毕业设计论文—蓝宝石化学机械抛光清洗技术现状与存在的问题

河南科技学院 2012 届本科毕业论文（设计） 论文题目： 蓝宝石化学机械抛光清洗技术现状与存在的问题 学生姓名： 胡冬松 所在院系： 机电学院 所学专业： 机械设计制造及自动化 导师姓名： 苏建修 完成时间： 2012 年 5 月 15 日 摘 要 蓝宝石是近年来随着通讯、信息产业迅速发展而开发并产业化的新型材料。它具有硬度高、化学稳定性好、透光性好、热传导性、电磁绝 缘性、力学机械性能优良等特点。目前，蓝宝石晶片的超光滑加工技术的研究还不够深入，实际生产中通常采用化学机械研磨抛光技术进行加工。本论文通过对蓝宝石晶片抛光运动轨迹的理论分析和抛光过程的实验研究，研究蓝宝石晶片抛光加工机理，探讨蓝宝石晶片化学机械研磨、抛光工艺，系统分析主要工艺参数对晶片质量的影响。 1 理论分析抛光运动的规律并进行抛光轨迹的计算机仿真，探讨抛光表面形成机理，发现合适的抛光转速和抛光运动参数。得出：对单面化学机械抛光，其合适的抛光盘转速为 60rpm，工件盘中心到抛光盘中心的距离为 100mm； 对双面化学机械抛光，抛光盘转速与抛光机内齿圈的转速比值范围应在 0.79 1.4 之间。 2通过对蓝宝石晶片的化学机械抛光过程的实验研究，掌握测量蓝宝石晶片在不同抛光条件下的面型误差和材料去除率，分析了抛光垫材料和状态、抛光压力、抛光盘转速、磨料种类和粒度、抛光液组成等几个因素对抛光表面质量和材料去除率的影响规律。得出抛光工艺过程中的最优参数，如在精抛时：抛光盘转速为 70rpm；载料盘转数： 30rpm；抛光时间为 120min；抛光压力为 100Pa。 3 通过分析蓝宝石的表面净化原理和表面净化工 艺，以及目前使用的手工清洗和超声波清洗，提出更为先进的清洗技术。 关键词： 蓝宝石晶片，化学机械研磨抛光，清洗，运动建模与仿真 Abstract -Al2O3, a single crystal material, developed and industrialized with thedevelopment of communication and information industries recently, owns the excellent performances such as excellent rigidity, excellent chemical stability, higher heat exchange, excellent insulation and good mechanical capability ,etc. However,researches on -Al2O3 single crystal wafer around world are still lacking. -Al2O3 wafers are machined usually by chemical mechanical polishing in industry. Based on the investigation of the mechanical property of -Al2O3 crystal wafer and theory analysis of polishing movement tracks, this thesis discuss its mechanical of CMP,present its polishing characteristic and analyzes the effects of polishing condition parameters upon CMP. For selecting suitable CMP condition, the movement of polishing was modelingand simulation. For bosseyed polishing, the analysised results show that the reasonable rotating speed and distance between workpiece