整盘修整抛光布。在实验的过程中，使用不同的转速比进行交叉切换，排除抛光盘使用次数对实验的影响。使用全自动表面形态检查仪对抛光后的衬底片进行检测，通过衬底片的TTV、LTV数据分析对比来验证转速比对衬底片抛光后表面形态的影响。
四、实验结果分析
实验数据统计分析如下：
从上图对比：1.转速比为1.05及0.95时，TTV和LTV分布相对转速比为1时正态。2.TTV过程控制能力转速比1.05优于转速比0.95,转速比0.95优于转速比1。3. LTV过程控制能力转速比1.05优于转速比0.95,转速比0.95优于转速比1。4.抛光机上下盘面转速有差异时，衬底片的运行轨迹较相同转速复杂，能够更有利于控制衬底片的TTV和LTV。
五、结论
实验表明，转速比在减小时晶片的表面形貌逐渐变差，主要是不同的转速比使得晶片在抛光布上行走的轨迹不相同，从而导致抛光布的磨损程度不相同，进而影响晶片的表面形貌。经实验验证，转速比在1.05时，能得到较好的晶片形貌同时又能延长抛光布的使用寿命。
六、参考文献
[1]宗思邈，刘玉岭，牛新环，等.蓝宝石衬底材料CMP去除速率的影响因素[A]. 显徽、测量、徼细加工技术与设备,1671—4776(2O09)01—0050—0
[2]计时鸣，李琛，谭大鹏，等.基于Preston方程的软性磨粒流加工特性[J].机械工程学报，2011.17.156
论文作者:赵伟
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/17
标签：转速论文; 衬底论文; 蓝宝石论文; 形貌论文; 晶片论文; 表面论文; 轨迹论文; 《防护工程》2018年第14期论文;