1、苏州科技学院本科生毕业设计I化学抛光技术在晶体材料中的应用研究摘 要化学抛光技术是目前唯一能获得全局平面化效果的平整化技术。本文主要研究石榴石晶体的化学抛光工艺。进行不同化学抛光液抛光后效果对比实验，室温与高温抛光后效果对比实验，不同抛光时间后的效果对比实验。将抛光后的晶片利用原子力显微镜等仪器进行表面形貌的测试。经过比较分析得到：在室温下，H 2SO4、H 2O2体积比为11的溶液为化学抛光液，抛光 1小时，此工艺为石榴石晶片合适的化学抛光工艺。抛光后晶片表面在1010m 2范围内平均粗糙度达到0.3536nm，与传统商用硅片抛光后效果相当。此抛光工艺的获得，解决了石榴石晶体在应用于高能激光
2、器时由于表面粗糙影响输出功率的问题。关键词 化学抛光；Yb:YAG晶体；原子力显微镜；平均粗糙度苏州科技学院本科生毕业设计IIStudy on chemical polishing of crystals materialAbstractChemical polishing is the only technology to achieve the overall plane currently. In this paper, chemical polishing of the garnet crystal is studied. Comparing the effect of differe
3、nt chemical polishing solution on polishing the sample, the sample polishing at room temperature and high temperature, different polishing time on the samples polished. Using atomic force microscopy and other equipment to test the surface morphology of the samples polished. After comparison and anal
4、ysis, we know that at room temperature, using solution of H2SO4、H 2O2 volume ratio of 11 as a chemical polishing solution and polishing one hour, are suitable chemical polishing technology of garnet wafer. The surface average roughness of the garnet wafer polished reached 0.3536nm in the range of 10
5、 10m2, almost the same roughness as the silicon wafer polished which is used in traditional industry. As we know, surface roughness of the garnet crystal used in high-energy laser affects the output power. The polishing technology we talked about solves the problem.Keywords chemical polishing; Yb:YA
6、G crystal ; AFM; the average roughness苏州科技学院本科生毕业设计III目 录1 绪论 11.1 化学抛光的应用背景 11.2 几种常见的化学机械抛光工艺 31.3 应用化学抛光技术的实例 41.4 石榴石基质特性及典型石榴石晶体 Yb:YAG 晶体 52 实验方法 72.1 晶体生长及加工 72.2 化学抛光 92.3 显微镜原理 92.4 原子力显微镜原理 103 抛光工艺探索 113.1 化学抛光液对抛光质量的影响 113.2 温度对抛光质量的影响 124 实验 134.1 实验流程概述 134.2 晶体表面的原子力显微镜分析（1） 144.3 晶体表
