抛光垫特性对氧化镓CMP影响的实验研究

对比分析了不同抛光垫的表面形貌、表面粗糙度、硬度以及涵养量对氧化镓晶片化学机械抛光过程中表面质量和材料去除率的影响规律,结果表明:在同一抛光参数条件下,Suba600无纺布抛光垫的材料去除率最大,为30.8nm/min,但抛光后氧化镓表面有明显的凹坑;Politex阻尼布、LP57聚氨酯抛光垫抛光后晶片表面形貌都较好,获得了镜面无损伤晶片表面,但LP57聚氨酯抛光垫的材料去除率为22.6nm/min,大于Politex阻尼布抛光垫16.4nm/min的材料去除率;LP57聚氨酯抛光垫更适合对单晶氧化镓晶片进行化学机械抛光。该研究为氧化镓化学机械抛光(CMP)提供了参考依据。     

蓝宝石衬底化学机械抛光中材料去除特性的研究

衬底基片的化学机械抛光(CMP)同时兼顾材料去除率及衬底表面质量,在抛光过程中,化学作用与机械作用相辅相成同时参与抛光,化学作用与机械作用的平衡对能否得到满意的衬底表面有重要有意义。针对蓝宝石衬底基片的CMP材料去除率进行了研究,分析了材料去除机理。使用单因素实验法测得:压力的增加会导致材料去除率的增加,但当压力增加到某一点后,材料去除率的增加反而减缓,与此同时衬底基片表面粗糙度达到最小。这一点附近的抛光参数可以达到机械与化学作用的平衡。在实验中,当抛光压力为6kg时材料去除率达到80nm/min,表面粗糙度达到0.2nm。     

光助芬顿反应对6H-SiC化学机械抛光的影响

为提高6H-SiC晶片化学机械抛光的材料去除率(MRR)并改善其表面质量,采用光助芬顿反应体系对6H-SiC晶片进行化学机械抛光,研究紫外光功率、抛光液pH值、H2O2质量分数和Fe2+浓度对6H-SiC晶片抛光效果的影响。使用原子力显微镜观察6H-SiC晶片表面质量,采用纳米粒度电位仪测量抛光液中SiO2磨粒的粒径分布及Zeta电位,利用可见分光光度法检测溶液中羟基自由基(·OH)的浓度并通过紫外-可见光谱分析紫外光的作用机制。结果表明:引入紫外光提高了6H-SiC的MRR,增大紫外光功率,MRR也随之增加;随pH值、H2O2质量分数和Fe2+浓度的升高,MRR先增大后减小;pH值影响磨粒间的静电排斥力及磨粒的分散稳定性,从而影响6H-SiC的MRR;与采用芬顿反应体系的抛光液相比,采用光助芬顿反应体系的抛光液中产生的·OH数量较多,说明紫外光能够增加反应体系中·OH的数量,从而促进6H-SiC晶片的表面氧化,提高6H-SiC晶片的MRR,并改善其表面质量。     

精细雾化抛光TC4钛合金抛光液优化研究*

配制适用于TC4钛合金雾化施液抛光的特种抛光液,通过抛光实验获得纳米级的光滑钛合金表面。研究不同磨料、氧化剂和络合剂含量对钛合金材料去除率和表面粗糙度的影响,通过正交试验优化抛光液组成及配比。优化后的抛光液由质量分数20%的SiO2磨料、0.1%的柠檬酸、1%的聚乙二醇-400、2%的H2O2组成,pH值为4。抛光试验结果表明,优化后抛光液的抛光效果较好,材料去除率及试件表面质量均有所提升,其中材料去除率为549.87nm/min,表面粗糙度为0.678 nm。XPS分析表明,抛光过程中钛合金表层在酸性环境下与H2O2和柠檬酸反应,生成了易于通过机械作用去除的氧化层。     