plate center and polishing plate center are 60rpm and 100mm. For polishing machine, which is drive by four-bar mechanism, the analytical results show that the scales between the pad and the wafer of rotating speed are variable. When the scale is more than two, the result is the best.For double-sided polishing, the scales between the wafer and the inner gear of rotating speed are also variable, When the value is between 0.79 to 1.4, the effect is the best. The CMP experiment was carried out systematically on -Al2O3. The polishing surface roughness and material removal rate in different polishing conditions were measured and the effects of polishing pad material and its condition, pressure, rotating speed of the polishing plate, the type and size of abrasive, and the properties of the polishing slurry on the surface roughness and material removal rate were analysed in details. We get the best parameter in the process of CMP, such as the press of pad is 400Pa and the time is 15minutes when we grind. While we polish the wafers, the rotating of the pad should be 70rpm and the rotating of wafer should be 30rpm, the press of the pad should be 100Pa. Key word: -Al2O3single crystal wafer； chemical mechanicalgrinding and polishing； movement modeling and stimulation 目 录 1 绪论 . 6 1.1 课题研究的意义 . 6 1.2 蓝宝石的材料特性 . 6 1.2.1 蓝宝石的晶体结构 . 6 1.2.2 单晶蓝宝石的机械性质 . 6 1.2.3 单晶蓝宝石与二氧化硅的固相化学反应 . 7 1.3 蓝宝石化学机械抛光原理 . 7 1.4 蓝宝石化学机械抛光研究现状 . 8 1.5 蓝宝石清洗技术研究现状 . 9 1.6 课题研究的内容 . 9 2 蓝宝石晶片化学机械抛 光运动参数分析 . 10 2.1 引言 . 10 2.2 单面化学机械抛光运动过程分析及仿真 . 10 2.2.1 单面化学机械抛光加工机理 . 10 2.2.2 抛光运动轨迹分析与仿真 . 10 2.2.3 仿真结果及讨论 . 11 2.3 双面化学机械抛光运动过程分析及仿真 . 12 2.3.1 双面化学机械抛光加工机理 . 12 2.3.2 抛光运动轨迹方程的建立 . 12 2.3.3 a、 p、 t 及 w 四者关系的确定 . 13 2.3.4 仿真结果及讨论 . 14 2.4 本章小结 . 15 3 抛光参数对材料去除率及粗糙度的影响 . 