CN101016439A - 一种蓝宝石衬底化学机械抛光浆液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于蓝宝石衬底的化学机械抛光浆液，此浆液包含pH调节剂、表面活性剂、水性介质及一种复合研磨颗粒。该复合研磨粒子是由基材颗粒碳化硼表面包覆一层粒子所构成。通过本发明提供的化学机械抛光浆液，蓝宝石衬底的抛光速率达到了180nm/min，表面粗糙度降低到了7.5以下，蓝宝石的表面质量和加工效率得到了有效的提高。
Description
技术领域
本发明关于一种化学机械抛光浆液，可有效应用于蓝宝石衬底的化学机械抛光，属于化学机械抛光浆液领域。
背景技术
蓝宝石，又称白宝石，组成为α-Al2O3，透明，与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能，有很好的热特性，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，耐磨性好，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℃，广泛应用于工业、国防、科研、民用等领域，越来越多地用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、发光二极管衬底片、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料。蓝宝石由于其硬度高且脆性大，机械加工困难。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。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，同时随着LED元件的不断拓展，蓝宝石已经成为最重要的衬底材料之一，具有极大的国内外市场需求。
目前国内蓝宝石批量生产的技术很不成熟，生产蓝宝石衬底片时产生裂痕和崩边现象的比例比较高，占总数的5％～8％，其后的研磨和抛光工序中速率很低，加工常需数小时，并且加工后的蓝宝石片表面划痕较重，有20％左右的宝石片表面有粗深划痕，需返工，重新研磨抛光，这样就大大提高了蓝宝石衬底片加工的成本。
因此，如何在提高蓝宝石表面光洁度和全局平坦化质量的同时并保证一定的蓝宝石的抛光速率，是蓝宝石加工处理中的一大难题。为此，提出了各种方案。
CN92100529.6公开的蓝宝石加工工艺主要涉及到的是蓝宝石的切割方法，切割后得到的特定结构易于满足蓝宝石的光学要求，；CN03146936.1公开的蓝宝石衬底减薄方法是一种通过对减薄过程包括粘片、粗磨、抛光、去蜡、清洗等各个步骤的优化的方法，从而提高产品的成品率；但它们均未涉及到加工过程中蓝宝石的加工速率以及表面情况。CN03114350.4公开的纳米级蓝宝石衬底的加工方法及其专用的由纳米硅粉、乙二醇、甘油、乙醇氨以及去离子水构成的抛光液，精抛后表面的粗糙度降到了20nm以下，达到了镜面抛光效果；CN03141638.1公开的光学蓝宝石晶体基片的研磨工艺，采用金刚石抛光液，并通过粗磨、精磨和抛光等工艺步骤，将产品合格率提高到了大于98.5％，基片的表面粗糙度降低到了小于0.3纳米。虽然这些报道均涉及产品成品率的提高，并得到了较好的表面，但均未提及抛光速率，且前者表面粗糙度仍偏大。另外，Honglin Zhu等在Applied Surface Science 236(2004)120-130中提到了用α-Al2O3在碱性条件下对蓝宝石进行抛光，得到了极好的表面，虽然表面粗糙度仅为0.3nm，但抛光速度却仅为1.0mg/h(约为14.8nm/min)，抛光效率较低；王娟等在《电子工艺技术》26(2005)228-231中利用胶体SiO2，在优化工艺条件后将抛光速率提高到了5μm/h(约为83.3nm/min)，但表面质量未提及。