SiO_2/CeO_2复合磨粒的制备及在蓝宝石晶片抛光中的应用

采用均相沉淀法制备了SiO2/CeO2复合磨料,并利用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)等对样品的相组成和形貌进行了表征。将所制备的SiO2/CeO2复合磨料用于蓝宝石晶片的化学机械抛光,利用原子力显微镜检测抛光后的蓝宝石晶片表面粗糙度。结果表明:所制备的SiO2/CeO2复合磨粒呈球形,粒径在40-50nm;在相同条件下,经过复合磨料抛光后的蓝宝石晶片表面粗糙度为0.32nm,材料去除速率为16.4nm/min,而SiO2抛光后的蓝宝石晶片表面粗糙度为0.92nm,材料去除速率为20.1nm/min。实验显示,复合磨料的材料去除速率略低于单一SiO2磨料,但它获得了较好的表面质量,基本满足蓝宝石作发光二极管(LED)衬底的工艺要求。     

基于固结磨粒的单晶蓝宝石自旋转磨削加工方法

利用固结磨粒自旋转磨削加工方法，通过金刚石磨削和化学机械磨削实现了蓝宝石晶片的高效、高质量平坦化加工。采用不同磨粒粒径的金刚石砂轮实现了蓝宝石晶片较高的材料去除率或较好的表面质量。开发了高磨粒浓度Cr2O3砂轮，采用化学机械磨削对金刚石磨削后的蓝宝石晶片进行平坦化加工。实验结果表明，化学机械磨削能够去除金刚石磨削的表面和亚表面缺陷，最终获得表面粗糙度Ra＜1 nm、无/微损伤的蓝宝石晶片。通过理论分析单颗金刚石磨粒的磨削力，发现磨粒粒径是影响材料去除率和表面质量的主要影响因素。通过XPS分析证明了Cr2O3和蓝宝石之间的固相反应过程。     

雾化施液CMP工艺及材料去除机制研究

介绍通过雾化供液方式进行化学机械抛光(CMP)的工作原理以及试验装置设计,通过雾化供液抛光工艺试验考察该方法的抛光效果,分析其材料去除机制。结果表明,雾化施液CMP方法的抛光浆料利用率高,在达到去除率为257.5 nm/min,表面粗糙度小于3.8 nm的抛光效果时,雾化抛光液消耗量仅为350 mL。雾化抛光材料去除机制是表面材料分子级氧化磨损去除,即通过抛光液中氧化剂的化学作用使表面原子氧化并弱化其结合键能,通过磨粒的机械作用将能量传递给表面分子,使表面分子的能量大于其结合键能而被去除。     

氧化镓衬底基片化学机械抛光的研究

针对氧化镓衬底基片的化学机械抛光(CMP)进行了研究。介绍了氧化镓衬底基片的化学机械抛光工艺,讨论了影响抛光结果的因素:p H值、温度、压力、磨粒。通过大量的实验,最终确定了优化方案。提出先以粗抛光去除研磨后产生的划痕、凹坑等表面缺陷,再以精抛光降低表面粗糙度并获得高光洁衬底基片的方案。研究结果表明:在27℃抛光温度,9.0≤p H≤11的条件下,使用粒径为40nm,低分散度的Si O2溶胶磨粒,并加入适量添加剂,配合合理的工艺参数,可以获得具有良好表面质量的氧化镓衬底基片及较高的抛光去除率。     

添加剂对微晶玻璃化学机械抛光的影响

利用自制抛光液对微晶玻璃进行化学机械抛光,研究络合剂、氧化剂、润滑剂种类及添加量对微晶玻璃化学机械抛光材料去除速率和表面粗糙度的影响。结果表明:抛光液中加入质量分数0.2%的EDTA络合剂后,能大幅降低材料表面粗糙度;加入质量分数2%的过硫酸铵氧化剂后能得到较光滑的材料表面和较高的材料去除速率;加入质量分数为0.2%的丙三醇润滑剂后能降低材料表面粗糙度。将EDTA络合剂、过硫酸铵氧化剂丙、三醇润滑剂加入SiO_2抛光液中对微晶玻璃进行化学机械抛光,利用原子力显微镜观察抛光微晶玻璃抛光前后的表面形貌。结果表明,抛光后微晶玻璃表面极为平整,达到了0.12 nm的纳米级光滑表面,且材料去除速率达到72.8 nm/min。     