15 3.1 抛光设备的确定 . 15 3.11 抛光机 . 15 3.12 抛光垫 . 15 3.13 抛光液 . 15 3.2 抛光参数对材料去除率及粗糙度的影响 . 16 3.2.1 SiO2的粒度对晶片抛光的影响 . 16 3.2.2 SiO2 的浓度对晶片抛光的影响 . 16 3.2.3 抛光液的 pH 值性对晶片抛光的影响 . 17 3.2.4 抛光液的温度对晶片抛光的影响 . 17 3.2.5 抛光压力对晶片抛光的影响 . 17 3.2.6 抛光盘的转速对晶片抛光的影响 . 18 3.3 本章小结 . 18 4 蓝宝石表面的清洗 . 18 4.1 引言 . 18 4.2 蓝宝石表面清洗原理 . 19 4.2.1 蓝宝石表面状态与洁净度 . 19 4.2.2 吸附理论 . 19 4.2.3 蓝宝石晶片表面玷污杂质的来源和分类 . 20 4.2.4 蓝宝石晶片的清洗流程 . 20 4.3 蓝宝石晶片清洗工艺分析 . 20 4.3.1 清洗剂的性质 . 21 4.3.2 清洗设备 . 21 4.3.3 清洗环境 . 21 4.4 清洗效果 . 22 4.5 本章小结 . 22 5 总结和展望 . 22 5.1 总结 . 22 5.11 蓝宝石化学机械抛光的总结 . 22 5.12 清洗的总结 . 23 5.2 进一步工作的展望 . 23 5.2.1 蓝宝石化学机械抛光的进一步研究 . 23 5.2.2 清洗的进一步研究 . 23 参考文献 . 25 附录 1 工件上任意一点轨迹仿真图形 . 27 附录 2 双面抛光不同 p/t 的轨迹仿真图形 . 28 1 绪论 1.1 课题研究的意义 目前关于第一代半导体材料硅单晶的生长和加工方面的文献较多，有的已经成为标准规范，但是针对用作第三代半导体材料 GaN衬底片的蓝宝石晶片生长方面的文献资料却较少 1，针对蓝宝石晶片超精密加工的资料则更少。 蓝宝石无论作为光电子领域的衬底片还是光通讯领域的窗口，都对其加工质量有着非常高的要求。如作为衬底片的 蓝宝石要求其在金属有机物化学气相淀积（ MOCVD）后的表面是超光滑、无损伤表面。 本课题通过对蓝宝石晶片无损伤层的化学机械抛光技术、加工后晶片清洗净化工艺等关键技术的研究，提出了能够有效提高蓝宝石晶片制造质量的晶片制备工艺，研制出满足光电子、微电子等领域所需要的蓝宝石晶片，对促进我国光电子、微电子等众多高科技领域的技术进步，将具有十分重大的现实意义。 1.2 蓝宝石的材料特性 1.2.1 蓝宝石的晶体结构 单晶蓝宝石属于共价键化合物，其结晶系统一般可分为两种排列方式 :六方密堆积与立方最密堆积两种。单晶蓝宝石 的莫氏硬度为 9，其硬度仅次于金刚石的硬度，现己知确定的蓝宝石有、等 9种，本研究使用的蓝宝石为 a 相氧化铝，其构造如图 1.1（ a）所示，为六方最密堆积氧原子层所构成，氧原子间的八面体配位的 2/3 空隙是 Al3+离子所填充， a 相氧化铝是由六层的氧原子如图 1.1(b)所示，以 ARAB的方式所构成的单位晶格，其中每层各含 3 个氧，如果以单位晶格来算、氧原子共 18 个。而铝原子在第一层、第四层各为 2 个铝原子，其余 4层各有 3 个铝原子，以单位晶格来算，铝原子共 12 个，以此方式所构成的 a 相氧化铝结构为八 面体，此八面体可形成共点、共棱、共面的构造 2。 图 1.1 单晶蓝宝石晶体结构图 1.2.2 单晶蓝宝石的机械性质 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最佳。例如单晶蓝宝石的抗压缩强度为抗拉强度的 10 倍，抗压缩强度大约为1.9-24Gpa之间，而且其杨氏弹性模数 (Young、 Modulus)E为 380GPa，而一般的铁材的弹性模数 E 为 2OOGPa，所以约为铁材的 2 倍，但当单晶蓝宝石处 于 1200时，氧化铝的弹性模数会急速下降，见表 1.1。硬度为蓝宝石另一重要的机械性质，它也代表着耐磨耗的能力，单晶蓝宝石纯度越高，则硬度相对越高，单晶蓝宝石硬度越高，氧化铝的耐磨耗的能力越佳 3。 