本申请发明人经广泛研究发现，采用基材粒子表面包覆工艺，在碳化硼表面包覆一层粒子构成复合研磨粒子，利用该复合研磨粒子制成的化学机械抛光浆液，不仅可以得到极好的蓝宝石表面光洁度和全局平坦化的质量，而且拥有一定的抛光速率，有望可以有效地提高蓝宝石的表面质量和加工效率。从而引出本发明的目的和构思。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于抛光蓝宝石的化学机械抛光浆液，其特征在于所述的化学机械抛光浆液包含一种复合研磨粒子、阴离子型表面活性剂、水性介质及pH调节剂。
本发明提供的蓝宝石衬底化学机械抛光浆液包含至少一种复合研磨粒子。蓝宝石的组成为α-Al2O3，莫式硬度达到了9级，并且结构稳定，耐酸耐碱，在抛光时难以得到一定的抛光速率。在抛光时若仅使用单一传统的研磨颗粒如SiO2、Al2O3、CeO2、ZrO2等虽然在各自不同的条件下，拥有很高的化学活性，在抛光时能够很容易地与蓝宝石表面的水化层形成化学交联，但因为这些颗粒的莫式硬度均远远小于蓝宝石或者仅仅与其相当，在抛光过程中形成的化学交联产物难以及时地从蓝宝石表面脱离下来，使抛光过程难以很顺利地连续进行，因而难以得到一定的抛光速率；另外，如果使用的单一B4C(莫式硬度9.3)或者金刚石(莫式硬度10)等研磨颗粒，其硬度大于蓝宝石本身的硬度，虽然在抛光过程中因为研磨颗粒的硬度较大，在研磨颗粒和蓝宝石表面间有较强的物理作用，可以得到较高的抛光速率，但这种情况下抛光速率主要来源于研磨颗粒与衬底表面间强烈的物理切削作用，衬底常常很容易产生较深的划痕，也即这种情况下的抛光速率是牺牲了衬底的表面质量而得到的。因此为了在保证表面质量的基础上，同时得到一定的加工效率，本发明采用基材粒子表面包覆工艺，在碳化硼表面包覆一层粒子构成复合研磨粒子，利用该复合研磨粒子制成的化学机械抛光浆液，使用了至少一种复合研磨粒子。复合研磨颗粒的包覆工艺包括在一个溶液体系中悬浮基质粒子碳化硼，强力搅拌下引入第二种及以上包覆粒子，第二种包覆粒子可以原位生成或直接加入小粒子进行复合包覆，包覆工艺是在一定温度搅拌条件下进行。
复合研磨粒子基于B4C颗粒的高硬度以及表面复合小颗粒的独特的化学活性，在抛光过程中，复合粒子的表面小颗粒易于与蓝宝石表面进行交联，同时复合粒子的高硬度的B4C核能够间接地对衬底施加物理作用，使交联产物能及时地脱离衬底的表面，因此不仅能够保证蓝宝石在化学机械抛光时具有一定的抛光速率，还能有效地避免对衬底的划痕，提高蓝宝石抛后的表面质量。所述的复合研磨粒子是由基材粒子碳化硼表面包覆一层粒子所构成。其基材粒子为B4C，包覆的粒子选自SiO2、γ-Al2O3、α-Al2O3、CeO2或其混合物。
本发明提供的蓝宝石衬底化学机械抛光浆液中复合研磨颗粒的含量为0.2-30wt％，优选复合研磨粒子的含量为1wt％-10wt％。
本发明提供的蓝宝石衬底化学机械抛光浆液包含至少一种表面活性剂。表面活性剂以其特有的结构和一定的带电情况，可以改善抛光浆液的稳定性，从而利于蓝宝石的化学机械抛光。所述的表面活性剂为阴离子型表面活性剂，选自聚氧乙烯硫酸钠(AES)、聚丙烯酸钠或聚氧乙烯醚磷酸酯。
所述的阴离子型表面活性剂的含量为0.01-5wt％，优选阴离子型表面活性剂的含量为0.01-2wt％。
本发明提供的蓝宝石衬底化学机械抛光浆液中所使用的溶剂为去离子水。
本发明提供的蓝宝石衬底化学机械抛光浆液至少包含一种pH值调节剂。pH值调节剂有利于稳定抛光浆液，并使得抛光效果更佳。所述的pH值调节剂为0.1M-2M的H3PO4和KOH，最终抛光浆液的pH值范围为1-7，优选3-5。
具体实施方式
本发明将通过下列实施例进一步加以详细描述，下列实施例仅用以举例说明本发明的实质性特点和显著的进步，而不对本发明的范围作任何限制，任何熟悉此项技术的人员可以轻易实现的修改和变化均包括在本发明及所附权利要求的范围内。
下述实施例的对象为2寸蓝宝石片，使用设备及试验条件如下：
A.仪器：CMP tester(CETR CP-4)
B.条件：压力(Down Force)：10psi
抛光垫转速(Pad Speed)：150rpm
抛光头转速(Carrier Speed)：150rpm
温度：25℃
抛光液流速(Feed Rate)：150ml/min
