孙运乾，钟荣峰，李薇薇, ，赵之琳，钱佳

（1.河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401； 2.广东惠尔特纳米科技有限公司，广东 东莞 523000）

蓝宝石主要由α-Al2O3组成，属于六方晶系，是一种无色透明的单晶高硬度宝石(莫氏硬度为9)，具有优异的光学和热学性能[1-3]。随着半导体工业的快速发展，蓝宝石作为重要的LED(发光二极管)衬底材料[4-5]，对其表面加工精度的要求随之提高，不仅要求具备高去除速率，更要达到超高的表面质量，这对蓝宝石化学机械抛光(CMP)工艺提出了巨大的挑战。抛光液由磨料和各种辅助试剂组成，是影响CMP效果的重要因素，其中磨料作为CMP过程中机械作用的主要承担者，其种类、粒径、用量、性质等都会影响工件抛光后的表面质量[6-7]。

蓝宝石CMP主要以氧化铝粉体和二氧化硅胶体作为磨料。氧化铝粉体硬度高，耐磨性好，所以去除速率高[8-10]。但是氧化铝粉体的悬浮性不好，容易团聚造成划伤，而且抛光后容易嵌入晶圆表面，在后续的清洗过程中难以去除。二氧化硅硬度低，分散性好，表面加工质量好，后续易清洗，但去除速率较低[11]。

汪海波等[12]研究了单一粒径磨料和两种粒径磨料混合使用对蓝宝石抛光速率的影响，发现不同粒径磨料混合使用能够显著提高抛光速率。熊伟等[13]的研究表明，SiO2磨料用量相同时，粒径为80 nm的SiO2对蓝宝石的抛光效果要好于粒径为110 nm的SiO2。钟敏等[14]采用平均粒径分别为280、170和70 nm的金刚石、Al2O3和SiO2为磨料，在自制超声弯曲振动辅助化学机械抛光装置上对蓝宝石进行CMP，发现以SiO2为磨料时的抛光效果最好，去除速率与采用Al2O3为磨料时相近，都远大于金刚石抛光液。 张丽萍等[15]采用粒径分别为28 μm和7 μm的BC4磨料对蓝宝石晶片进行CMP，发现磨料粒径为28 μm时去除速率高，但抛光后表面划痕较多，磨料粒径为7 μm时去除速率低，但抛光后表面较平整。本文系统研究了采用单一粒径、连续粒径(指同种磨料的粒径在0～150 nm范围内都有分布)和混合粒径(指同种磨料的两种单一粒径按一定比例混合使用，并且认为单一粒径磨料是一种理想的单分散粒子)的SiO2作为磨料时蓝宝石晶圆的抛光效果。

1 实验

1.1 SiO2胶体的制备

采用离子交换法制备SiO2胶体，具体步骤为：将蒸馏水与水玻璃按照一定比例配成硅酸钠溶液，并以固定流速流过阳离子交换树脂，去除钠离子等金属阳离子，得到聚硅酸溶液，再以一定流速流过阴离子交换树脂，得到碱性硅溶胶，静置一段时间后得到硅溶胶母液。此时硅溶胶粒径只有3 nm左右，可通过多次生长得到所需粒径的胶体，再浓缩钝化得到二氧化硅胶体。

1.2 CMP试验

采用NTS软抛机和Suba600合成纤维聚合物抛光垫进行CMP。被抛光件为4 in(约10.16 cm)的C向蓝宝石晶圆，初始表面粗糙度平均值为1.2 μm。工艺条件为：抛光盘转速55 r/min，抛光液流速10.6 L/min，抛光压力3.1 × 104Pa，抛光时间80 min。未特别说明之处，每种条件做5组平行试验，取相应物理量的平均值。

抛光液是由40%(质量分数，下同)二氧化硅磨料添加2%三乙醇胺溶液作为缓冲剂和0.003%脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为表面活性剂配制而成。采用10% KOH溶液调节pH至11.3。

1.3 表征与测试

采用德国布鲁克Multimode 8高分辨原子力显微镜观察抛光后蓝宝石晶圆的表面形貌，并测量表面粗糙度Ra(轮廓算数平均偏差)，扫描范围为10 μm × 10 μm。