7、面的原子力显微镜分析（2） 184.4 实验小结 22结 论 24致 谢 25参 考 文 献 26附录 A 译文 27附录 B 外文原文 33苏州科技学院本科生毕业设计11 绪论1.1 化学抛光的应用背景现代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学等学科的发展对所需材料的表面质量的要求越来越高,尤其是强激光技术对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻,要求达到超光滑表面的标准 1。而传统的加工工艺不可避免地给晶体元件带来诸多的表面缺陷。再者,新材料在各种元器件中具有广泛的应用，为了获得电子元件的高性能,制造大规模集成电路的硅片、水晶振子基片、铌酸锂基片、钽酸锂基片等晶体基片不仅要求有极高的平面度和无损伤
8、超光滑表面,还要求两端面严格平行且无晶向误差。为获得高性能的电子元器件，在材料加工中，应用化学机械抛光工艺来获得超平滑表面是一种有效的方法 2。近年来，随着半导体产业的迅速发展，半导体晶片不断地朝小体积、高电路密集度、快速、低耗电方向发展。由于金属层数增加，要在大直径硅片上实现多层布线结构，刻蚀要求每一层都应具有很高的全局平整度，即要求对多层布线互连结构中凹凸不平的绝缘体、导体、层间介质（ILD）、镶嵌金属（如Al，Cu）、浅沟槽隔离（STI）、硅氧化物、多晶硅等进行平整化，这是实现大规模集成电路立体化结构的关键。在众多的平整化技术中，化学机械抛光（CMP）是目前唯一能获得全局平面化效果的平整
9、化技术，因此，在当前最尖端的半导体科技中，CMP已经成为众所瞩目的核心技术。CMP是IBM公司于1985年发展CMOS产品时研发成功的一项新技术，并在1990年成功应用于64MB 的DRAM生产中。1995年以后，CMP 技术得到了快速发展，大量应用于半导体产业。 CMP的研究开发工作过去主要以美国半导体制造技术联合会（SEMATECH ）为主，现在已扩展到全球。欧洲联合体JESSI、法国研究公司LETI和CNET 、德国FRAUDHOFER研究所、日本荏原制作所等也相继加入。我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多。作为半导体制造工艺中的关键技术，CMP已成为研究的热点课题和发展的焦点。随着IC
10、元件逐渐采用小尺寸、高聚集化的多层立体布线后，光刻工艺中对解析度和焦点深度（即景深）的限制越来越高，因此对硅片的表面平整度有较高的要求，特别当产品需要三层或四层以上的金属层时，对平坦化技术的需求更显得重要。因为要在凹凸不平的表面上同时在凹处及凸处进行聚焦是十分困苏州科技学院本科生毕业设计2难的，再加上后期制造时每层电路间的连接也需要相当程度的平整度，否则电路将无法顺利接通。所以在IC制造追求结构微细化、薄膜化和布线立体化的趋势下，硅片的化学机械抛光无疑是不可或缺的关键技术。硅片CMP机台整个系统由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液输送装置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的工件以
11、一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在硅片与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与硅片产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，从而达到平坦化的目的。硅片表面的去除速率与硅片和抛光垫的相对速度及抛光压力成正比。在抛光过程中，除了机构参数及抛光垫特性的影响外，抛光区域温度及抛光液中磨料颗粒大小、粘度、溶液pH值等参数均会对平坦化效果造成重要影响。一
12、般而言，当硅片和抛光垫表面的相对速度、压力及抛光液供应稳定时，硅片会被均匀的抛光。在硅晶片前半制程的多层循环布线中要反复使用到化学机械抛光。大量的研究表明，CMP不仅是单晶硅片获得纳米级超光滑无损伤表面的最佳方法，也是ULSI 芯片多层布线中不可替代的层间平坦化方法。它在集成电路制造中的应用主要集中在以下几个方面。氧化硅薄膜的CMP 。氧化硅多应用于做绝缘膜或隔离层，因此氧化硅层的平整度将影响往后数层的制造、导线的连接以及定位的工作。通常氧化硅层多以CVD（化学汽相沉积）的方法沉积，因此会有过多的堆积层需要以CMP的方式去除，此过程没有明显的停止终点，以去除薄膜的厚度为标准，只需达到平整度要求
13、即可。层间绝缘膜的CMP 。在层间绝缘膜的平整化方面，抛光对象有电浆辅助化学汽相沉积膜、硼磷硅玻璃及热氧化膜等。每一种对象的CMP抛光条件都随着抛光液种类、抛光压力与抛光时间而有所不同。在对不同特性的绝缘膜抛光时，大多以监测抛光终点来判定完成与否。浅沟槽隔离的CMP 。在硅晶片上经蚀刻形成沟槽后，利用 CVD方式沉积苏州科技学院本科生毕业设计3氧化硅膜，再用CMP去除未埋入沟槽中的氧化硅膜，并以抛光速度相对缓慢的（如氮化硅膜）作为CMP 的抛光停止层即终点，此时沟槽内的氧化硅即成为电路中的绝缘体膜。多晶硅的CMP。此为将 STI过程的沟槽加深，以 CVD方式沉积氧化硅或氮化硅后，再以多晶硅作为
