蓝宝石镜面化学机械抛光(CMP)理论研究

CMP 是一个多相反应过程, 是机械作用与化学作用相互加强与促进的过程。对于化学机械抛光, 研究发现其CMP 的动力学过程主要由以下几个步骤组成: ①反应剂分子从液体主体向待加工片外表面扩散( 外扩散) ; ②反应剂分子由外表面向内表面扩散其速率与质量附面层厚度相关, 在压力与抛光机旋转作用下, 附面层极小; ③反应物吸附在待加工片的表面; ④反应物在加工片表面上进行化学反应, 生成产物; ⑤产物从表面解吸; ⑥产物从反应层的内表面向外表面扩散; ⑦产物从反应层的外表面向主液体扩散。本文进行CMP 实验大多使用东莞健行新材料生产的QM-501蓝宝石抛光液, 其表面化学活性很低。QM-501蓝宝石抛光液是双电子层结构, 外层电子显负电荷。

由凝聚法制备的QM-501蓝宝石抛光液粒子表面富含硅羟基,研究还发现采用凝聚法制备的QM-501蓝宝石抛光液内部也富含有硅羟基, 正是这个特点, 使得凝聚法制备的抛光液黏度小, 硬度适中, 无棱角, 在CMP 时不会产生划伤。为了达到更好的抛光效果保证表面高平整、低损伤、无污染, 必须在抛光过程中加快质量传递过程。质量传递包括两个方面: 反应物及时到达表面和反应物及时脱离表面。两个过程中的综合结果直接影响CMP 的速率与表面质量。

蓝宝石的CMP 过程区别于其他CMP 过程, 单晶Al2O3 组成物质的元素化合价已经达到最高, 其立方结构是: 一个Al 原子周围有三个O 原子, 一个O 原子周围连接着两个Al 原子, 这样形成六方密堆积型。从化学反应式和蓝宝石的结构可以得出, 每生成一个AlO-2 就要断裂三个Al—O 键, 而且Al—O 键能非常高, 在蓝宝石化学机械抛光过程中, 化学作用是至关重要的。但在研究过程中发现, 蓝宝石( 单晶Al2O3) 表面与抛光液中OH- 的反应过程与Al2O3 粉末与OH- 反应机理是不一样的, 它不只是简单的每个Al2O3 分子与OH- 反应生成AlO-2。在化学反应过程中, 单个原子之间的反应时间非常短( 约为10- 8 s) , 由于单晶Al2O3 特有的结构( 从c [0001] 晶向看蓝宝石结构是一层Al 原子, 一层O 原子) 在碱性浆料的作用下,首先表面的Al 原子或O 原子分别与浆料作用形成Al—OH 和O—OH 水解层, 在抛光过程中, 带负电的SiO2 磨料粒子的表面也与OH- 形成化学键,之后再与蓝宝石表面的悬挂键形成化学键。随着抛光垫的转动SiO2 磨料粒子将Al 原子和O 原子带走。这就是单晶Al2O3 与粉末Al2O3 和碱反应的差别, 也是蓝宝石耐强酸和强碱的原因。要提高化学反应速率, 首先要加快SiO2 胶粒与单晶Al2O3 表面的Al 和O 的薄层形成。