CN104449403A - 蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液及其循环使用方法 - Google Patents

蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液及其循环使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其主要组成成分按重量％计，包括重量浓度2-50wt％以及粒径15-150nm的纳米SiO2水溶胶10-50％、活性剂0.05-1％，螯合剂0.1-1％，pH调节剂0.1-2％，pH调节剂为无机碱和有机碱的混合物构成复合碱。循环使用步骤为，抛光液流量100g/min-300g/min，抛光压力0-0.2MPa，抛光转速40-60rpm，抛光温度30-40℃。有益效果：抛光液采用复合碱的形式，无机碱的强碱性可有效提高抛光去除速率，有机碱通过不断释放羟基保障抛光液pH的稳定性，保障循环抛光过程中抛光液的化学作用,解决了抛光速率低、效率低的技术问题。

Description

蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液及其循环使用方法
技术领域
本发明属于CMP抛光液及使用方法，尤其涉及一种蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液及其循环使用方法。
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，使得半导体发光二极管(LED)和激光器上了一个新的台阶。由于GaN是很难制备的材料，必须在其它衬底材料上生长薄膜。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(90％)，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。
随着世界范围内节能减排任务的推进，冷光源被越来越多的国家所提倡并采用。但由于性价比较低，该技术发展放缓。低成本、高效率的实现LED衬底材料蓝宝石晶体的表面加工是提高性价比的关键因素之一，随着蓝宝石衬底材料需求量的日益增加及表面质量要求的日益提高，对蓝宝石衬底表面加工技术的研究显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液及其循环使用方法,抛光液采用复合碱的形式，无机碱的强碱性可有效提高抛光去除速率，多羟基有机碱通过不断释放羟基而保障抛光液pH的稳定性，从而保障循环抛光过程中抛光液的化学作用,解决了抛光速率低、效率低的技术问题。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其特征是：其主要组成按重量％计，包括重量浓度2-50wt％以及粒径15-150nm的纳米SiO2水溶胶10-50％、0.05-1％的活性剂，0.1-1％的螯合剂，0.1-2％pH调节剂，pH调节剂为无机碱和有机碱的混合物构成复合碱，所述无机碱0.05-1.5％，有机碱0.05-0.5％。
所述复合碱抛光液的制备方法，按重量％计,将无机碱0.05-1.5％,加入去离子水稀释至完全溶解，边搅拌边加入0.05-0.5％的有机碱混合后作为pH调节剂；取44-89.65％的去离子水，边搅拌边加入纳米SiO2水溶胶，随后边搅拌边依次加入0.05-1％的活性剂，0.1-1％的螯合剂，0.1-2％pH调节剂。
所述活性剂为FA/O I型非离子表面活性剂、OII-7((C1OH21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C1OH21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、或JFC的一种或几种混合。
所述pH调节剂的pH值为9-13。
所述pH调节剂中的无机碱包括KOH、NaOH的一种或两种混合；有机碱包括羟乙基二胺、三乙醇胺、四羟基乙二胺或四羟乙基乙二胺的一种或几种混合。
所述的螯合剂为FA/O II型螯合剂。
