蓝宝石晶片气辅化学机械抛光（GA-CMP）中的抛光性能增强与摩擦化学去除机理研究

本文系统研究了富氧环境对蓝宝石化学机械抛光（CMP）性能及摩擦化学去除机理的影响。通过自主研发的气辅CMP（GA-CMP）设备，作者发现当抛光液中溶解氧（DO）浓度提升至40 ppm时，可显著优化抛光液反应活性、磨料分散性、界面摩擦系数（COF）及晶片表面润湿性，使蓝宝石表面粗糙度降低57.3%（达0.124 nm），材料去除率（MRR）提升23.02%。研究揭示了富氧环境通过促进Al2O3表面形成AlOOH、Al2SiO5等软质反应层，并借助磨粒机械作用实现高效去除，为硬脆半导体材料超精密加工提供了新策略。

　　

研究亮点

气辅抛光设备

本研究基于GA-CMP方法，系统探讨了抛光液中溶解氧（DO）浓度对蓝宝石CMP加工条件、性能及材料去除机制的影响。图1和图2展示了自主研发的气辅抛光系统示意图。该设备采用恒压供气系统，将高压高纯氧气（纯度≥99.99%）调节至设定压力后，通过气体扩散器注入抛光液，实现溶解氧浓度的精准控制。

溶解氧浓度对抛光液性能的影响

通过实验分析了DO浓度对蓝宝石抛光性能的影响，重点考察了磨料分散性、加工界面摩擦系数及表面润湿性。如图3所示，不同DO浓度下磨料粒径分布差异显著：在常压空气中，磨料出现严重团聚现象，呈现双峰分布；而当DO浓度升至40 ppm时，磨料分散性明显改善，粒径分布趋于单峰窄分布，表明富氧环境有效抑制了磨料聚集，提升了抛光均匀性。

结论

本研究利用自主研发的气辅抛光装置，成功制备了不同溶解氧浓度的抛光液，首次系统揭示了富氧环境对蓝宝石CMP性能的提升作用及机理。实验表明，富氧环境通过增强抛光液反应活性、优化磨料分散性、改善界面润湿性，显著提高了蓝宝石晶片的加工效率与表面质量，为硬脆半导体材料的高效精密加工提供了新思路。