磨粒和抛光垫对铝合金化学机械抛光性能的影响

朱玉广，谢雨君，王永光，陈 瑶，钮市伟，雷翔宇，寇青明

(苏州大学机电工程学院，苏州 215006)

在集成电路与光学器件领域，材料需具备高导电性、低密度、抗腐蚀性、光学反射性等性能。因此，铝合金被广泛地应用在伽马射线的望远镜、微纳制造、光学传感器与大规模集成电路中。而铝合金又因为具有较高的延展性与较差的抗划性会为获得纳米级表面精度带来加工难度[1]。

表面抛光处理有机械抛光、电解抛光、化学抛光，其中化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)仍是目前最有效的表面平坦化技术[2]。CMP是将抛光液中各种添加剂的化学腐蚀与磨粒及抛光垫的机械磨削相互作用的超精密加工技术，其基本原理是旋转的铝合金样品被压在旋转的抛光垫上，含有氧化剂、络合剂的抛光液与样品表面产生化学反应，生成一层较软的钝化层，磨粒与抛光垫对钝化层进行机械去除，样品表面材料在抛光液的化学作用与磨粒、抛光垫机械作用下交替进行，直到达到两者平衡。

张泽芳等[3]研究了氧化铝单一磨粒对铝合金化学机械抛光作用的影响，随着氧化铝粒径的增大，铝合金表面的粗糙度将会增大，同时光泽度下降。Wang等[4]制备了氧化铝复合磨粒，研究了在41.4 kPa抛光压力下复合磨粒对抛光效果的影响。刘萍等[5]使用氧化硅磨粒在低压力下(<6.895 kPa)获得了原子级表面。钟敏等[6]在48.3 kPa抛光压力下，研究抛光垫种类和磨粒种类对材料去除的影响。马翔宇等[7]发现磨粒种类的改进和抛光压力的降低，将会大幅度提高表面精度。龚凯等[8]系统研究了低压力下抛光垫特性对氧化镓的影响。但目前中外关于低压力下(<6.895 kPa)不同种类抛光垫与磨粒对铝合金CMP的研究较少。因此，将通过实际的铝合金CMP实验，研究低压力下抛光垫特性及磨粒对铝合金CMP效果的影响，将为低压力下CMP工艺优化提供依据，以及有利于深入研究低压力下铝合金CMP的材料去除机理。

1 实验部分

1.1 铝合金CMP抛光实验

实验所使用的化学机械抛光机为沈阳科晶UNIPOL-1200S型，抛光下盘直径为200 mm。实验中所用的7075系铝合金样品为38 mm×42 mm×1.5 mm的方片，通过水合作用将其吸附在自制的无蜡吸附垫上，利用吸附垫的背胶将其黏在抛光头上，在抛光头下压力的作用下，使样片表面与抛光盘上的抛光垫充分接触。

1.2 抛光液

抛光液由络合剂、氧化剂、磨粒和pH调节剂组成。抛光液作为铝合金CMP的关键因素之一，将直接影响抛光去除速率与抛光后表面精度。络合剂与氧化剂将影响化学反应过程，提供络合、氧化和腐蚀等作用。磨粒将为材料去除与抛光效果的机械作用提供保障。目前，铝合金CMP常用的磨粒主要有三种：氧化铝、二氧化硅和氧化铈抛光液。为研究不同磨粒对抛光效果的影响，分别配制三种抛光液用以确定合适的铝合金CMP磨粒。抛光液的主要成分及含量为去离子水(97.5wt%)、氧化剂过氧化氢(H2O2，中国上海国药集团，0.6vol%)、络合剂壳寡糖(COS，中国大连中科格莱克，0.5wt%)，pH调节剂氢氧化钠(NaOH，中国上海国药集团)，将抛光液pH调节至12～13，三种磨粒抛光液的参数如表1所示。