14、堆积材料，用CMP去除深沟外多余的多晶硅，并以在硅晶片上及沟槽内长成的氧化硅或氮化硅膜作为CMP的抛光停止层即终点，此方法常见于沟槽电容的制造过程中。金属膜的CMP。在半导体工艺中常用作导线的金属有铝、钨、铜，CMP除了能将金属导线平整化以外，还能制作导线间连接的“接触窗”，即在两层电路间的绝缘膜上蚀刻出接触窗的凹槽，再以CVD方式将用作导线材料的金属沉积其中，最后再以CMP去除多余的金属层。此法即为IBM公司的镶嵌法。因为由抛光垫所施加的压力对硅片上凸出处作用较大，因此按照导线密度及大小的不同，硅片受抛光的程度也有差异。就是说，大区域绝缘层在一般情况下作为抛光停止层的效果颇佳，但在金属导线密
15、度高的部分因绝缘膜层所占的面积小而容易产生过度抛光的现象，这是当前CMP 领域急待解决的一大问题 3。1.2 几种常见的化学机械抛光工艺（1）浴光抛光该抛光方法是美国在60年代为发展深紫外光学而研究的一种超精密抛光方法，由R.Dietz 提出。在常规抛光中，操作者每隔一段时间往抛光模上加入少量抛光液。浴法抛光则是将抛光模浸在抛光液中，两者一起旋转。浴法抛光改变了抛光液的供给方式，该法优点是：利用抛光介质的热容量大，精确的控制抛光模环境温度变化，减小温度对抛光模变形的影响，还可使抛光模和工件的接触更柔和，避免因润滑不足产生过大的抛光力和过高的抛光温度。1966年，R.Dietz利用该法在熔融石英
16、上获得了Rrms=0.3nm 的超光滑表面。（2）修正环形抛光该方法是浙江工业大学研究开发使用。其特点是：将切片后的薄片工件粘贴在平面平行夹具上，作为名义大口径厚工件加工，并通过修正环的旋转来实时连续修正抛光盘的平面度。该抛光机采用了专家数据库智能控制系统，实现了加工过程高度自动化，提高了加工效率、加工质量和一致性，尽可能排除了苏州科技学院本科生毕业设计4对工人熟练程度的要求。可以用于水晶片、铌酸锂基片、硅片等平面晶体工件的加工，经广东工业大学、长沙矿冶研究院、浙江工业大学等单位使用，效果良好。在实验给定条件下，用SiO 2和K3沥青抛光模对水晶基片抛光，可以加工出表面粗糙度不超过0.10.2
17、nm，实现了“极限加工精度 ”；采用纯锡抛光盘及SiO 2抛光粉对蓝宝石晶体镜面加工，最佳抛光条件下得到的表面粗糙度不超过0.2nm。（3）胶态硅粒抛光胶态硅粒抛光是报道较多的用于加工蓝宝石材料的抛光方法。该法已被世界上广泛接受为一种加工半导体硅片的标准方法，此外，还可用于加工金属和玻璃。从抛光机理上讲，胶态硅粒抛光属于化学抛光。抛光时在软质抛光模（沥青、人造革等）与工件之间存有极薄的胶体，由于在水平方向运动受剪切力作用产生凝胶化现象，即胶态SiO 2的凝着和削薄作用。长春光学精密机械研究所在超洁净实验室里，用英国进口抛光机、聚氨酯抛光模和SiO 2悬浮液抛光LiGaO2晶体，加工出表面粗糙度
18、小于0.1nm的超光滑表面 4。1.3 应用化学抛光技术的实例（1）碲锌镉晶体的化学抛光碲锌镉晶体即CdZnTe(CZT)是制作射线和X射线探测器的优良材料，其晶片的表面质量是影响探测器性能的一个关键因素。机械抛光过的CZT晶片表面存在着损伤层、划痕及结构缺陷等，会影响器件的性能。采用不同浓度的Br 2-MeOH作为抛光液对 CdZnTe进行化学抛光，发现用2%Br 2-MeOH腐蚀时速率平稳且易于控制，能有效去除表面划痕，获得光亮表面AFM分析发现，抛光后表面粗糙度降低30%，平整度增加 5。（2）铌酸锂晶体的化学抛光采用铌酸锂（LiTaO 3）晶体作为研究对象，通过改变CMP过程中各个参数
19、对其作用强度来观察基片表面的变化情形。首先将试件通过常规的研磨抛光使其保证具有一致性表面，即常规检测下其光洁度是合格的。然后采用化学抛光液（SiO 2）、磨砂革抛光盘对其进行CMP加工试验。在这一过程中，吸附在抛光盘上的化学抛光液不断地对晶体抛光面产生侵蚀作用，生成胶状膜层。而该膜层又经机械磨削作用被不断割除从而暴露出新的表面，就这样周而复始的对苏州科技学院本科生毕业设计5晶体表面不断的化学侵蚀和机械割除构成了化学机械抛光的基本过程，这一过程看起来似乎非常简单，但由于被抛光对象的不同，对抛光液、抛光盘、PH值、机械转速、压力就会有不同的选择。很显然要想获得较理想的加工表面，应使机械磨削作用与化
