CN102513906B - 一种蓝宝石衬底抛光工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了蓝宝石衬底抛光装置及抛光工艺，在机架上转动安装有转轴，在转轴的顶端部固定有抛光台，在抛光台的上表面固定有水晶抛光垫，在水晶抛光垫上方设有磨料供给机构；在机械臂上通过胶轮安装有固定环，在固定环内设有衬底固定盘，在衬底固定盘上方设有将衬底固定盘固定的蓝宝石衬底压向水晶抛光垫的加压机构；所述水晶抛光垫由多个厚度相同的水晶片用紫外胶粘附在抛光台的上表面上，相邻两片水晶片之间的间隙为0.5~2mm。本发明抛光后蓝宝石衬底平面度小于5um，表面粗糙度小于0.3nm，且衬底表面无复杂生成物，无需进行复杂的后清洗，既节约成本，又提高了成品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，本发明公开了蓝宝石衬底抛光装置，本发明还公开了蓝宝石衬底抛光工艺。
背景技术
随着高亮度LED在照明工程领域需求量的急剧增长，带动了国内蓝宝石衬底材料制备产业的发展。由于蓝宝石晶体(α— Al2O3)具有耐高温、耐腐蚀、透光波段宽等显著特点，是外延长G a N的首选衬底材料，但也正是由于蓝宝石硬度极高、脆性大、化学性质稳定的特点，给材料加工，尤其是晶片表面纳米级抛光在技术上带来很多困难。为应对光电技术的发展对产品衬底材料表面提出的超光滑、无损伤的要求，必须对蓝宝石衬底进行精细抛光。
进行蓝宝石衬底抛光的工艺方法主要有机械抛光、化学抛光和化学机械抛光（Chemical
Mechanical Polishing，简称CMP）等。机械抛光虽然能够实现全局平面化，但是难以实现表面粗糙度Ra小于1 nm的纳米级抛光；化学抛光虽然能够实现纳米级抛光，但是不能实现全局平面化；化学机械抛光技术是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用及浆料的化学腐蚀作用在被加工表面形成光洁平坦平面，是目前实现蓝宝石衬底全局平坦化纳米级抛光最成熟的方法。
实现高精度平面抛光，关键取决于抛光盘平面精度及其精度保持性。所以，采用高平面精度的抛光盘是获得工件高平面精度的加工基础。CMP技术主要采用聚氨酯类、无纺布类软性抛光盘，虽然可使抛光表面加工变质层和表面粗糙度达LED衬底使用要求，但在抛光过程中由于软性抛光盘的弹性变形引起工件表面压力分布不均匀，经常会使晶片产生“塌边”现象，而且抛光盘在使用过程中由于磨粒的重复摩擦使其逐渐“釉化”，平面度随之逐渐降低。在CMP技术中，通过精确控制抛光液中磨料的粒径、浓度、硬度，抛光液的PH值、温度等可以得到很好的抛光效果，但实际操作过程中综合控制这些参数难度大且抛光液容易将磨粒与晶片摩擦产生的热量带走，达不到化学腐蚀所需温度，磨粒也容易受到液动压的影响，使磨粒无法顺利进入晶片表面进行机械磨削，造成抛光效率低。一般来说，CMP抛光液中一般选用碱性介质，如NaOH，KOH等强碱，碱金属离子在抛光过程中进入衬底中，容易引起器件的局部穿通、漏电电流增大等效应，使芯片工作的可靠性降低，引起器件失效。碱性抛光液后处理也相当麻烦，若是处理不善对于人或是环境都会产生相当程度的损失。
发明内容
本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种高平面精度、高抛光效率、表面粗糙度达到纳米级的蓝宝石衬底抛光装置。
本发明的另一目的是提供一种使用上述装置进行蓝宝石衬底抛光的工艺。
按照本发明提供的技术方案，所述蓝宝石衬底抛光装置，在机架上转动安装有转轴，在转轴的顶端部固定有抛光台，在抛光台的上表面固定有水晶抛光垫，在水晶抛光垫上方设有磨料供给机构；在机械臂上通过胶轮安装有固定环，在固定环内设有衬底固定盘，在衬底固定盘上方设有将衬底固定盘固定的蓝宝石衬底压向水晶抛光垫的加压机构；所述水晶抛光垫由多个厚度相同的水晶片用紫外胶粘附在抛光台的上表面上，相邻两片水晶片之间的间隙为0.5~2mm。
所述水晶片的形状为长方形或者正多边形。所述水晶片的厚度为0.5~1mm，水晶片的平面度为1~3um。
所述加压机构为块铁或者砝码。
所述磨料供给机构包括在机架上安装的固定支架，在固定支架上安装有漏斗固定升降横臂，在漏斗固定升降横臂上固定有磨料供给漏斗。
所述固定环两端设有通过机械臂固定于抛光装置机架上的胶轮。
使用蓝宝石衬底抛光装置进行蓝宝石衬底抛光的工艺包括如下步骤：
a、在抛光装置的转轴上安装抛光台，用紫外胶将水晶片粘附在抛光台的上表面上，相邻两片水晶片之间的间隙为0.5~2mm；
b、将磨料供给机构固定于机架上，加入SiO2粉末，SiO2粉末的粒径控制在70～90nm；
c、启动抛光台的转轴，使抛光台转速保持在30~90r/min，将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以2~6ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫，10~20min后关闭转轴及磨料供给机构，预先使其磨料均匀分布于抛光垫上；
