CN100528480C - 蓝宝石衬底材料高去除速率的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝宝石衬底材料高去除速率的控制方法。本发明方法使用粒径15～40nm的SiO₂磨料、pH值为11～13.5的抛光液，在40～60℃温度、40～120rpm转速、0.10～0.20MPa、100～5000ml/min流量的抛光工艺条件下，在抛光机上对蓝宝石衬底材料进行抛光0.2～3h。能够实现强化学作用下的高速质量传递，从而实现抛光的高去除速率。目前国际上的水平是：去除速率低于1～5μm/h；使用本发明方法去除速率可达到10～18μm/h。

Description

蓝宝石衬底材料高去除速率的控制方法

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术，特别是涉及一种蓝宝石衬底材料的抛光去除速率的控制方法。

背景技术

蓝宝石单晶(Sapphire)，又称白宝石，分子式为Al₂O₃，透明，与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能，有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，对红外线透过率高，有很好的耐磨性，硬度仅次于金刚石，达莫氏9级，在高温下仍具有较好的稳定性，熔点为2030℃，所以被广泛应用于工业、国防、科研等领域，越来越多地用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料。

作为继Si、GaAs之后的第三代半导体材料的GaN，其在器件上的应用被视为20世纪90年代后半导体最重大的事件.作为GaN的衬底材料有多种，包括蓝宝石、碳化硅、硅、氧化镁、氧化锌等，其中蓝宝石是最主要的衬底材料，目前已能在蓝宝石上外延出高质量的GaN材料，并已研制出GaN基蓝色发光二极管及激光二极管。

蓝宝石由于其硬度高且脆性大，机械加工困难。而蓝宝石衬底是目前最为普遍的一种衬底材料，作为衬底材料对晶体表面提出了超光滑的要求。研究表明器件的质量很大程度上依赖于衬底的表面加工。尤其对用于GaN生长的蓝宝石衬底片精密加工技术更加复杂，是目前重点研究的难题。加工蓝宝石衬底的最好最主要的精密加工是化学机械抛光方法(CMP)，但目前的突出问题是速率低、周期长。目前世界上抛光速率为1～5μm/h。随着光电技术的飞速发展，光电产品对蓝宝石衬底材料需求量的日益增加，但加工成本能占成本的80％左右，为了满足蓝宝石光学器件发展的需求，降低成本提高去除速率，蓝宝石化学机械抛光的抛光液及抛光技术成为急待解决的重要问题.

发明内容

本发明是为了解决现有蓝宝石衬底材料抛光过程中存在的衬底片表面去除速率低的问题，而公开一种强化学作用、强螯合下产物快速溶解，去除速率快、且无划伤，成本低的蓝宝石衬底材料高去除速率的技术方法。

本发明根据蓝宝石衬底材料(α-Al₂O₃)的两极性，选用碱性介质、粒径15～40nmSiO₂磨料、pH值11～13.5、FA/O等型表面活性剂来制备抛光液；并利用40～60℃高温、40～120rpm转速、0.10～0.20MPa、100～5000ml/min流量的抛光工艺条件下进行抛光，可实现蓝宝石衬底材料表面的高去除速率；并能满足工业上对蓝宝石衬底片CMP低成本精密加工的要求。

本发明蓝宝石衬底材料高去除速率的控制方法，包括以下步骤，其中下述百分含量为重量％：

(1)将粒径15～25nm的磨料用去离子水稀释，去离子水含量0～60％；

(2)用无机强碱溶液及胺碱调整上述步骤(1)的溶液使PH值在11-13.5范围内，所述胺碱为乙二胺四乙酸四(四羟乙基乙二胺)；

(3)在调整完pH后，边搅拌边加入1.5～20％的醚醇类活性剂制成抛光液；

(4)使用上述抛光液在温度50＜T≤60℃、40～120rpm转速、0.10～0.20MPa、100～200ml/min流量的抛光工艺条件下，在抛光机上对蓝宝石衬底材料进行抛光0.5～3h。

本发明所述步骤(1)中纳米SiO₂溶胶作为抛光液磨料，其粒径小(15～25nm)、浓度高(40～50％)、硬度6～7(对基片损伤度小)、分散度好，能够达到高速率高平整低损伤抛光、污染小，解决了Al₂O₃磨料硬度大易划伤、易沉淀等诸多弊端.