表 1.1 蓝宝石单晶物理性质 化学式 Al2O3 晶格常数（ A） a=4.765 c=13.000 密度（ g/cm3） 3.98 硬度 莫氏 9 泊松比 0.250.30 杨氏模数（ Gpa） 345 剪弹性模数（ Gpa） 145 极限应力（ Gpa） 448 比热（ cal/） 0.1 1.2.3 单晶蓝宝石与二氧化硅的固相化学反应 二氧化硅与单晶蓝宝石在无外加能量情况下两者之间很难产生固相化学反应，而在外加能量情况下 (如抛光、烧结 )，且能量超越二氧化硅与单晶蓝宝石之间所需的活化能而产生固相化学反应，其反应式如下 4: 32232 SiOAlSiOOAl （ 1-1） 该固相化学反应式 ,须当温度约为 400K(Kelvin)5时才会起固相化学反应，其生成物为富铝红柱石，此温度相当于在抛光过程中单晶蓝宝石基片的表面温度。 1.3 蓝宝石化学机械抛光原理 化学机械抛光的原理是：将晶片在研磨液中，相对于抛光垫旋转，并施加一定的压力，借助机械摩擦及化学腐蚀作用来完成抛光。抛光装置如图 1-2 所示，平台在电机的带动下转动，晶片粘在载片盘上，载片盘通过电机驱动，转动方向与平台相同。 由于抛光液的存在，使抛光垫和被抛晶片之间形成一层抛光液薄膜，这层膜起传输微粒和传递压力的作用。抛光液与晶片发生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质(化学反应过程 )，然后通过机械摩擦将这些易溶物从晶片表面去掉 (机械研磨过程 )，这两个过程相互促进形成良性循环，从而使被抛光 片表面实现全局光滑平面化。 在蓝宝石与抛光液的化学抛光过程中，主要发生如下的水解反应、酸与碱的中和反应及盐的复分解反应 6： )(2232 OHA lOOHOAl 3232 )(23 OHAlOHOAl OHAlHOAl 2332 326 OHAlHOHA lO 23 23)( OHA lOOHOAl 2232 22 OHA lOOHOHAl 223 2)( OHOSiAlOHS iOOAl 27222232 222 （ 1-2） 图 1-2 化学机械抛光示意图 化学机械抛光是一个复杂的多相反应，它存在着两个动力学过程： (1)抛光首先使吸附在抛光布上的抛光液中的化学物质与晶片表面进行化学反应，即化学反应过程。 (2)抛光表面反应物脱离蓝宝石晶片表面，即解吸过程，使末反应的蓝宝石单晶重新裸露出来，它是控制抛光速率的一个重要过程。 如果化学反应作用较弱，而机械研磨作用较强，会导致整个抛光过程的速率慢，同时抛光片表面产生橘皮、拉丝等现象；如果化学反应作用较强，而机械研磨 作用较弱，也会使整个抛光速度变慢，这是因为反应物解吸慢，反应产物不能及时脱离表面，反应剂无法接触到晶片，阻挡了反应继续进行，同时抛光表面容易产生腐蚀坑、波纹。要想获得质量好的抛光晶片，必须使抛光过程中的化学反应作用与机械作用达到平衡。 总之，在整个化学机械抛光过程中，化学反应作用是决定蓝宝石表面的晶格完整和表面粗糙度的主要因素，而机械作用是决定全局平坦化的主要因素。 1.4 蓝宝石化学机械抛光研究现状 在抛光方面，目前对晶体材料的抛光方法有：机械研磨抛光、化学辅助机械抛光、纯化学抛光、热化学抛光、离子束抛光 、磨料水射流抛光、电火花抛光等。每种抛光方法都有其自身的特点，但问题是它们只能进行局部平面化抛光，不能实现全局平面化抛光，而化学机械抛光 (Chemical Mechanical Polishing，简称 CMP)可实现这一问题。王银珍、周圣明 7等就 CMP 技术的基本原理做过比较详细的介绍并附有设备示意图。 CMP 技术实质上是机械磨削和化学腐蚀的组合技术。它借助超微粒子的淹没作用以及桨料的化学腐蚀作用在被研磨介质表面上形成光洁的平坦平面。抛光液是 CMP 关键要素之一。抛光液的化学成分及浓度、磨粒的种类 、大小、形状、抛光液的黏度、 PH 值、流速、流动途径对晶体材料的去除速率都有影响。王银珍等认为 PH 值影响被抛光片表面和磨料的去除分解和溶解度、被抛光片表面膜的形成、抛光布的使用、平台和抛光布的粘贴以及胶体的稳定性，认为抛光液的 pH 值应根据磨削速度确定，同时又认为磨料的尺寸、浓度以及硬度对机械磨蚀有不同的影响，并得出如下结 论：磨料硬度越大，机械作用越大，但损伤也越严重。