20、学腐蚀作用保持相对的平衡。发现在合适的条件下晶体表面粗糙度可由原来的2.077nm减小到1.075nm 6。1.4 石榴石基质特性及典型石榴石晶体Yb:YAG晶体石榴石是最常用的激光基质材料，包括人造石榴石，有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG), 镥铝石榴石Lu 3Al5O12(LuAG), 钆镓石榴石Gd 3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石榴石Gd 3Sc2Al3O12(GSGG)。属于立方晶系，稀土石榴石类晶体由于具有非常优异的物理和机械性能，是激光晶体的首选基质材料。石榴石具有高功率大能量激光基质材料所要求的很多特性：（1）晶体光学各向同性，高质量的晶体内折射率无变化。（2）石榴石晶体
21、质地坚硬，莫式硬度达到了 6 以上；热导率高，热膨胀系数 小；抗裂强度大,弹性模量达到 300GPa 以上。因此石榴石晶体具有良好的机械和热力学性能，能够容许高平均功率下工作。（3）晶体生长工艺成熟，能生长出大尺寸高质量的晶体，Nd:YAG 晶体的尺寸达到了100mm 以上，Yb:YAG 晶体的尺寸也达到了 75mm 以上。满足了高功率大能量激光器所需要的高质量大尺寸棒状或盘片激光介质。以上介绍的石榴石晶体的特点，下面以石榴石晶体中的 YAG 晶体为例，对 YAG 晶体的结构和物化性能等作详细的介绍。YAG 作为激光介质始于 1964 年，此后一直被用作固体激光基质晶体。表 1.1 列出了 Y
22、AG 石榴石晶体的一些物化特性，可以看出 YAG 晶体具有优异的光学、热力学、机械性能和化学稳定性。同时，能给激活离子提供良好的晶体场环境，因而是理想的激光基质晶体。苏州科技学院本科生毕业设计6表 1.1 YAG 晶体的物化特性物化特性 YAG组成 Y3Al5O12晶体结构 立方晶系，Ia3d 空间群晶胞参数 (nm) 1.2008熔点() 1920密度 (g/cm3) 4.55莫式硬度 8热导率 (Wm -1K-1) 10.7热膨胀系数 (K-1) 7.810-6折射率 1.820透光波段 (m) 0.285.5化学性质 不溶于 H2SO4、HNO 3、HCl 和 HF 中， 当温度大于 2
23、50时溶于 H3PO4将Yb 3+离子掺杂到 Y 3A15012 基质中生长成 Yb:YAG晶体，此种晶体结合了Yb 3+离子和YAG基质的优点，具有量子效率高、不存在激发态吸收和上转换，具有宽的吸收带和发射带、长的荧光寿命，优良的光学、 热力学和机械性能等特点。而且YAG基质的物化特性综合性能最为优良，所以Yb:YAG 已成为最引人注目的固体激光介质之一，LD泵浦的高功率Yb:YAG 固体激光器成为新的研究热点，并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。综上，在材料加工中，应用化学机械抛光工艺来获得超平滑表面是一种有效的方法。且化学机械抛光（CMP ）是目前唯一能获得全局平面化效果
24、的平整化技术，是当前最尖端的半导体科技中的核心技术。因此本论文以化学抛光技术为主要研究内容。石榴石晶体由于具有非常优异的物理和机械性能，是激光晶体的首选基质材料。稀土掺杂石榴石晶体广泛应用于固体激光器中，成为重要的激光增益介苏州科技学院本科生毕业设计7装炉 抽真空 充氮气 升温化料 烤晶种下种 缩径 放肩 等肩生长 收尾降温 取出晶体质。石榴石晶体在激光器的应用中，要求表面超光滑，以减少光伤阈值，提高激光的输出效率。因此本论文选择石榴石晶体材料为研究材料。本论文主要研究石榴石晶体材料的化学抛光工艺，通过不断的调整工艺参数，得到合适的化学抛光工艺，通过化学抛光得到超平滑表面的石榴石晶片。2 实验
25、方法2.1 晶体生长及加工提拉法生长石榴石系列单晶体（1）原料制备提拉法是创始人 Czochralski 于 1918 年提出的一种晶体生长方法，所以提拉法也称 Czochralski 法（ CZ 法） 。CZ 法是从熔体生长单晶最常用的，也是目前应用最为广泛的单晶生长方法之一。本实验所用的晶体就是用这种方法制备的,是一种比较成熟的晶体生长方法。晶体生长以高纯 Al2O3(99.999%)、Y2O3(99.999%)、Yb 2O3(99.999%)为初始原料，在烧料炉中 400oC 恒温 5 小时以除去吸附 H2O及其它的杂质。然后称料，并研磨均匀、充分混合。在 200MPa 压力下压制成块，然后将料块放入刚玉坩埚中装进马釜炉里，在 1300的空气气氛下烧结 12h 成 Yb:Y3Al5O12 多晶料块。烧结好的原料应放入干燥箱备用。（2）生长工艺选择方向的纯 YAG 晶体做为籽晶。晶转速率 1020rpm，生长速率12mm/h，氮气作为保护气氛。晶体生长流程如下：图 2. 1 提拉法设备示意图