d、将要抛光的蓝宝石衬底用蜡粘贴在衬底固定盘上，使其抛光面面向抛光垫放置，把加压机构放置在衬底固定盘上，然后套上固定环，调节胶轮，使其两者紧密接触；
e、二次启动抛光台的转轴，使抛光台转速保持在30~90r/min，蓝宝石衬底在摩擦力的作用下跟随抛光台自旋，将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以2~6ml/min的流量连续提供给抛光垫，将衬底抛光到所需精度。
本发明采用上述技术方案取得的有益效果是：
1、本发明采用晶向统一的Z向0°切割的水晶片粘贴构成的硬质水晶抛光垫，抛光垫具有各处均匀的机械强度，能有效解决由于软性抛光垫的弹性变形引起的衬底表面压力分布不均匀，使衬底产生“塌边”现象。另外，由于水晶的成分为SiO2，与磨料的化学成分一样，即两者的硬度一样（硬度都为7），解决了由于磨料与抛光垫硬度不同而造成磨料被抛光垫磨小影响抛光效率或是磨料将抛光垫划伤造成抛光垫平面度逐渐降低等难题，使抛光垫在加工过程中平面精度保持不变，使其加工出的蓝宝石衬底具有高平面精度，平面度小于5um。
2、本发明直接使用高纯SiO2粉末作为磨料，蓝宝石（Al2O3）与二氧化硅（SiO2）发生固相反应生成富铝红柱石（3α-Al2O3∙
SiO2），进行干式机械化学抛光，且磨料与衬底摩擦产生的热量可以全部提供给衬底表面发生固相反应，使抛光效率相比湿式化学机械抛光法提高了3倍以上。同时，抛光过程中不会产生金属离子对衬底的污染。
3、本发明水晶抛光垫的水晶片与水晶片之间具有0.5~2mm的间隙，可构成磨料的导流槽，从而可以更好的配合磨料，提高研磨抛光的精度；抛光后蓝宝石衬底平面度小于5um，表面粗糙度小于0.3nm，且衬底表面无复杂生成物，无需进行复杂的后清洗，既节约成本，又提高了成品率。
4、抛光后衬底表面无复杂生成物，因此衬底抛光后无需进行复杂的后清洗，既节约成本，又提高了成品率。
附图说明
图1是本发明抛光装置的整体结构示意图。
图2是本发明中水晶抛光垫的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图所示, 本发明的蓝宝石衬底抛光装置主要由抛光台101、水晶抛光垫102、衬底固定盘104、加压机构105、固定环106、机械臂107、胶轮108、漏斗固定升降横臂109、磨料供给漏斗110、固定支架111、水晶片112、机架113与转轴114部件构成。
该蓝宝石衬底抛光装置，在机架113上转动安装有转轴114，在转轴114的顶端部固定有抛光台101，在抛光台101的上表面固定有水晶抛光垫102，在水晶抛光垫102上方设有磨料供给机构；在机械臂107上通过胶轮108安装有固定环106，在固定环106内设有衬底固定盘104，在衬底固定盘104上方设有将衬底固定盘104固定的蓝宝石衬底压向水晶抛光垫102的加压机构105；所述水晶抛光垫102由多个厚度相同的水晶片112用紫外胶粘附在抛光台101的上表面上，相邻两片水晶片112之间的间隙为0.5~2mm。
所述水晶片112的形状为长方形或者正多边形。所述水晶片112的厚度为0.5~1mm，水晶片112的平面度为1~3um。
所述加压机构105为块铁或者砝码。
所述磨料供给机构包括在机架113上安装的固定支架111，在固定支架111上安装有漏斗固定升降横臂109，在漏斗固定升降横臂109上固定有磨料供给漏斗110。
所述固定环106两端设有通过机械臂107固定于抛光装置机架上112的胶轮108。
实施例1
a、在抛光装置转轴114上安装Φ380mm的9Cr18不锈钢抛光台101，用紫外胶将20mm×20mm×1mm的水晶片112粘附在抛光台101上，片与片之间的间隙为0.5mm，粘成水晶抛光垫102；
b、将磨料供给机构固定于机架113上，加入450ml粒度为70nm的高纯SiO2粉末；
c、启动抛光台101的转轴114，使抛光台101的转速保持在30r/min。将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以6ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫102，10min后关闭转轴114及磨料供给机构，预先使其磨料均匀分布于水晶抛光垫102上；
d、将要抛光的4片蓝宝石衬底103用蜡粘贴在Φ150mm玻璃材质的衬底固定盘104上，使其抛光面面向抛光垫102放置，把12Kg的块铁作为加压机构105放置在衬底固定盘104上，然后套上固定环106，调节胶轮108，使其两者紧密接触；