采用三利仪器的FA2004B分析天平(精度为0.1 mg)测量抛光前后蓝宝石晶圆的质量，按式(1)计算抛光速率(MRR)。

式中，Δm为抛光前后蓝宝石的质量差(单位：g)；r为蓝宝石晶圆的半径(单位：cm)；ρ为蓝宝石密度(3.98 g/cm3)；t为抛光时间(单位：h)。

2 结果与讨论

2.1 采用单一粒径二氧化硅磨料对蓝宝石晶圆CMP的研究

采用单一粒径二氧化硅磨料时，其粒径不同，在抛光过程中与蓝宝石晶圆的接触面积也不同，接触面积显著影响抛光速率，故磨料粒径与抛光速率有紧密的联系[16]。

粒径为50 nm和80 nm的磨料抛光机制遵循压痕模型[17-21]。如图1所示，磨料的压入深度小，蓝宝石晶圆局部分子/原子层出现点缺陷，使其更容易发生化学反应；磨料粒径为100、120和150 nm的抛光液的去除机制符合犁沟去除机理：在一定压力下，磨料被压入蓝宝石晶圆中较深，加上磨料滑动、 滚动等作用，使得晶圆表面发生相变，并产生内部缺陷，进而破坏晶圆表面，达到去除表面层的效果。

图1 压痕和犁沟去除模型Figure 1 Model illustrating the indentation and furrow removal

从图2可知，抛光速率随磨料粒径增大而增大，但是当磨料粒径大于120 nm时，去除速率减小。这是因为磨料质量分数相同时，粒径越大，磨料的有效数量越少，与蓝宝石表面的接触面积减小，磨料被压入蓝宝石表面，造成损伤。

图2 单一磨料粒径对蓝宝石去除速率的影响Figure 2 Effect of particle size of single abrasive on removal rate of sapphire

从图3可知，磨料粒径小于100 nm时，磨料粒径越小，抛光后蓝宝石晶圆的表面粗糙度反而越大。这是因为磨料粒径越小，在CMP中起到的机械效应越弱，抛光过程中基本以表面分子/原子级缺陷去除为主，去除速率低，总去除量小，无法有效提高蓝宝石晶圆的平整度。当磨料粒径增大到100～120 nm时， 磨料的机械作用显著增强，抛光过程中以犁沟和切削去除为主，对蓝宝石表面微观高低处抛光的选择性提高，使得晶圆表面得以迅速平整化，因此抛光后的蓝宝石晶圆表面粗糙度较低。磨料粒径大于120 nm时，抛光液中的磨料较少，单个磨料承受的压力大，对晶圆表面的压痕较深，此时化学作用较弱，无法与机械作用形成有效配合，有效接触面积减小，所以去除速率变小，晶圆表面粗糙度增大。

图3 单一磨料粒径对抛光后蓝宝石表面粗糙度的影响Figure 3 Effect of particle size of single abrasive on surface roughness of sapphire after being polished

2.2 具有连续粒径分布磨料的抛光液对蓝宝石晶圆CMP的研究

图4是平均粒径为120 nm的连续粒径磨料的电镜照片和Image-Pro Plus(IPP)分析图相，磨料粒径在10～150 nm范围内都有一定的分布，最大粒径为146 nm。

图4 连续粒径硅溶胶的SEM照片和IPP图像Figure 4 SEM image and IPP graphs for silica sol with continuous particle size distribution

粒径小于30 nm的磨料去除机制符合碰撞−冲击磨损模型[17-21]。如图5所示，小粒径磨料随抛光液流动产生剪切力，多次冲击蓝宝石表面，使其发生弹性形变，表面原子结合能降低，于是粘附在磨料表面，并随磨料运动而去除。

图5 碰撞−冲击磨损模型Figure 5 Collision-impact wear model

粒径为30～50 nm的中等粒径磨料的去除机制为吸附去除[17-21]。如图6所示，在抛光加工过程中蓝宝石表面键能被削弱的原子/分子吸附到旋转磨粒的表面并随之一起运动，磨粒的持续滚动令这些吸附原子通过质量传输离开晶圆表面，随后新的晶圆表面原子裸露出来，经过CMP的作用继续吸附到运动的磨粒上，周而复始，不断循环，达到去除表面材料的目的。

图6 吸附去除模型Figure 6 Adsorption removal model

从图7可知，连续粒径磨料抛光液的平均抛光速率为1.61 μm/h，比采用120 nm粒径磨料时的抛光速率低得多，这是由于连续粒径磨料中的有效抛光磨料数少于单一粒径磨料，并且其中的大粒径磨料会对小粒径磨料产生阻碍作用，影响磨料整体的流通[22]。