超细氧化铝表面改性及其抛光特性

在化学机械抛光（CMP）中，为了提高氧化铝磨料分散稳定性和防止团聚，利用丙烯酰氯对超细氧化铝进行了表面改性，并用XPS、激光粒度仪、SEM对其进行表征，结果表明改性后的超细氧化铝分散性明显提高。研究了改性后超细氧化铝在数字光盘玻璃基片中的化学机械抛光特性，即外加压力、抛光时间和下盘转速对玻璃基片去除量的影响,并对其CMP机制进行了推断。结果表明，材料去除量随下盘转速、压力变化趋势相近，即随着压力的增加或下盘转速的提高，材料去除量先增大后减小；随抛光时间延长，抛光初期材料去除量增加较快，但在后段时间内去除量增加趋势趋于平缓。     

Polishing tool with phyllotactic distributed through-holes for photochemically combined mechanical polishing of N-type gallium nitride wafers

In this work, we further developed the photochemically combined mechanical polishing (PCMP) method for finishing N-type gallium nitride (GaN) wafers. A core improvement is to design a novel polishing tool with phyllotactic distributed through-holes, through which the wafer surface underneath through-holes can receive ultraviolet (UV)-light for the photochemical oxidation, while the rest parts undergo mechanical polishing. During PCMP, the co-rotation of the wafer and polishing tool allows the wafer surface to undergo the uniform and high-frequency conversion of oxidation and polishing. Based on the designed PCMP system and apparatus, the fundamental issues arising from such an alternate processing mode, which is different from the parallel mode of conventional chemical mechanical polishing (CMP), were investigated. Results show that the technical features of PCMP depend on the nature of the photochemical oxidation of wafers themselves if the mechanical polishing procedure can sufficiently remove oxides in time. The material removal rate (MRR) is inversely proportional to the dislocation density of wafers. Under acidic conditions, the oxidation proceeds by the GaN monocrystal step orientation, allowing PCMP to clear surface/subsurface damages (SSDs) and to prepare step-terrace structures on the wafer surface. When the polishing solution (pH = 1.5) includes 0.1 M K₂S₂O₈ oxidants and 10 wt% SiO₂ abrasives, the surface roughness Sa attains 0.21 nm in 10 × 10 μm², and the MRR reaches 275.3 nm/h. The present study shows that the phyllotactic distributed through-hole array structure designed for polishing tools offers rich possibilities for the innovation of polishing technologies combining with various oxidation approaches.     

一种基于非晶层粘性流动的机械化学抛光模型

通过分析单个微纳米磨粒滑动接触的分子动力学模拟的研究结果，提出了在典型的机械化学抛光（CMP）过程中芯片表面材料的去除应为表面非晶层物质粘性流动所致的新观点。基于这种机理，应用微观接触力学和磨粒粒度分布理论建立了一种新的表征CMP过程材料去除速率的数学模型。模型中引入了一个表征单个磨粒去除芯片表面非晶层能力的比例系数k，k综合反映了磨粒的机械作用、抛光液对芯片表面的化学作用和芯片的材料特性。通过实验验证发现该模型的理论预测值与实验测定值十分吻合。     

LED蓝宝石衬底抛光表面原子台阶形貌及其周期性研究

LED蓝宝石衬底的表面质量会极大影响到后续外延质量,进而影响到LED器件性能。蓝宝石研磨片经Al2O3磨粒粗抛液、SiO2磨粒精抛液下进行化学机械抛光(CMP),最终表面经原子力显微镜(AFM)所测表面粗糙度达到0.101nm,获得亚纳米级粗糙度超光滑表面,并呈现出原子台阶形貌。同时,通过使用Zygo表面形貌仪、AFM观察蓝宝石从研磨片经Al2O3粗抛液、SiO2精抛液抛光后的表面变化,阐述蓝宝石表面原子台阶形貌的形成原因,提出蓝宝石原子级超光滑表面形成的CMP去除机理。通过控制蓝宝石抛光中的工艺条件,获得a-a型、a-b型两种不同周期规律性的台阶形貌表面,并探讨不同周期规律性台阶形貌的形成机理。     