当浓度增加时，抛光速率影响不一样，在浓度小于 125g/l 时不同磨料上抛光速率的影响为 -alumina -aluminadiasporezirconia。 Stein8等研究了金属 W 在含 KIO3 的 Al2O3抛光液中进行 CMP 的动力学过程，发现抛光速率与 KIO 浓度、 Al2O3浓度、抛光压力、转速、抛光类型均有关。抛光垫不仅提供摩擦系数，更主要是提供一个平整均匀的研磨表面。雷红、雒建兵等总结出了国外很多对抛光垫做研究的文章，认为软垫时抛光速率对压力的依赖性与硬垫时完全不同。抛光垫的硬度对抛光均匀性也有明显的影响。硬垫可获得较好的膜内均匀性和较大的平面化距离，软垫可改善片内均匀性。为获得较好的膜内均匀性和片内均匀性，可组合使 用软、硬垫。 Stavreva9等对比了压缩性不同的 IC1000 与 IC1000/SUBAIV 两种抛光垫，发现可压缩大的 IC1000/SUBAIV 抛光垫表现出更高的片间均匀性和抛光速率。 Thakurta 10等考虑了抛光垫的可压缩性、多孔性和抛光液的传输方式建立了 CMP 的平面化模型，认为不同的抛光垫会影响抛光垫与工件间的液膜厚度，进而影响去除率的大小。合适的 CMP 工艺条件对 CMP 加工性能至关重要。国内外的众多学者对 CMP 的工艺参数也做过一定量的研究。如： Chen11等分析了抛 光参数如抛光压力、转速对 CMP加工性能的影响，发现各个参数都能以不同的方式影响 CMP 性能。 Cho12等分析了 Al 薄膜的 CMP 过程中抛光压力、磨粒浓度等机械参数变化时的抛光效果，结果表明在较低的抛光压力（ 10KPa）和相对较高的Al2O3磨粒浓度（ 5%）时， Al薄膜表面的质量最满意。 在蓝宝石晶片超光滑加工的理论分析方面，仿真是最好的理论分析工具。很 多研究者都是通过仿真而对加工过程有了更深刻的理解和认识。台湾学者傅明南 13通过运用 CFX 软件对化学机械抛光过程中的抛光液进行流体仿真，得出了在不同 参数条件下晶片不同位置上抛光液对晶片剪切应力的大小，实现了对蓝宝石晶片化学机械抛光的参数优化。 1.5 蓝宝石清洗技术研究现状 手工清洗不易将金刚石粉刷下来，这样的造成研磨、抛光时出现异常的粗深痕迹，影响了宝石的加工质量，提高了生产成本。河北工业大学刘玉岭、牛新环 14选用中性介质的水抛液，该水抛液选用活性剂、鳌合剂、阻蚀剂组成，当碱性抛光刚刚完成后，马上使用上述水抛液并采用大流量水抛的方法，可将残留的 CMP抛光液冲走，吸附易清洗物质迅速降低表面张力并阻止反应继续进行 (物理吸附状态 )、形成单分子钝化膜、并 可使金属离子形成可溶的鳌合物，从而达到洁净、完美的抛光表面。深圳市方大国科光电技术有限公司 15研制有机溶剂超声清洗 ；以及在加热条件下，丙酮浸泡。取消了传统清洗方法中使用的三氯乙烯试剂，减少了环境污染，避免人员中毒 ；在清洗过程中，使用超声波和加热清洗，可节省清洗时间，提高清洗效率和清洗质量 ；工艺简单，操作方便，满足环保要求。盐城工学院周海 17使用超声波清洗和有机清洗剂，降低工人清洗劳动强度。 1.6 课题研究的内容 本论文介绍蓝宝石晶片化学机械抛光和清洗的意义，国内外的研究现状，并且探讨蓝宝石晶片化学 机械抛光机理。通过对蓝宝石晶片化学机械抛光清洗过程的实验研究和理论分析，研究蓝宝石晶片抛光加工特性，系统分析主要工艺参数对抛光过程的影响。分析蓝宝石晶片表面净化原理，与现有超声波清洗工艺的不足，提出更有效的清洗工艺。最后，对整个研究工作进行总结并提出蓝宝石晶片加工进一步的研究方向。 2 蓝宝石晶片化学机械抛光运动参数分析 2.1 引言 传统上的抛光按作用方式可分为两类：化学抛光和机械抛光，主要用于集成电路(integrated circuit, 简称 IC)制造用基材硅的粗抛和精抛以及金属、玻璃等材料的表面 加工。化学抛光是指通过抛光液中的化学成分与被抛光材料发生腐蚀等化学反应而将材料表面粗糙度降低的过程；而机械抛光是指通过抛光液中的研磨介质与材料表面粗糙部分进行充分接触，从而降低材料表面粗糙度的过程。