图7 采用连续粒径SiO2磨料对蓝宝石CMP时的去除速率Figure 7 Removal rates of sapphier when CMP using SiO2 abrasive with continuous particle size distribution

连续粒径磨料抛光液中小粒径(< 50 nm)磨料的占比大，而粒径越小则比表面积越大，相互作用越强，在压力、旋转和摩擦的作用下，磨粒之间很容易相互吸引而团聚[23]，导致CMP过程中机械作用不稳定，均一性差，抛光速率降低，且表面粗糙度偏高。从图8可知，CMP后蓝宝石晶圆表面坑、雾、划伤较多，表面粗糙度为0.472 nm。

图8 连续粒径磨料抛光后蓝宝石的表面粗糙度Figure 8 Surface roughness of sapphire after being polished using SiO2 abrasive with continuous particle size distribution

2.3 混合粒径磨料抛光液对蓝宝石晶圆CMP的研究

混合粒径抛光液在蓝宝石晶圆抛光中，既有起到犁沟和切削作用的大粒径磨料，也有比表面积较大的小粒径磨料。适宜的粒径搭配能够令化学作用与机械作用密切配合，达到比单一粒径硅溶胶更高的抛光速率和更低的表面粗糙度。但粒径搭配失衡时，化学作用或机械作用过剩，且小粒径磨料易黏附在蓝宝石晶圆表面，后期清洗难度大，导致晶圆表面粗糙度大。

图9是遵循几何学建立的大小粒径磨料接触模型。从中可以看出，当(R+r)2=R2+ (R−r)2，即小粒径磨料的粒径为大粒径磨料的1/4时，小粒径磨料可以在大粒径磨料之间无阻通过。上文结果显示，单一磨料的粒径为120 nm时，其抛光效果最好。因此分别将粒径为120 nm的40%二氧化硅胶体和粒径为30 nm的20%二氧化硅胶体按体积比为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5进行混合，对应的抛光速率见图10。

图9 混合粒径磨料之间接触的几何模型Figure 9 Geometric model illustrating the contact between abrasives with two different particle sizes

从图10可知，当大粒径磨料与小粒径磨料的体积比为8∶2时，对蓝宝石CMP的去除速率最高，达到6.43 μm/h，高于使用粒径为120 nm磨料时的抛光速率，抛光后蓝宝石晶圆的最低表面粗糙度为0.158 nm，平坦化效果较好，无明显的划痕、划伤等(见图11)。

图10 混合粒径磨料配比对蓝宝石抛光速率的影响Figure 10 Effect of mixing ratio of abrasives with two different particle sizes on removal rate of sapphier

图11 采用混合粒径磨料抛光后蓝宝石的表面粗糙度Figure 11 Surface roughness of sapphire after being polished using mixed abrasives with two different particle sizes

在抛光压力作用下，大粒径磨料被压入蓝宝石晶圆的深度较大，对晶圆产生犁沟去除作用，使其表面形貌改变；小粒径磨料起到吸附和去除的作用，其周围的弱化原子/分子被吸附而离开晶圆表面，使蓝宝石表面的原子再次暴露，继续被吸附和去除，最终达到表面抛光的目的。另外，小粒径磨料在抛光液中的流动为自由运动，对蓝宝石晶圆表面起到冲刷和撞击的作用，不仅能降低表面结合强度，还能促进晶圆反应产物及时脱离表面，加快传质，配合大颗粒磨料的研磨作用而提升抛光的效率。

3 结论

(1) 采用单一粒径硅溶胶对蓝宝石晶圆进行CMP时，磨料粒径为120 nm时的去除速率最高，抛光后蓝宝石晶圆的表面粗糙度较低。

(2) 采用平均粒径为120 nm的连续粒径硅溶胶对蓝宝石晶圆进行CMP时，由于真正参与抛光的有效磨料较少，小粒径磨料又容易发生团聚，因此抛光速率较低，抛光后蓝宝石表面有较多的坑、雾、划伤等缺陷。

(3) 将粒径为120 nm的40%硅溶胶与粒径为30 nm的20%硅溶胶按体积比为8∶2作为混合磨料对蓝宝石晶圆进行CMP时，抛光速率最高，抛光后蓝宝石晶圆的表面粗糙度低至0.158 nm，无明显的划痕、划伤等缺陷。