蓝宝石晶片化学机械抛光液的研制

论文摘要

蓝宝石是一种集优良的光学性能、物理性能和化学性能于一体的多功能氧化物晶体。单晶蓝宝石具有很好的热特性、耐磨性、电气特性和介电特性,其硬度仅次于金刚石,达到莫氏9级,在高温下仍具有较好的稳定性,因此在光电子、通讯、国防等领域都具有广泛的应用。随着科学技术的不断发展,上述应用领域对蓝宝示晶体的加工精度和表面完整性要求越来越高,蓝宝石的高效低损伤加工技术成为阻碍蓝宝石工业应用的主要障碍。而蓝宝石晶体作为典型的难加工材料,目前还没有非常成熟的高效低损伤加工工艺。由于蓝宝石器件在航天、军事等方面具有十分重要的用途,因此蓝宝石晶体加工技术在西方国家都极为保密。化学机械抛光(CMP)是目前唯一能够实现晶片全局平面化的实用技术和核心技术。然而,由于其工艺的复杂性,人们对CMP机理以及抛光液的作用仍缺乏深入的认识,许多方面还需要进行深入地研究。在CMP过程中,抛光液对被加工表面具有化学腐蚀和机械研磨的双重作用,对抛光效果产生重要影响,但目前仍存在诸如金属离子污染、分散性差、材料去除率低等问题。本论文以单晶蓝宝石CMP抛光液配方为研究方向,在介绍和分析抛光液的材料去除原理和特点以及总结前人研究成果的基础上,以提高抛光液的材料去除率、降低抛光液中金属离子含量和改善抛光液分散性为目标,进行了抛光液配方选择和优化方面的理论和试验研究,找到了较好的抛光液成分和配方,研制出了性能良好的抛光液。本文首先通过对抛光工艺的研究,找到了影响抛光质量的主要因素,并针对这些因素制定了抛光液成分选择和配方优化的试验方案。然后,分析了抛光液各成分的作用原理,以ZYP200型研磨抛光机为试验平台,进行了抛光液成分选择的单因素试验,通过试验选出了较适合单晶蓝宝石抛光的纳米磨料、无机碱、有机碱、分散剂以及表面活性剂等主要成分。接着,以单因素试验选出的主要成分为基础,又进行了工艺参数的优化和配方优化试验,研究了抛光过程中各参数和抛光液各成分含量对抛光效果的影响规律,得到了抛光效率较高,性能良好的抛光液。研究成果为提高抛光液的抛光质量、材料去除率以及改善抛光液性能,提供了系统的研究方法和丰富的试验结论,对进一步完善单晶蓝宝石表面的高效平坦化工艺提供技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文选题背景
• 1.2 化学机械抛光技术
• 1.2.1 化学机械抛光概述
• 1.2.2 影响化学机械抛光效率及表面质量的主要因素
• 1.3 单晶蓝宝石晶体材料特性
• 1.4 单晶蓝宝石晶体材料加工技术的国内外现状
• 1.4.1 单晶蓝宝石晶体材料加工技术简介
• 1.4.2 国外技术现状
• 1.4.3 国内技术现状
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 主要研究内容
• 2 单晶蓝宝石化学机械抛光加工工艺试验
• 2.1 试验仪器与设备
• 2.1.1 抛光试验台
• 2.1.2 试验样品
• 2.1.3 检测仪
• 2.2 抛光实验设计
• 2.2.1 试验设计方法
• 2.2.2 蓝宝石晶体抛光试验设计
• 2.2.3 方差分析法
• 2.2.4 各因素及水平对基片表面粗糙度的影响
• 2.2.5 各因素及水平对材料去除率的影响
• 2.2.6 最优组合及验证试验
• 2.3 抛光垫的特性参数对 CMP效果的影响
• 2.3.1 实验方案
• 2.3.2 实验结果及分析
• 2.3.3 分析抛光垫的作用
• 2.3.4 特性参数对抛光效果的影响
• 3 抛光液配制方案设计与主要成分选择
• 3.1 影响抛光质量的因素
• 3.2 配制方法规划
• 3.2.1 成分选择
• 3.2.2 性能优化
• 3.3 抛光液性能评价指标
• 3.3.1 材料去除率
• 3.3.2 表面粗糙度
• 3.3.3 分散性
• 3.4 抛光液主要成分选择
• 3.4.1 磨料的选择
• 3.4.2 无机碱的选择
• 3.4.3 有机碱的选择
• 4 抛光液添加剂的选择
• 4.1 分散剂的选择
• 4.1.1 试验条件与安排
• 4.1.2 试验结果与分析
• 4.2 活性剂的选择
• 4.2.1 表面活性剂特性概述
• 4.2.2 表面活性剂在 CMP抛光液中的作用
• 4.2.3 试验条件与安排
• 4.2.4 试验结果与分析
• 4.2.5 表面活性剂在抛光过程中的作用机理分析
• 5 抛光液性能优化
• 5.1 工艺参数的优化研究
• 5.1.1 试验条件与安排
• 5.1.2 试验结果与分析
• 5.2 组分优化研究
• 5.2.1 试验方案选择
• 5.2.2 正交试验安排
• 5.2.3 试验结果分析与验证
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