分散剂对铜CMP材料去除率和表面粗糙度影响的实验研究

使用5种分散剂，SiO2水溶胶为磨料、H2O2为氧化剂，分别进行抛光实验。结果表明：二乙烯三胺和吡啶2种分散剂相对较好，二乙烯三胺（质量分数0．05％）对铜的材料去除率达到570．20nm／min，表面粗糙度为Rα1．0760nm，吡啶（质量分数0．75％）的材料去除率为373．69nm／min，表面粗糙度为Rα1．5776nm；二乙烯三胺提高了抛光液的碱性并增强了对铜金属的腐蚀作用是材料去除率提高的主要原因，其多胺基的极性吸附和与胶体分子羟基的化学键作用提高了抛光液磨粒胶体表面的zeta电位，较大的分子链有效地提高了磨料粒子间的空间排斥力，故较好的纳米磨料粒子分散性使抛光表面粗糙度降低。     

CMP过程芯片表面氧化膜生成速度影响因素的分析

根据理论和试验分析,将机械化学抛光(CMP)过程分成两个阶段:化学作用主导阶段和机械作用主导阶段,并从机械作用角度导出CMP过程两个阶段芯片表面材料去除率的数学模型,模型全面地考虑了抛光盘特性参数(弹性模量、硬度、表面粗糙度峰的尺寸分布)、CMP工作参数(压力和抛光速度)、抛光液中磨粒的机械作用和氧化剂种类、氧化剂浓度等化学作用的影响。然后根据这两个阶段的平衡点导出定量描述芯片表面氧化膜生成速度的数学模型。详细分析机械作用因素(磨粒的浓度、磨粒的粒度分布特性)、化学作用因素(抛光液中氧化剂种类、浓度)以及磨粒/芯片/抛光盘的材料特性参数对芯片表面氧化膜生成速度的影响规律。该CMP过程芯片表面氧化膜生成速度定量模型的导出,对进一步深入研究CMP材料去除机理和更加准确地控制CMP过程,具有一定的指导作用。     

Nature and removal of the modified layer in Cu CMP with ferric nitrate as oxidizer

Chemical mechanical polishing (CMP) has been introduced in the semiconductor manufacturing industry in order to achieve global planarization of wafer surfaces. Lately, copper has replaced aluminum for its better electrical and mechanical properties.Cu CMP consists in the transformation of the copper surface layer to copper oxide, which is then removed by alumina abrasive particles. The oxidizer is the chemical agent that transforms the copper into copper oxide.We have been studying the influence of ferric nitrate as oxidizer on the copper CMP.We evaluated the nature of the copper oxide with XPS observation. We found it was cuprous oxide (Cu₂O) that was actually removed by the abrasive particles.We observed that the removal rate increased with the oxidizer concentration for low concentrations, but was almost constant for higher concentrations.We also evaluated what becomes of the polishing residues for short time processes, once they are removed from the surface. The remaining copper particles are too small to be responsible for any posterior damage of the surface.     

A study of material removal amount of sapphire wafer in application of chemical mechanical polishing with different polishing pads

The study mainly explores the fabrication mechanism for fabricating sapphire wafer substrate, by using chemical mechanical polishing (CMP) method. A slurry containing the abrasive particles of SiO₂ is used to contact with the sapphire substrate polish and to produce chemical reaction for removal of sapphire wafer substrate when CMP method is used. The study observes the changes of the removal amount of sapphire wafer substrate when the pattern-free polishing pad and hole-pattern polishing pad are used under different down forces, polishing velocities, abrasive particle sizes and slurry concentrations. Employing regression analysis theory, the study makes improvement of the equation of material removal rate (MRR) to be the material removal height per 30 minutes (MRRh), and develops a compensation parameter C_rv of the error caused by the volume concentration of slurry. The results of experimental analysis show that under a certain down force, if the polishing velocity is greater, the material removal amount will be greater. Generally speaking, the material removal amount of hole-pattern polishing pad is greater than that of pattern-free polishing pad. As to the relationship between abrasive particle size and slurry concentration, when particle size is smaller, the volume concentration of slurry will be higher, and the number of abrasives for polishing wafer will be greater. As a result, a better material removal depth can be acquired. Through the above analytical results, considerable help is offered to the polishing of sapphire wafer.