氯离子掺杂浆料对a面、c面蓝宝石化学机械抛光性能的实验研究

单晶α-Al₂O₃（蓝宝石）凭借优异的力学性能、光学透过性、化学稳定性及介电特性，广泛应用于固体激光器、半导体芯片、氮化镓基发光二极管等高端光电领域。蓝宝石基底的表面平整度与原子级超光滑平面质量，是保障半导体器件光电性能与长期可靠性的核心前提。化学机械抛光（CMP）是目前实现蓝宝石基底超精密平坦化最成熟、最有效的工艺技术。然而，蓝宝石高硬度、高化学稳定性的固有特性，导致传统二氧化硅基CMP工艺存在材料去除效率低、表面均匀性差等问题；同时，不同晶面蓝宝石的抛光难易程度存在显著差异，严重制约了高品质蓝宝石基底的高精度、高效率规模化制备。

针对传统硅基抛光体系下a面与c面蓝宝石材料去除率低、表面质量不佳的问题，本文引入氯化钠（NaCl）作为功能添加剂对抛光浆料进行改性优化。以商用2英寸a面（1120）、c面（0001）单晶蓝宝石晶圆为研究对象，开展对比CMP抛光实验。结果表明，掺杂0.2 wt% NaCl的抛光浆料可实现最优综合抛光性能。在该工艺条件下，a面与c面蓝宝石的材料去除率显著提升，均 方根表面粗糙度（Sq）大幅降低，可获得无划痕、无缺陷的超光滑平坦表面。本研究系统验证了氯离子对蓝宝石CMP性能的正向改性作用，为不同晶向蓝宝石基底的高效超精密抛光提供了可行、可靠的技术方案。

关键词：蓝宝石基底；化学机械抛光；氯离子添加剂；材料去除率；表面粗糙度；晶面效应

一、引言

蓝宝石作为高性能单晶氧化物材料，具备优异的热稳定性、机械强度与绝缘性能，是第三代半导体光电器件不可或缺的核心基底材料，尤其广泛用作氮化镓基LED芯片的外延生长基底。蓝宝石基底的表面平坦化质量直接决定薄膜外延生长的均匀性与光电器件的整体性能，因此超精密CMP抛光已成为高端蓝宝石基底制造的核心工序。

蓝宝石CMP的材料去除过程由化学腐蚀与机械研磨的动态协同作用主导。不同晶面的原子堆叠结构与化学键键能存在差异，使得各晶面抛光特性呈现显著异质性。其中，c面蓝宝石为O-Al-Al-O原子排布结构，体系内Al-Al键键能仅为186 KJ/mol，抛光过程中易断裂去除；而a面、r面蓝宝石为稳定的Al-O-Al-O结构，高键能的Al-O键（512 KJ/mol）极大提升了抛光阻力。目前国内外研究多聚焦于c面蓝宝石的抛光优化，针对a面蓝宝石的抛光性能及改性机理研究较为匮乏，难以建立适用于多晶面蓝宝石的通用改性理论体系。

已有研究证实，离子添加剂、卤素元素、螯合剂均可有效改善蓝宝石CMP抛光效率，亦有研究表明氯离子能够提升介质材料抛光的材料去除率，但氯离子对多晶向蓝宝石基底的改性效果及内在作用机理尚未得到系统验证。基于此，本文以碱性二氧化硅抛光浆料为介质，采用NaCl作为氯离子供体，系统探究不同NaCl掺杂浓度对a面、c面蓝宝石抛光性能的影响规律，为低成本、高效率蓝宝石抛光浆料的研发提供坚实的实验支撑。

二、实验部分

2.1 实验材料与设备

实验选用商用2英寸a面（1120）、c面（0001）单晶蓝宝石晶圆作为抛光试样。所有CMP实验均在X62 S82×305-D-S单面抛光机上完成，配套抛光垫。实验采用自主配制的碱性二氧化硅基抛光浆料，以质量分数40%、粒径80~90 nm的纳米二氧化硅溶胶为磨料，体积分数0.2%的表面活性剂为分散剂，通过氢氧化钾调节浆料pH值至10.5。向浆料中掺杂质量分数0~0.4 wt%的NaCl作为功能改性剂。所有实验组实验均重复3次以上，消除随机误差，保证实验数据的重复性与可靠性。