表1 三种不同抛光液组成Table 1 Composition of three kind of different CMP slurries

1.3 抛光垫种类

抛光垫有着输送抛光液至样片表面使化学反应充分进行及将反应物带出抛光系统等作用。也是铝合金CMP抛光的关键因素。聚氨酯抛光垫、合成革抛光垫和阻尼布抛光垫是目前金属陶瓷抛光制作过程中经常使用的。试验所用三种抛光垫均由沈阳科晶自动化设备有限公司提供。对铝合金进行抛光试验，通过对比三种抛光垫的抛光效果来确定适合于铝合金CMP的抛光垫。

2 结果与讨论

2.1 不同磨粒种类对铝合金表面粗糙度和去除率的影响

分别使用氧化铝、二氧化硅和氧化铈三种不同磨粒，在相同工艺参数下，使用黑色阻尼布抛光垫，抛光头与抛光盘转速分别为60、160 r/min,抛光压力为0.5 psi(1 psi=6.9 kPa),抛光液流速为20 mL/min。对铝合金样片抛光前后进行称重，计算材料抛光去除率。利用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)探测铝合金表面抛光精度。图1为不同磨粒种类对材料去除率(material remoal rate,MRR)与表面粗糙度Ra的影响。

图1 抛光液磨粒种类对铝合金材料去除率及粗糙度的影响Fig.1 Material removal rates and roughness of aluminum alloys under different abrasive particles

从图1可以看出，对于氧化铝型抛光液的去除率为910 nm/min，二氧化硅及氧化铈型抛光液去除率将大幅减少到236 nm/min与190 nm/min。氧化铝由于其硬度高于二氧化硅及氧化铈磨粒，同时氧化铝磨粒和铝合金基体表面将同时形成水合层[9-10]：

(1)

(2)

两水合层Al2O3·H2O2、Al(OH)3在化学-机械交互作用下，铝合金材料得到有效去除。同时，氧化铝硬度与铝合金表面硬度相当，有助于进一步提高铝合金抛光去除率。氧化铈与氧化铝将获得相近的表面粗糙度为10 nm左右，而在二氧化硅型磨粒作用下，铝合金表面粗糙度较高达到16.6 nm。二氧化硅磨粒稳定性差，易发生团聚的同时将为铝合金CMP表面带来损伤。氧化铈虽然能够达到与氧化铝磨粒同样的抛光效果，但其制备工艺复杂，成本较高，抛光去除率不能满足集成电路与光学器件加工的需求。综合图1材料去除率和表面粗糙度的影响，应使用氧化铝抛光液对铝合金材料进行CMP抛光。

2.2 不同抛光垫种类对铝合金表面粗糙度和去除率的影响

分别使用三种不同的抛光垫，在相同的抛光工艺条件下，对铝合金进行化学机械抛光实验。利用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)对三种抛光垫的显微结构进行了观测。聚氨酯、合成革和阻尼布抛光垫的扫描电镜显微结构如图2所示。聚氨酯抛光垫与阻尼布抛光垫，都是由微孔结构组成。而聚氨酯抛光垫孔洞的平均直径多数在100 μm左右，阻尼布抛光垫的孔洞主要在50 μm左右，远小于聚氨酯抛光垫孔洞。图2(c)为合成革抛光垫的表面形貌，可以看到合成革抛光垫表面有许多纤维结构构成，纤维直径在50 μm左右。

图2 不同种类抛光垫表面SEM图Fig.2 SEM micrographs of the polishing pads

图3 不同抛光垫对铝合金去除率的影响Fig.3 Effect of different polishing pads on material removal rates