两种抛光方法各有优缺点：化学抛光的精度较高，抛光产生的破坏深度较浅，但抛光速度很慢，容易导致抛光雾斑；机械抛光产生的破坏深度较深，但抛光精度较低，抛光速度也较慢 ,还容易产生机械损伤。 为克服化学抛光和机械抛光的缺点，吸收它们的优点，人们提出了将化学作用和机械作用结合起来，称为化学机械抛光，并最早应用于 IC 制造 用基材硅的粗抛和精抛，大大提高了硅片的抛光精度和抛光速度，从而极大地提高了硅片抛光的质量和生产效率，降低了生产成本。 CMP 技术在抛光速度、抛光精度以及抛光产生的损伤层深度等抛光要素方面都比以往的化学抛光和机械抛光技术更具有优势，并能够根据需要对抛光的要素进行适当的控制。 2.2 单面化学机械抛光运动过程分析及仿真 2.2.1 单面化学机械抛光加工机理 单面化学机械抛光机的工作示意图如图 1-2所示。被加工晶片粘贴于工件盘上，抛光盘由电机带动以一恒定的转速做匀速圆周运动，工件盘与被加工晶片在受到与抛光盘之间 的摩擦力作用，由静止到以一恒定的角速度作匀速转动。 2.2.2 抛光运动轨迹分析与仿真 实际工作过程中测得的 g 的值与计算所得的 g 之间的误差小，所以在后面计算工件盘上任意一点的运动轨迹时，可以直接带入实际所测值。因为在实际抛光加工过程中，磨料对工件摩擦力的影响很小，所以在分析过程中我忽略了磨料对工件摩擦力的影响 18。 在晶片抛光过程中，其表面的形成主要取决于工件盘与抛光盘之间的相对运动轨迹。根据实际情况可将抛光盘与工件盘简化成两个做相对平面运动的平面，而它们之间的相对运动轨迹相同。为分析方便起见，建立 固结于抛光盘上的静坐标系，固结于抛光盘以角速度 p做匀速圆周运动的旋转坐标系 1，另建立固结于工件表面以角速度 g做匀速圆周运动的坐标系 2。坐标变换如图 2-2所示。 在工件上任取一点 Q， Q 点相对与工件表面上的坐标系 2 做匀速圆周运动，其角速度为 g，半径为 r。由图 2-1可得 Q点在 2下的运动方程为 )s i n ()c o s (22twrytwrxgg （ 2-1） 从 2转换到进行平移变换，则 Q点在 2下的运动方程变换为： 1yx=100010e011x22y （ 2-2） 再把上述方程经过转换到的旋转变换，得： 1yx= 1000)c o s ()s in (0)s in ()c o s (ttttpppp1yx （ 2-3） 通过化简整理得： Q 点在下的运动轨迹方程 如下： )s in ()s in ()c o s ()c o s (tetrytetrxpgppgp （ 2-4） 图 2-2 抛光运动轨迹的坐标变换 2.2.3 仿真结果及讨论 仿真结果如表 2-1 所示。工件上远离工件中心的点轨迹带较宽；这说明该处的运动轨迹较密，磨粒可以实现对工件表面更均匀的微小切削，从而获得更低的抛光表面粗糙度。工件盘中心与抛光盘中心之间的距离 e 越大，工件上点的运动轨迹带越宽； g/ p在 0.5 左右时，工件上任意一点的轨迹较均匀。 由于工件上任意一点的轨迹与游离磨料在工件上的运动轨迹是相对应的，因此，可以把所得到的任意一点的轨迹当作游离磨料的轨迹。即从轨迹仿真图形可见，游离磨料在工件上的运动轨迹边缘处较密，靠近工件中心处较稀，因此可以推测工件边缘处工件表面粗糙度较小，越靠近工件中心处工件表面粗糙度越大。 从抛光盘转速越大，工件上任意一点的轨迹越长；工件去除的次数增多，磨料可以实现对工件表面更微小的切削，抛光后的表面粗糙度越小。从附录 1中我们可以发现，当抛光盘的转速为 40rpm 时，工件盘与抛光盘的转速之比接近 1，而抛光盘转 速为 80rpm 时，工件盘转速较小，工件抛光表面的轨迹线重复较早，工件表面粗糙度较大；抛光盘转速为 60rpm 时，工件盘与抛光盘之间的转速比为 0.66，在该情况下，工件上任意一点的轨迹线较均匀，故此时工件的表面粗糙度较低。因此合理的抛光参数为 p=60rpm， e=100mm。 2.3 双面 化学机械 抛光运动过程分析及仿真 2.3.1 双面化学机械抛光加工机理 双面抛光的运动简图如图 2-4(其中 p为抛光盘角速度 , t为内齿圈角速度 ,a 工件盘自转角速度 , w 工件盘自转角速度 ),被