趙云鶴、檀柏梅、牛新環(huán)、甄加麗、郭倩
引言
藍(lán)寶石（α－Ａｌ２Ｏ３）為剛玉族礦物，莫氏硬度為９，熱特性、電氣特性和介電特性極好，而且惰性強(qiáng)、透光性和耐磨性好，是一種光學(xué)特性、物理特性、機(jī)械特性和化學(xué)特性獨(dú)特組合的氧化物晶體。藍(lán)寶石在航空和光電子等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，此外，在ＬＥＤ照明產(chǎn)業(yè)中也得到了普遍應(yīng)用。在藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光中，磨料是重要因素之一，它既決定機(jī)械作用的大小又影響化學(xué)作用的快慢，進(jìn)而對(duì)去除速率和被拋材料表面狀態(tài)都有影響。磨料、壓力、溫度、流量和ｐＨ值等都是影響ＣＭＰ效果的因素。但是當(dāng)工藝參數(shù)最佳時(shí)，磨料就成為影響ＣＭＰ的重要因素，而且由于不同磨料的硬度不同，在ＣＭＰ過(guò)程中對(duì)被拋材料起到的機(jī)械作用也各不相同。本文主要采用單一的ＳｉＯ２磨料和Ａｌ２Ｏ３磨料以及混合磨料對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，通過(guò)對(duì)比選擇一種對(duì)藍(lán)寶石的ＣＭＰ效果更好的磨料。
１、藍(lán)寶石ＣＭＰ機(jī)理
化學(xué)機(jī)械拋光（ＣＭＰ）是當(dāng)前世界上唯一可以實(shí)現(xiàn)全局平坦化的工藝技術(shù)，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在藍(lán)寶石ＣＭＰ系統(tǒng)中，磨料發(fā)揮的作用是參與化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械研磨�；瘜W(xué)作用主要是使磨料與被拋材料發(fā)生反應(yīng)，形成易被去除的產(chǎn)物；機(jī)械研磨作用主要是使反應(yīng)生成物脫離被拋材料表面，使材料新生表面露出，以便繼續(xù)反應(yīng)去除。因此磨料在ＣＭＰ過(guò)程中的作用非常重要。
藍(lán)寶石ＣＭＰ是機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕的共同作用，其作用機(jī)理較為復(fù)雜，目前尚未有統(tǒng)一定論。只有一個(gè)公認(rèn)的Ｐｒｅｓｔｏｎ方程來(lái)表達(dá)去除速率和工藝參數(shù)的影響，其表達(dá)式為：
（１）
式中：Ｒｐ為藍(lán)寶石去除速率；Ｋｐ表示Ｐｒｅｓｔｏｎ方程系數(shù)；ｐ表示壓力；ｖ表示拋光布與拋光片的相對(duì)速率。
基于彈塑性接觸理論、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)理論，藍(lán)寶石去除速率公式為：
（２）
式中：Ｒｐ為藍(lán)寶石去除速率；ｄｍ為表面分子的平均直徑；ｄ為磨料與工件接觸的平均直徑；Ａｒ?yàn)閽伖鈮|與工件的實(shí)際接觸面積；β為表面分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的概率；ｒ?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物被磨料去除的概率；ｘ為磨料的密度；Ｄ為磨料的平均直徑。從式（２）中可以看出藍(lán)寶石的去除速率與磨料有著密切的關(guān)系。
２、藍(lán)寶石襯底ＣＭＰ實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用３英寸（１英寸＝２．５４ｃｍ）的藍(lán)寶石單晶片，晶向?yàn)椋郏埃埃保荨伖鈾C(jī)采用法國(guó)Ａｌｐｓｉｔｅｃ公司生產(chǎn)的型號(hào)為Ｅ４６０Ｅ拋光機(jī)，拋光墊的型號(hào)為ｓｕｂａ６００，利用ＡＢ２０４－Ｎ電子分析天平對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行稱重，通過(guò)ＣＭＰ前后的質(zhì)量差得到去除速率，粗糙度檢測(cè)采用Ａｇｉｌｅｎｔ５６００ＬＳ原子力顯微鏡。拋光液磨料為單一的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為４０％的ＳｉＯ２溶液和２０％的Ａｌ２Ｏ３（α型）溶液以及Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２混合磨料和ＳｉＯ２／ＣｅＯ２混合磨料。添加劑采用河北工業(yè)大學(xué)自主研制的活性劑和螯合劑。