如图3、图4所示分别为氧化铝磨粒、抛光压力0.5 psi、抛光头和抛光盘转速分别以60、150 r/min同向转动时，聚氨酯、阻尼布与合成革抛光垫三种抛光垫抛光后铝合金的去除率与表面形貌。在铝合金CMP过程中，氧化剂的氧化作用、络合剂的络合作用与pH调节剂的腐蚀作用将使样片表层的材质软化，抛光垫与磨粒的机械作用将使表面材料更易去除。聚氨酯抛光垫的去除率最小，同时表面伴随着大量的划痕，去除率仅达到325 nm/min。而合成革抛光垫的去除速率将提高到484 nm/min，但表面产生大量划痕与腐蚀点。阻尼布抛光垫在抛光速率达到909 nm/min的同时，表面将达到较好抛光效果。这可能是因为合成革抛光垫硬度较大，大量纤维结构极易吸附抛光液，将导致抛光液不能及时排出，导致合成革抛光垫作用下的铝合金表面产生大量的划痕与腐蚀点。在抛光过程中，聚氨酯抛光垫的孔径较小且不能吸附大量抛光液，使夹在样片与抛光垫表面间的磨粒减少，抛光垫的机械作用大于化学试剂的腐蚀作用，接触界面将产生干摩擦，使样片表面产生大量划痕，抛光反应物不能及时被带走，去除率较低。阻尼布抛光垫孔径较大，抛光液的涵养量较大，硬度最低。阻尼布抛光垫使铝合金CMP过程中被化学腐蚀的材料层立即被机械作用去除，抛光反应物能被及时流动抛光液带走，达到机械作用与化学作用的动态平衡，加工表面质量较好，去除率较大。

图4 用不同抛光垫抛光后表面形貌图Fig.4 Surface images of aluminum alloy polished by different pad

2.3 氧化铝抛光液浓度对铝合金抛光表面粗糙度和去除率的影响

如图5所示为不同浓度氧化铝磨粒、抛光压力0.5 psi、抛光头和抛光盘转速分别以60、150 r/min同向转动时，阻尼布抛光垫工艺条件下的去除率与表面形貌。由图5可以看出，对于氧化铝型抛光液，随着磨粒浓度的增加，去除率将由185 nm/min增加到946 nm/min。氧化铝磨粒在0～6wt%时，如式(3)所示，磨粒的浓度越大，抛光过程中参与机械磨削作用的粒子数量N越大，机械作用越强，材料去除率增加。

MRR=ρNVremoved+C0

(3)

式(3)中：ρ为铝合金样片密度；Vremoved为单个磨粒作用下磨粒机械作用去除体积；C0为由于化学试剂作用下材料的去除量[11]。

抛光样片表面粗糙度随着磨粒浓度含量的增加，表面粗糙度从11.2 nm增加到18.5 nm。当磨粒浓度为4wt%时，抛光液的化学作用与机械作用达到平衡，获得高精度，Ra=10.9 nm。随着浓度进一步增加，磨粒浓度过高，过多磨粒将堆积在样片表面，产生表面划痕，使得铝合金表面精度下降。

图5 不同浓度氧化铝磨粒下材料的去除率与表面粗糙度Fig.5 Material removal rates and roughness of aluminum alloys under different Al2O3 abrasive particles concentration

3 结论

为了阐述抛光垫种类与磨粒对7075铝合金化学机械抛光率与质量的影响，研究了抛光垫种类和磨粒种类及其浓度在pH=12～13下的CMP材料去除率和表面粗糙度。得出如下结论。

(1)不同磨粒种类下，由于氧化铝磨粒硬度较高，可达到910 nm/min。抛光效果也较为理想，满足抛光加工效率的同时也能满足经济效益。

(2)在氧化铝型磨粒的基础上，比较了聚氨酯、合成革和阻尼布抛光垫对抛光效果的影响。聚氨酯和合成革将会为抛光表面带来划痕和腐蚀点，不利于铝合金化学机械抛光进行。

(3)在氧化铝型抛光液使用阻尼布抛光垫时，抛光液的材料去除率随着磨粒浓度增加而增加，最高可达到946 nm/min;在磨粒浓度为4wt%时，磨粒的机械作用将与抛光液的化学作用达到平衡，表面粗糙度最小，为10.9 nm。