磨粒和拋光墊對鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光性能的影響

朱玉廣，謝雨君，王永光，陳 瑤，鈕市偉，雷翔宇，寇青明

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215006)

在集成電路與光學(xué)器件領(lǐng)域，材料需具備高導(dǎo)電性、低密度、抗腐蝕性、光學(xué)反射性等性能。因此，鋁合金被廣泛地應(yīng)用在伽馬射線的望遠(yuǎn)鏡、微納制造、光學(xué)傳感器與大規(guī)模集成電路中。而鋁合金又因?yàn)榫哂休^高的延展性與較差的抗劃性會為獲得納米級表面精度帶來加工難度[1]。

表面拋光處理有機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光，其中化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing,CMP)仍是目前最有效的表面平坦化技術(shù)[2]。CMP是將拋光液中各種添加劑的化學(xué)腐蝕與磨粒及拋光墊的機(jī)械磨削相互作用的超精密加工技術(shù)，其基本原理是旋轉(zhuǎn)的鋁合金樣品被壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，含有氧化劑、絡(luò)合劑的拋光液與樣品表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層較軟的鈍化層，磨粒與拋光墊對鈍化層進(jìn)行機(jī)械去除，樣品表面材料在拋光液的化學(xué)作用與磨粒、拋光墊機(jī)械作用下交替進(jìn)行，直到達(dá)到兩者平衡。

張澤芳等[3]研究了氧化鋁單一磨粒對鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光作用的影響，隨著氧化鋁粒徑的增大，鋁合金表面的粗糙度將會增大，同時光澤度下降。Wang等[4]制備了氧化鋁復(fù)合磨粒，研究了在41.4 kPa拋光壓力下復(fù)合磨粒對拋光效果的影響。劉萍等[5]使用氧化硅磨粒在低壓力下(<6.895 kPa)獲得了原子級表面。鐘敏等[6]在48.3 kPa拋光壓力下，研究拋光墊種類和磨粒種類對材料去除的影響。馬翔宇等[7]發(fā)現(xiàn)磨粒種類的改進(jìn)和拋光壓力的降低，將會大幅度提高表面精度。龔凱等[8]系統(tǒng)研究了低壓力下拋光墊特性對氧化鎵的影響。但目前中外關(guān)于低壓力下(<6.895 kPa)不同種類拋光墊與磨粒對鋁合金CMP的研究較少。因此，將通過實(shí)際的鋁合金CMP實(shí)驗(yàn)，研究低壓力下拋光墊特性及磨粒對鋁合金CMP效果的影響，將為低壓力下CMP工藝優(yōu)化提供依據(jù)，以及有利于深入研究低壓力下鋁合金CMP的材料去除機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 鋁合金CMP拋光實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所使用的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)為沈陽科晶UNIPOL-1200S型，拋光下盤直徑為200 mm。實(shí)驗(yàn)中所用的7075系鋁合金樣品為38 mm×42 mm×1.5 mm的方片，通過水合作用將其吸附在自制的無蠟吸附墊上，利用吸附墊的背膠將其黏在拋光頭上，在拋光頭下壓力的作用下，使樣片表面與拋光盤上的拋光墊充分接觸。

1.2 拋光液

拋光液由絡(luò)合劑、氧化劑、磨粒和pH調(diào)節(jié)劑組成。拋光液作為鋁合金CMP的關(guān)鍵因素之一，將直接影響拋光去除速率與拋光后表面精度。絡(luò)合劑與氧化劑將影響化學(xué)反應(yīng)過程，提供絡(luò)合、氧化和腐蝕等作用。磨粒將為材料去除與拋光效果的機(jī)械作用提供保障。目前，鋁合金CMP常用的磨粒主要有三種：氧化鋁、二氧化硅和氧化鈰拋光液。為研究不同磨粒對拋光效果的影響，分別配制三種拋光液用以確定合適的鋁合金CMP磨粒。拋光液的主要成分及含量為去離子水(97.5wt%)、氧化劑過氧化氫(H2O2，中國上海國藥集團(tuán)，0.6vol%)、絡(luò)合劑殼寡糖(COS，中國大連中科格萊克，0.5wt%)，pH調(diào)節(jié)劑氫氧化鈉(NaOH，中國上海國藥集團(tuán))，將拋光液pH調(diào)節(jié)至12～13，三種磨粒拋光液的參數(shù)如表1所示。