本发明胺碱作为抛光液pH调节剂，可起到缓冲剂的作用，又可生成大分子产物且溶于水，使反应产物在小的机械作用下即可脱离加工表面，同时还能起到络合及螯合作用，实现一剂多用。

KOH作用强碱，能够快速的与待加工材料进行反应，起到增强化学作用的目的。

本发明所述醚醇类活性剂是非离子活性剂，如FA/O表面活性剂、O_II-7((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇-H)、O_II-10((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₁₀-H)、O-20(C_12-18H_25-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇₀-H)、JFC的一种。表面活性剂可降低表面张力，提高凹凸选择比，增强表面的均一性，使不出现非均化腐蚀，又能起到渗透和润滑作用，从而有效的提高了交换速率，增强了输运过程，达到高平整高光洁表面。

本发明抛光工艺的主要功能如下：

40～60℃高温既能提高化学作用，实现高的化学反应速率，又能加强机械作用，实现反应产物的快速脱离，加快质量传递的过程，从而实现高的去除速率。

40～120rpm转速能够保证反应产物的及时去除，及新液的及时补充，并能保证抛光的一致性。

0.10～0.20MPa范围可满足去除速率的差异，凸出的部位去除速率高，而低凹部位去除速率低，从而达到平整。产生的热量，使抛光温度提高，有利于CMP的高速率；同时能够满足质量传递的要求。

100～5000g/min流量能够实现反应产物的脱离及新液的供给。

本发明具有如下有益效果：

1.复合碱可将pH值提高到13以上，而且可使纳米SiO₂溶胶长期处于稳定状态，保证其不迅速溶解，从而可保证强化学反应，实现高速率。

2.采用胺碱乙二胺四乙酸四(四羟乙基乙二胺)生成易溶于水的大分子产物且溶于水，使反应产物在小的机械作用下即可脱离加工表面，加速了化学反应，同时还能起到络合及螯合作用，且大大提高了抛光速率，实现了一剂多用，有效解决了蓝宝石抛光速率低的世界难题。

3.选用表面活性剂的应用，增加了高低选择比，大大降低了表面张力、减小了损伤层、提高了基片表面的均一性(不出现非均化腐蚀)、使得表面凹凸差大大降低，从而有效的提高质量传输速率，达到高平整高光洁表面。

5.选用KOH作用强碱，能够快速的与待加工材料进行反应，起到增强化学作用的目的。

6.选用纳米SiO₂溶胶作为抛光液磨料，其粒径小(15～25nm)、浓度高(40～50％)、硬度小6～7(对基片损伤度小)、分散度好，可提高表面一致性，同时起到小搅拌器作用，能够达到高速率去除。

7.选用40～60℃高温、40～120rpm转速、0.10～0.20MPa、100～5000g/min流量的抛光工艺条件能够实现强化学作用下的高速质量传递，从而实现抛光的高去除速率。

目前国际上的水平是：去除速率低于1～5μm/h；使用本发明方法去除速率可达到10～18μm/h.

具体实施方式

下面以实施例进一步说明本发明。

实施例1：

取粒径15～25nm纳米40％SiO₂溶胶1800g，边搅拌边放入1720g去离子水，然后称40gKOH用200g去离子水稀释后边搅拌边倒入上述液体。再分别取200g胺碱，40gFA/O活性剂边搅拌边倒入上述液体。搅拌均匀后得4000g蓝宝石衬底抛光液，然后进行化学机械抛光20min，工艺条件：40℃、60rpm转速、0.20MPa、200g/min流量，达到的去除速率为15μm/h。

实施例2：

取粒径25～40nm纳米25％SiO₂溶胶3600g，边搅拌边放入180g去离子水，然后称20gKOH用100g去离子水稀释后边搅拌边倒入上述液体。再分别取90g胺碱，10gFA/O活性剂边搅拌边倒入上述液体。搅拌均匀后得4000g蓝宝石衬底抛光液，然后进行化学机械抛光40min，工艺条件：50℃、40rpm转速、0.10MPa、100g/min，达到的去除速率为10μm/h。

实施例3：

取粒径20～30nm纳米35％SiO₂溶胶1800g，边搅拌边放入1030g去离子水，然后称20gKOH用100g去离子水稀释后边搅拌边倒入上述液体。再分别取100g胺碱，10gFA/O活性剂边搅拌边倒入上述液体。搅拌均匀后得4000g蓝宝石衬底抛光液，然后进行化学机械抛光40min，工艺条件：50℃、40rpm转速、0.10MPa、100g/min，达到的去除速率为12μm/h。

Claims (1)

1.一种蓝宝石衬底材料高去除速率的控制方法，其特征是，包括以下步骤，其中下述百分含量为重量％：

(1)将粒径15～40nm的SiO₂磨料用去离子水稀释，去离子水含量0～60％；

(2)用无机强碱溶液及胺碱调整上述步骤(1)的溶液使PH值在11-13.5范围内，所述胺碱为乙二胺四乙酸四(四羟乙基乙二胺)；

(3)在调整完pH后，边搅拌边加入1.5～20％的醚醇类活性剂制成抛光液；

(4)使用上述抛光液在温度50＜T≤60℃、40～120rpm转速、0.10～0.20MPa、100～5000ml/min流量的抛光工艺条件下，在抛光机上对蓝宝石衬底材料进行抛光0.2～3h。