e、二次启动抛光台101的转轴114，使抛光台101的转速保持在30r/min，蓝宝石衬底103在摩擦力的作用下跟随抛光台101自旋。将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以6ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫102，抛光60min。
经检测，采用此装置抛光后衬底的表面粗糙度为0.25nm，平面度可达到3um。
实施例2
a、在抛光装置转轴114上安装Φ380mm的9Cr18不锈钢抛光台101，用紫外胶将边长15mm、厚度1mm的正六边形水晶片112粘附在抛光台101上，片与片之间的间隙为1mm，粘成水晶抛光垫102；
b、将磨料供给机构固定于机架113上，加入350ml粒度为80nm的高纯SiO2粉末；
c、启动抛光台101的转轴114，使抛光台101的转速保持在60r/min。将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以4ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫102，15min后关闭转轴114及磨料供给机构，预先使其磨料均匀分布于水晶抛光垫102上；
d、将要抛光的4片蓝宝石衬底103用蜡粘贴在Φ150mm玻璃材质的衬底固定盘104上，使其抛光面面向水晶抛光垫102放置，把12Kg的作为加压机构105放置在衬底固定盘104上，然后套上固定环106，调节胶轮108，使其两者紧密接触；
e、二次启动抛光台101的转轴114，使抛光台101的转速保持在60r/min，蓝宝石衬底103在摩擦力的作用下跟随抛光台101自旋。将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以4ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫102，抛光60min。
经检测，采用此装置抛光后衬底的表面粗糙度为0.15nm，平面度可达到2um。
实施例3
a、在抛光装置转轴114上安装Φ380mm的9Cr18不锈钢抛光台101，用紫外胶将边长10mm、厚度1mm的正八边形水晶片112粘附在抛光台101上，片与片之间的间隙为2mm，粘成水晶抛光垫102；
b、将磨料供给机构固定于机架113上，加入的300ml粒度为90nm的高纯SiO2粉末；
c、启动抛光台101的转轴114，使抛光台101转速保持在90r/min。将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以3ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫102，20min后关闭转轴114及磨料供给机构，预先使其磨料均匀分布于水晶抛光垫102上；
d、将要抛光的4片蓝宝石衬底103用蜡粘贴在Φ150mm玻璃材质的衬底固定盘104上，使其抛光面面向水晶抛光垫102放置，把12Kg的块铁作为加压机构105放置在衬底固定盘104上，然后套上固定环106，调节胶轮108，使其两者紧密接触；
e、二次启动抛光台101的转轴114，使抛光台101转速保持在90r/min，蓝宝石衬底103在摩擦力的作用下跟随抛光台101自旋。将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以3ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫102，抛光60min。
经检测，采用此装置抛光后衬底的表面粗糙度为0.2nm，平面度可达到2.5um。
Claims (1)
1. 一种使用蓝宝石衬底抛光装置进行蓝宝石衬底抛光的工艺，其特征是：该工艺包括如下步骤：
a、在抛光装置的转轴上安装抛光台，用紫外胶将水晶片粘附在抛光台的上表面上，相邻两片水晶片之间的间隙为0.5~2mm；
b、将磨料供给机构固定于机架上，加入SiO2粉末，SiO2粉末的粒径控制在70～90nm；
c、启动抛光台的转轴，使抛光台转速保持在30~90r/min，将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以2~6ml/min的流量连续提供给水晶抛光垫，10~20min后关闭转轴及磨料供给机构，预先使其磨料均匀分布于抛光垫上；
d、将要抛光的蓝宝石衬底用蜡粘贴在衬底固定盘上，使其抛光面面向抛光垫放置，把加压机构放置在衬底固定盘上，然后套上固定环，调节胶轮，使其两者紧密接触；
e、二次启动抛光台的转轴，使抛光台转速保持在30~90r/min，蓝宝石衬底在摩擦力的作用下跟随抛光台自旋，将磨料供给机构的控料阀门打开，使SiO2磨料以2~6ml/min的流量连续提供给抛光垫，将衬底抛光到所需精度。
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