表1 三種不同拋光液組成Table 1 Composition of three kind of different CMP slurries

1.3 拋光墊種類

拋光墊有著輸送拋光液至樣片表面使化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行及將反應(yīng)物帶出拋光系統(tǒng)等作用。也是鋁合金CMP拋光的關(guān)鍵因素。聚氨酯拋光墊、合成革拋光墊和阻尼布拋光墊是目前金屬陶瓷拋光制作過程中經(jīng)常使用的。試驗(yàn)所用三種拋光墊均由沈陽科晶自動化設(shè)備有限公司提供。對鋁合金進(jìn)行拋光試驗(yàn)，通過對比三種拋光墊的拋光效果來確定適合于鋁合金CMP的拋光墊。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同磨粒種類對鋁合金表面粗糙度和去除率的影響

分別使用氧化鋁、二氧化硅和氧化鈰三種不同磨粒，在相同工藝參數(shù)下，使用黑色阻尼布拋光墊，拋光頭與拋光盤轉(zhuǎn)速分別為60、160 r/min,拋光壓力為0.5 psi(1 psi=6.9 kPa),拋光液流速為20 mL/min。對鋁合金樣片拋光前后進(jìn)行稱重，計算材料拋光去除率。利用原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)探測鋁合金表面拋光精度。圖1為不同磨粒種類對材料去除率(material remoal rate,MRR)與表面粗糙度Ra的影響。

圖1 拋光液磨粒種類對鋁合金材料去除率及粗糙度的影響Fig.1 Material removal rates and roughness of aluminum alloys under different abrasive particles

從圖1可以看出，對于氧化鋁型拋光液的去除率為910 nm/min，二氧化硅及氧化鈰型拋光液去除率將大幅減少到236 nm/min與190 nm/min。氧化鋁由于其硬度高于二氧化硅及氧化鈰磨粒，同時氧化鋁磨粒和鋁合金基體表面將同時形成水合層[9-10]：

(1)

(2)

兩水合層Al2O3·H2O2、Al(OH)3在化學(xué)-機(jī)械交互作用下，鋁合金材料得到有效去除。同時，氧化鋁硬度與鋁合金表面硬度相當(dāng)，有助于進(jìn)一步提高鋁合金拋光去除率。氧化鈰與氧化鋁將獲得相近的表面粗糙度為10 nm左右，而在二氧化硅型磨粒作用下，鋁合金表面粗糙度較高達(dá)到16.6 nm。二氧化硅磨粒穩(wěn)定性差，易發(fā)生團(tuán)聚的同時將為鋁合金CMP表面帶來損傷。氧化鈰雖然能夠達(dá)到與氧化鋁磨粒同樣的拋光效果，但其制備工藝復(fù)雜，成本較高，拋光去除率不能滿足集成電路與光學(xué)器件加工的需求。綜合圖1材料去除率和表面粗糙度的影響，應(yīng)使用氧化鋁拋光液對鋁合金材料進(jìn)行CMP拋光。

2.2 不同拋光墊種類對鋁合金表面粗糙度和去除率的影響

分別使用三種不同的拋光墊，在相同的拋光工藝條件下，對鋁合金進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)。利用掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM)對三種拋光墊的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測。聚氨酯、合成革和阻尼布拋光墊的掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示。聚氨酯拋光墊與阻尼布拋光墊，都是由微孔結(jié)構(gòu)組成。而聚氨酯拋光墊孔洞的平均直徑多數(shù)在100 μm左右，阻尼布拋光墊的孔洞主要在50 μm左右，遠(yuǎn)小于聚氨酯拋光墊孔洞。圖2(c)為合成革拋光墊的表面形貌，可以看到合成革拋光墊表面有許多纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)成，纖維直徑在50 μm左右。

圖2 不同種類拋光墊表面SEM圖Fig.2 SEM micrographs of the polishing pads

圖3 不同拋光墊對鋁合金去除率的影響Fig.3 Effect of different polishing pads on material removal rates