ＣＭＰ工藝參數(shù)的設(shè)置：以ＳｉＯ２和ＳｉＯ２／ＣｅＯ２作為磨料時(shí)，壓力為４ｐｓｉ，轉(zhuǎn)速為８０ｒ／ｍｉｎ，流量為７０ｍＬ／ｍｉｎ，ｐＨ值為１２，溫度為３５℃；以Ａｌ２Ｏ３和Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２作為磨料時(shí)，壓力為４ｐｓｉ，轉(zhuǎn)速為８０ｒ／ｍｉｎ，流量為６０ｍＬ／ｍｉｎ，ｐＨ 值為１２，溫度為３２℃。
３、單一磨料對(duì)藍(lán)寶石ＣＭＰ實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
３．１ 不同壓力下兩種磨料對(duì)藍(lán)寶石ＣＭＰ效果的影響
以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４０％的ＳｉＯ２作為磨料時(shí)，流量為７０ｍＬ／ｍｉｎ，溫度為３５℃；以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為２０％的Ａｌ２Ｏ３為磨料時(shí)，流量為６０ｍＬ／ｍｉｎ，溫度為３２℃。設(shè)置壓力分別為２，３，４，５和６ｐｓｉ，ｐＨ值為12，轉(zhuǎn)速為80ｒ／ｍｉｎ。藍(lán)寶石去除速率曲線如圖１所示。
圖１ 壓力對(duì)去除速率的影響
圖１反映出不同壓力對(duì)藍(lán)寶石去除速率的影響規(guī)律。從圖１中可以得到藍(lán)寶石在ＣＭＰ過(guò)程中，去除速率隨著壓力的增大而增大，當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，去除速率增長(zhǎng)變緩。因?yàn)閴毫Φ脑龃髸?huì)加大拋光布與藍(lán)寶石晶片間的摩擦力，增加了磨料與晶片表面之間的碰撞頻率，進(jìn)而引起強(qiáng)大的系統(tǒng)機(jī)械作用；摩擦力加大的過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)部溫度升高，加快化學(xué)反應(yīng)速率，從而引起系統(tǒng)化學(xué)作用的加強(qiáng)，所以去除速率增大。但是如果壓力過(guò)大，導(dǎo)致拋光墊和晶片間空隙減少，流入拋光區(qū)的液體量就會(huì)減少，減弱了化學(xué)作用，最終去除速率也會(huì)減小。綜上所述，并不是壓力越大就能使拋光速率達(dá)到最佳狀態(tài)。壓力增加導(dǎo)致襯底材料與拋光布間的摩擦力加大，機(jī)械作用的加強(qiáng)使襯底表面極易出現(xiàn)劃傷，因此壓力過(guò)大也會(huì)使其表面出現(xiàn)缺陷；同時(shí)，摩擦生熱導(dǎo)致襯底表面溫度迅速上升，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，如果反應(yīng)過(guò)快，表面容易出現(xiàn)缺陷。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)壓力為４ｐｓｉ時(shí)效果最好，所以確定實(shí)驗(yàn)最優(yōu)壓力為４ｐｓｉ。
圖２（ａ）和（ｂ）分別是在１０μｍ×１０μｍ范圍內(nèi)壓力為４ｐｓｉ時(shí)，采用ＳｉＯ２磨料和Ａｌ２Ｏ３磨料的藍(lán)寶石ＣＭＰ后表面狀態(tài)原子力圖。從圖２可以看到，采用ＳｉＯ２磨料對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行拋光后的表面粗糙度約為０.５５４ｎｍ，采用Ａｌ２Ｏ３磨料進(jìn)行拋光后藍(lán)寶石表面的粗糙度約為０.８１４ｎｍ。
圖２ 壓力為４ｐｓｉ時(shí)ＳｉＯ２磨料和Ａｌ２Ｏ３磨料的藍(lán)寶石ＣＭＰ后表面狀態(tài)
（文章來(lái)自：藍(lán)寶石應(yīng)用）