C.浆液：取实施例所得的抛光浆液进行测试。
采用美国CETR公司的CP-4抛光机对蓝宝石进行抛光后，利用AFM原子力显微镜测试蓝宝石表面10μm×10μm区域的粗糙度RMS(Root MeanSquare)。
典型的复合研磨颗粒包覆工艺如下：将碳化硼颗粒悬浮于水分散介质中，升温至80～100℃，在搅拌状态下不断将需要包覆的小粒子加入，在搅拌和保温作用下形成小粒子包覆大颗粒的复合研磨颗粒。
实施例1
采用复合研磨颗粒表面包覆工艺，以SiO2包覆B4C为复合研磨颗粒：
抛光浆液组成如下：
复合研磨颗粒含量：5wt％；
聚丙烯酸钠：1wt％；
pH值：3；
其余为调节pH值的磷酸及去离子水。
抛光测试结果如表1所示。
实施例2
采用复合研磨颗粒表面包覆工艺，以α-Al2O3包覆B4C为复合研磨颗粒：
抛光浆液组成如下：
复合研磨颗粒含量：3wt％；
聚氧乙烯硫酸钠：0.5wt％；
pH值：5；
其余为调节pH值的磷酸及去离子水。
抛光测试结果如表1所示。
实施例3
采用复合研磨颗粒表面包覆工艺，以γ-Al2O3包覆B4C为复合研磨颗粒：
抛光浆液组成如下：
复合研磨颗粒含量：2wt％；
聚氧乙烯硫酸钠：0.5wt％；
pH值：5；
其余为调节pH值的磷酸及去离子水。
抛光测试结果如表1所示。
实施例4
采用复合研磨颗粒表面包覆工艺，以CeO2包覆B4C为复合研磨颗粒：
抛光浆液组成如下：
复合研磨颗粒含量：3wt％；
聚氧乙烯醚磷酸酯：0.3wt％；
pH值：3；
其余为调节pH值的磷酸及去离子水。
抛光测试结果如表1所示。
表1
| 实施例 | 研磨颗粒种类 | 固含量(wt％) | 表面活性剂种类及其含量 | pH值 | 蓝宝石抛光速率(nm/min) | 粗糙度RMS() |
| 1 | SiO2包覆B4C | 5 | 聚丙烯酸钠1wt％ | 3 | 100 | 7.480 |
| 2 | α-Al2O3包覆B4C | 3 | 聚氧乙烯硫酸钠0.5wt％ | 5 | 180 | 7.426 |
| 3 | γ-Al2O3包覆B4C | 2 | 聚氧乙烯硫酸钠0.5wt％ | 5 | 76 | 7.336 |
| 4 | CeO2包覆B4C | 3 | 聚氧乙烯醚磷酸酯0.3wt％ | 3 | 150 | 7.224 |
由表1可以看出，本发明提供的化学机械抛光浆液对蓝宝石进行抛光后，表面粗糙度RMS降到了7.5以下，同时也具有一定的抛光速率(60-180nm/min)，可以有效地提高蓝宝石的表面质量和加工效率。
Claims (6)
1、一种蓝宝石化学机械抛光浆液，其特征在于所述的化学机械抛光浆液由一种复合研磨颗粒，表面活性剂，pH值调节剂和水性介质组成，其中：
(a)所述的复合研磨颗粒为碳化硼表面包覆一层小粒子，包覆粒子为SiO2、γ-Al2O3、α-Al2O3，CeO2或其混合物；
(b)所述的表面活性剂为阴离子型表面活性剂，选自聚氧乙烯硫酸钠、聚丙烯酸钠和或聚氧醚磷酸酯；
(c)pH调节剂是浓度为0.1～2摩尔/升的H3PO4或KOH溶液；
(d)复合研磨颗粒的质量百分含量为0.2～30％，表面活性剂的质量百分含量为0.01～5％，化学机械抛光浆液的pH值为1.0～7.0，余量为去离子水。
2、按权利要求1所述的蓝宝石化学机械抛光浆液，其特征在于复合研磨颗粒的质量百分含量为1～10％。
3、按权利要求1所述的蓝宝石化学机械抛光浆液，其特征在于所述的阴离子表面活性剂的质量百分含量为0.01～2.0％。
4、按权利要求1所述的蓝宝石化学机械抛光浆液，其特征在于所述的pH值为3.0～5.0。
5、按权利要求1～4所述的蓝宝石化学机械抛光浆液，其特征在于抛光速率达60～180nm/min，抛光表面粗糙度降低至7.5以下。
6、按权利要求1所述的蓝宝石化学机械抛光浆液，其特征在于所述的碳化硼表面包覆一层小粒子工艺是先将B4C颗粒悬浮于水分散介质中，升温至80-100℃，搅拌状态下将需包覆的小粒子加入，使之形成小粒子包覆大颗粒的复合研磨颗粒。
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