如圖3、圖4所示分別為氧化鋁磨粒、拋光壓力0.5 psi、拋光頭和拋光盤轉(zhuǎn)速分別以60、150 r/min同向轉(zhuǎn)動時，聚氨酯、阻尼布與合成革拋光墊三種拋光墊拋光后鋁合金的去除率與表面形貌。在鋁合金CMP過程中，氧化劑的氧化作用、絡(luò)合劑的絡(luò)合作用與pH調(diào)節(jié)劑的腐蝕作用將使樣片表層的材質(zhì)軟化，拋光墊與磨粒的機(jī)械作用將使表面材料更易去除。聚氨酯拋光墊的去除率最小，同時表面伴隨著大量的劃痕，去除率僅達(dá)到325 nm/min。而合成革拋光墊的去除速率將提高到484 nm/min，但表面產(chǎn)生大量劃痕與腐蝕點(diǎn)。阻尼布拋光墊在拋光速率達(dá)到909 nm/min的同時，表面將達(dá)到較好拋光效果。這可能是因?yàn)楹铣筛飹伖鈮|硬度較大，大量纖維結(jié)構(gòu)極易吸附拋光液，將導(dǎo)致拋光液不能及時排出，導(dǎo)致合成革拋光墊作用下的鋁合金表面產(chǎn)生大量的劃痕與腐蝕點(diǎn)。在拋光過程中，聚氨酯拋光墊的孔徑較小且不能吸附大量拋光液，使夾在樣片與拋光墊表面間的磨粒減少，拋光墊的機(jī)械作用大于化學(xué)試劑的腐蝕作用，接觸界面將產(chǎn)生干摩擦，使樣片表面產(chǎn)生大量劃痕，拋光反應(yīng)物不能及時被帶走，去除率較低。阻尼布拋光墊孔徑較大，拋光液的涵養(yǎng)量較大，硬度最低。阻尼布拋光墊使鋁合金CMP過程中被化學(xué)腐蝕的材料層立即被機(jī)械作用去除，拋光反應(yīng)物能被及時流動拋光液帶走，達(dá)到機(jī)械作用與化學(xué)作用的動態(tài)平衡，加工表面質(zhì)量較好，去除率較大。

圖4 用不同拋光墊拋光后表面形貌圖Fig.4 Surface images of aluminum alloy polished by different pad

2.3 氧化鋁拋光液濃度對鋁合金拋光表面粗糙度和去除率的影響

如圖5所示為不同濃度氧化鋁磨粒、拋光壓力0.5 psi、拋光頭和拋光盤轉(zhuǎn)速分別以60、150 r/min同向轉(zhuǎn)動時，阻尼布拋光墊工藝條件下的去除率與表面形貌。由圖5可以看出，對于氧化鋁型拋光液，隨著磨粒濃度的增加，去除率將由185 nm/min增加到946 nm/min。氧化鋁磨粒在0～6wt%時，如式(3)所示，磨粒的濃度越大，拋光過程中參與機(jī)械磨削作用的粒子數(shù)量N越大，機(jī)械作用越強(qiáng)，材料去除率增加。

MRR=ρNVremoved+C0

(3)

式(3)中：ρ為鋁合金樣片密度；Vremoved為單個磨粒作用下磨粒機(jī)械作用去除體積；C0為由于化學(xué)試劑作用下材料的去除量[11]。

拋光樣片表面粗糙度隨著磨粒濃度含量的增加，表面粗糙度從11.2 nm增加到18.5 nm。當(dāng)磨粒濃度為4wt%時，拋光液的化學(xué)作用與機(jī)械作用達(dá)到平衡，獲得高精度，Ra=10.9 nm。隨著濃度進(jìn)一步增加，磨粒濃度過高，過多磨粒將堆積在樣片表面，產(chǎn)生表面劃痕，使得鋁合金表面精度下降。

圖5 不同濃度氧化鋁磨粒下材料的去除率與表面粗糙度Fig.5 Material removal rates and roughness of aluminum alloys under different Al2O3 abrasive particles concentration

3 結(jié)論

為了闡述拋光墊種類與磨粒對7075鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光率與質(zhì)量的影響，研究了拋光墊種類和磨粒種類及其濃度在pH=12～13下的CMP材料去除率和表面粗糙度。得出如下結(jié)論。

(1)不同磨粒種類下，由于氧化鋁磨粒硬度較高，可達(dá)到910 nm/min。拋光效果也較為理想，滿足拋光加工效率的同時也能滿足經(jīng)濟(jì)效益。

(2)在氧化鋁型磨粒的基礎(chǔ)上，比較了聚氨酯、合成革和阻尼布拋光墊對拋光效果的影響。聚氨酯和合成革將會為拋光表面帶來劃痕和腐蝕點(diǎn)，不利于鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行。

(3)在氧化鋁型拋光液使用阻尼布拋光墊時，拋光液的材料去除率隨著磨粒濃度增加而增加，最高可達(dá)到946 nm/min;在磨粒濃度為4wt%時，磨粒的機(jī)械作用將與拋光液的化學(xué)作用達(dá)到平衡，表面粗糙度最小，為10.9 nm。