图1 蓝宝石晶圆抛光工装示意图

2.2 工艺参数与测试方法

本实验固定CMP工艺参数如表1所示，所有实验组抛光时长统一设置为60 min。采用AUY120 ASSY高精度电子天平（精度0.1 mg）测量抛光前后晶圆质量，计算材料去除率；利用安捷伦5600LS原子力显微镜（AFM）表征抛光后晶圆的表面形貌与均方根粗糙度（Sq）；通过NICOMP 380ZLS激光纳米粒度仪测试不同NaCl掺杂浓度下浆料的磨料粒径分布。

表1 蓝宝石CMP固定工艺参数

材料去除率采用经典质量失重法计算，计算公式如式（1）所示：

式中：m为蓝宝石晶圆质量损失（g）；t为抛光时间（h）；ρ为蓝宝石密度（3.98 g/cm³）；r为晶圆半径（2.54 cm）。结合普雷斯顿方程（MRR = K·P·V）分析抛光压力、转盘转速等机械参数与材料去除效率的耦合关系，揭示CMP过程的机械调控机制。

三、实验结果与分析

3.1 NaCl浓度对蓝宝石材料去除率的影响

不同NaCl掺杂浓度下a面、c面蓝宝石的材料去除率变化规律如图2所示。当NaCl质量分数由0 wt%提升至0.2 wt%时，两种晶面蓝宝石的材料去除率均显著提升；在最优掺杂浓度0.2 wt%条件下，a面蓝宝石去除率达到2.481 μm/h，c面蓝宝石去除率达到9.128 μm/h。继续增大NaCl掺杂浓度，两种晶面的材料去除率均呈缓慢下降趋势，表明过量氯离子会弱化抛光改性效果。

图2 NaCl质量浓度对a面、c面蓝宝石材料去除率的影响

3.2 NaCl对浆料粒径及机械研磨作用的影响

为明确材料去除率提升的内在原因，测试了不同NaCl浓度下浆料的平均磨料粒径，排除机械研磨性能变化的干扰。由图3可知，NaCl掺杂浓度的变化对纳米二氧化硅磨料粒径几乎无影响，说明实验过程中浆料的机械研磨性能保持稳定。由此可确定，抛光效率的提升并非源于机械作用优化，而是氯离子与蓝宝石基底之间的化学作用增强所致。

图3 浆料平均粒径随NaCl浓度的变化规律

3.3 NaCl对蓝宝石表面质量的影响

0.2 wt% NaCl改性抛光前后，a面、c面蓝宝石的表面粗糙度变化如表2所示。优化抛光后，a面蓝宝石Sq值由0.340 nm降至0.249 nm，c面蓝宝石Sq值由0.320 nm降至0.243 nm。抛光后晶圆表面微观形貌均匀平整，无明显划痕、残留颗粒及腐蚀缺陷（图4），实现了高质量原子级平坦化。

表2 最优NaCl改性抛光前后蓝宝石表面粗糙度（Sq）对比

图4 0.2 wt% NaCl掺杂浆料抛光后蓝宝石表面形貌

四、初步结论

NaCl添加剂可有效优化a面、c面蓝宝石的CMP综合抛光性能，最优掺杂浓度为0.2 wt%，可同步提升多晶面蓝宝石的材料去除效率与表面平坦化质量。该改性效果与浆料机械研磨性能无关，核心源于氯离子与蓝宝石晶面的强化化学反应。氯离子对不同晶向蓝宝石均具备适配性抛光优化效果，为多晶面蓝宝石的通用型高效超精密抛光提供了新的可行思路。

结合本研究中 a 面、c 面蓝宝石衬底超精密抛光的工艺需求，晶沐光电可稳定供应 2–12 英寸全规格单晶蓝宝石衬底晶圆，覆盖 C 面 (0001)、A 面、R 面、M 面等各类常用晶向产品，支持单面抛光 SSP、双面抛光 DSP 及 PSS 图形化定制。依托成熟切、磨、抛一体化加工产线，可匹配本氯离子改性 CMP 抛光工艺实现原子级超光滑表面制备，产品低 TTV、低翘曲、低位错密度，适配氮化镓外延、Mini/Micro LED、紫外光电器件、科研实验等场景，可提供小批量试样与大批量稳定供货，满足半导体研发及产业化量产需求。