关键词：A向蓝宝石晶片;;化学机械抛光;;表面活性剂;;材料去除率;;抛光机理
摘 要：A向(1120)蓝宝石具有硬度高(莫氏硬度为9)、熔点高(2040℃)、透光性好、电绝缘性优良和化学性能稳定等特点,已作为重要的光学材料广泛应用于军工、航空航天、红外窗口等领域的光学元件。由于蓝宝石晶片的表面质量对光学元件的性能有着重要影响,因此在对其加工表面质量提出了极高要求。化学机械抛光(CMP)作为实现全局平坦化的超精密加工技术,可以获得超光滑无损伤的晶片表面,已广泛应用于晶片表面的光整加工。因此,为了获得较高材料去除率(MRR)和较好表面质量的A向蓝宝石晶片,本文采用CMP对A向蓝宝石晶片进行超精密加工,研究了抛光液组分和抛光工艺参数对A向蓝宝石晶片抛光效果的影响,分析了其在CMP抛光过程中的材料去除机理。具体研究内容和主要结论如下:(1)首先,分别采用a-Al_2O_3、SiO_2和CeO_2作为抛光液中的磨粒,探讨a-Al_2O_3、SiO_2和CeO_2磨粒对抛光效率的影响,试验结果表明:采用SiO_2抛光液可以获得较好的抛光效果。其次,通过改变抛光液的pH值,探讨pH值对晶片抛光效果的影响,研究结果表明采用pH8的SiO_2抛光液可以获得较高的抛光效率。然后,改变抛光液中SiO_2磨粒浓度,研究磨粒浓度对晶片MRR的影响,试验结果表明:MRR随磨粒浓度的增大而增大,且从10wt%到12wt%时,MRR增加趋势趋于平缓。最后,向磨粒浓度为10wt%的SiO_2抛光液中分别添加阳离子、阴离子、两性离子和非离子表面活性剂,探究不同表面活性剂对抛光效果的影响,试验结果得知:其分别在pH9、pH12、pH12和pH12得到较好的抛光效果,且在强碱环境中,表面活性剂均有助于提高晶片的MRR和表面质量。(2)在探究抛光工艺参数对CMP影响的过程中,采用正交试验分析抛光液流量、抛光盘转速和抛光压力对CMP抛光A向蓝宝石晶片的影响。试验结果发现,抛光压力对材料去除率影响最大,抛光盘转速次之,抛光液流量对材料去除率影响较小。(3)针对抛光效果,采用粒径测量、Zeta电位测试和扫描电镜(SEM)观察,探究了抛光液和晶片之间的相互作用。试验结果表明,在pH值小于8时,根据双电层DLVO理论分析,磨粒间的静电斥力小于由布朗运动产生的吸引力,造成磨粒团聚,添加阳离子、两性离子、非离子的表面活性剂均不能在pH6时改善磨粒的分散稳定性,但阴离子表面活性剂可以改善这种情况。并且通过SEM观察,在pH6时磨粒会因静电引力吸附在晶片表面,影响抛光效果。随着pH值增大,Zeta电位绝对值增大,磨粒间的静电斥力增大,提高了抛光液的分散稳定性,并且pH值增大时,SiO_2磨粒与晶片表面的静电斥力增大,磨粒很少吸附在晶片表面,甚至在pH12时在晶片表面观察不到SiO_2磨粒。(4)通过摩擦磨损试验,探究不同磨粒浓度、pH值和不同表面活性剂对A向蓝宝石晶片CMP抛光过程中摩擦学行为的影响。实验结果表明,适当增加磨粒浓度、活性剂浓度和可以降低抛光垫与晶片之间的摩擦系数。在碱性环境中随着pH值的增大,抛光垫与晶片间的摩擦系数增大。而在相同抛光液中,增大抛光压力虽然可以增大抛光垫与晶片间的摩擦力,但不会改变二者之间的摩擦系数。
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