探索蓝宝石抛光技术

人工生长的蓝宝石是单晶α-Al2O3，其构造如图1所示。

单晶蓝宝石的机械性质与其本身密度有关，单晶蓝宝石密度越大则机械性质越佳，理论上纯度100%单晶蓝宝石的理论密度为 3.9869/cm3，其相对的机械性质也为相当佳。单晶蓝宝石的热性质和其纯度有关，一般而言，纯度越高，则其热传导系数及热扩散系数也会越高，但热膨胀系数则不一定。

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蓝宝石机械抛光表面分为三个阶段：微破碎层去除阶段、过渡阶段、抛光表面形成阶段。

• 2研磨液

常用的是色拉油、矿物油、基础油与磨料的混合物。磨料主要有金刚石微粉等。

化学抛光主要采用对工件材料具有腐蚀作用的抛光液对工件进行化学腐蚀去除材料。化学抛光产生的破坏层深度较浅，但抛光时需要的温度较高，容易导致抛光雾斑. 一般化学腐蚀用于生长前衬底的抛光。

化学机械抛光( Chemical Mechanical Polishing, 简称CMP) 技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术, 它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦平面, 现己成为半导体加工行业的主导技术。

3.1抛光液

• 1）磨料

在抛光液中, 磨料是重要因素之一。它提供了CMP 工艺的机械作用, 其粒径、浓度以及硬度均是影响抛光效果的重要参数, 其中粒径是影响抛光速率的主要因素之一。

• 2）介质

在蓝宝石衬底片的CMP工艺中, 介质的选择是非常重要的, 它是化学作用的基础。

• 3）活性剂

加入适量活性剂既改善浆料稳定性, 又抑制反应生成颗粒在被抛光表面的吸附, 加快质量传递过程。

• 4）螯合剂

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的螯合剂主要是螯合浆料及CMP过程中产生的金属离子, 提高蓝宝石衬底片成品率。

• 5）络合剂

由于蓝宝石为两性氧化物, 可以通过加入适当的络合剂, 使其转化为易溶解于水的络合物, 通过增加化学作用来提高抛光速率。

3.2 抛光性能的影响因素

• 1）pH 值

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, 促使反应平衡向右方移动。可是, 当pH 值超过11. 7 时, 抛光速率反而呈下降的趋势。

Al2O3 + 2OH-——2AlO2 -+ H2O

• 2）温度

温度在抛光中起着非常重要的作用, 它对CMP 工艺的影响体现在抛光的各个环节, 其中, 在CMP 工艺的两个环节即化学反应过程和机械去除过程中, 都受着温度的强烈影响。

• 3）压力

压力的增加导致抛光布和晶片间摩擦力的增加, 在加强了系统的机械作用的同时也使系统的温度升高, 增强了系统的化学作用, 从而提高了抛光速率。

• 4）磨料粒径、浓度及流速的影响

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力, 进而提高了抛光速率。