应用案例

【概述】

南昌大学研究团队使用功率放大器，搭建超声化学机械抛光实验系统。

实验名称：蓝宝石超声化学机械抛光正交实验、超声腐蚀与CMP对比实验

研究方向：硬脆材料（蓝宝石）超精密加工，聚焦UVCMP工艺优化与增强机理。

实验目的：

1、验证UVCMP工艺优势：对比CMP与UVCMP，验证超声振动对去除率与表面质量的提升。

2、优化工艺参数：用四因素四水平正交实验研究载荷、转速、流速及磨粒质量分数。

3、探究增强机理：通过超声腐蚀与常规腐蚀对比及亚表面损伤表征揭示规律。

测试设备：

1、蓝宝石超声化学机械抛光实验：由超声发生器、功率放大器和换能器（40kHz、60W）组成振动系统，配抛光机、抛光垫、蠕动泵及AFM等。

图1：蓝宝石UVCMP实验设备

图2：蓝宝石UVCMP原理示意图

2、超声腐蚀与CMP对比实验：超声发生器、功率放大器与换能器依次连接；SiO2抛光液浸泡1h，超声腐蚀加40kHz、60W振动。

实验过程：

蓝宝石UVCMP工艺优化实验：晶圆丙酮、去离子水各超声清洗6min后干燥；SiO2抛光液与去离子水搅拌15min调pH至10；晶圆装入换能器集成夹具接超声链路，按四因素四水平正交表开展16组实验，用AFM测Ra，SEM、TEM观察截面。

超声增强机理验证实验：最优参数（载荷10psi、转速80r/min、流速80mL/min、磨粒15%）下Ra0.083nm、MRR72.15nm/min；超声腐蚀后非晶层由172nm降至134nm；UVCMP后亚表面损伤层厚76nm；空化泡溃灭能量与微射流提高试剂与磨粒撞击几率，避免划痕。

图3：最优工艺UVCMP后蓝宝石表面形貌AFM图像

实验结果：

1、工艺优化：载荷对MRR影响最大，转速次之，流速最小；最优工艺下Ra0.083nm、MRR72.15nm/min。

2、亚表面损伤对比：UVCMP后亚表面损伤层厚76nm，较CMP（106nm）减小约30%。

图4：蓝宝石晶圆截面TEM图像：(a)CMP(b)UVCMP

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