所述蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液的循环使用方法，其特征是：依据随抛光次数的增加去除速率逐渐降低的规律，根据工艺要求去除的厚度设定抛光时间，当去除速率达不到工艺要求值时，抛光液停止循环使用；具体抛光液循环使用的实施步骤为，取制备好的抛光液10Kg，抛光液流量100g/min-300g/min，抛光压力0-0.2MPa，抛光转速40-60rpm，抛光温度30-40℃，当抛光速率小于等于1.5微米/小时，抛光液停止循环使用。
本发明中采用技术的作用为：抛光液采用复合碱的形式，无机碱的强碱性可有效提高抛光去除速率，多羟基有机碱通过不断释放羟基而保障抛光液pH的稳定性，从而保障循环抛光过程中抛光液的化学作用；采用表面活性剂，可使抛光产物处于易移除的物理咐附状态，有利于表面沾污物的去除，减少损伤；采用螯合剂可有效去除抛光系统中沾污的金属离子，同时可起缓冲作用。
有益效果：与现有技术相比，本发明为实现LED衬底材料蓝宝石晶体的低成本、高效率表面加工奠定了基础。尤其是，
1.抛光液采用碱性pH调节剂、高浓度低硬度磨料、表面活性剂、螯合剂为主要成分，并采用循环使用的方法，可提高抛光效率，改善表面粗糙度，对设备无腐蚀，同时可大大降低成本；
2.选用复合碱，无机强碱可有效提高抛光去除速率，有机碱可通过不断释放羟基保障抛光液pH的稳定性，即保障抛光液持久的化学作用；
3.选用表面活性剂可使抛光表面吸附物处理易清洗的物理吸附状态，有利于表面沾污物的去除，同时减少损伤层，提高晶片表面质量的均匀性；
3.选用的螯合剂可与对晶片表面残留的金属离子发生反应，生成可溶性的大分子螯合物，在较小作用下即可脱离晶片表面，同时又可起缓冲作用；
4.选用抛光认循环使用的方法，在保证抛光质量的情况下，可以大大降低成本。
具体实施方式
下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
配制10kg蓝宝石衬底的复合碱抛光液并进行循环抛光使用
取5000g粒径15nm SiO2水溶胶，边搅拌边加入到去离子水4775g中，之后边搅拌边分别加入FA/O I型表面活性剂5g，加入FA/O II型螯合剂10g，再加入pH调节剂将pH值调节到9。其中pH调节剂是取KOH 9g用200g去离子水稀释，取1g四羟乙基乙二胺，边搅拌边加入到KOH水溶液中充分混合后作为复合碱pH调节剂。搅拌均匀后进行循环抛光，每次循环时间1小时，考查每次循环去除速率的变化。压力：0.08Mpa；转速：40rpm；流量：100ml/min。结果为：循环第一个小时去除速率4.02μm/h，循环第二个小时去除速率2.89μm/h，循环第三个小时去除速率1.59μm/h。
实施例2
配制10kg蓝宝石衬底的复合碱抛光液并进行循环抛光使用
取2500g粒径150nm SiO2水溶胶，然后边搅拌边加入到去离子水7100g中，之后边搅拌边分别加入FA/O I型表面活性剂50g，加入FA/O II型螯合剂50g，再加入pH调节剂pH值调节到11.5。其中pH调节剂是取KOH80g用200g去离子水稀释，取20g三乙醇胺边搅拌边加入到KOH水溶液中充分混合后作为pH调节剂。
搅拌均匀后进行循环抛光，每次循环时间1小时，考查每次循环去除速率的变化。压力：0.12Mpa；转速：60rpm；流量：300ml/min。结果为：第一次循环去除速率5.23μm/h，第二次循环去除速率3.88μm/h，第二次循环去除速率1.98μm/h。
实施例3
配制10kg蓝宝石衬底的复合碱抛光液并进行循环抛光使用
取5000g粒径80nm SiO2水溶胶，边搅拌边加入到去离子水5000g中，之后边搅拌边分别加入FA/O I型表面活性剂100g，FA/O II型螯合剂100g,pH调节剂pH值调节到13。其中pH调节剂是取KOH 150g，用200g去离子水稀释，取50g四羟乙基乙二胺，边搅拌边加入到KOH水溶液中充分混合。搅拌均匀后进行循环抛光，每次循环时间1小时，考查每次循环去除速率的变化。压力：0.2Mpa；转速：60rpm；流量：200ml/min。结果为：第一次循环去除速率6.56μm/h，第二次循环去除速率4.15μm/h，第三次循环去除速率2.67μm/h。
所述FA/O I型表面活性剂和FA/O II型螯合剂为天津晶岭微电子材料有限公司市售商品。所述磨料为市售不同粒径的纳米SiO2水溶胶磨料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其特征是：其主要组成按重量％计，包括重量浓度2-50wt％以及粒径15-150nm的纳米SiO2水溶胶10-50％、活性剂0.05-1％，螯合剂0.1-1％，pH调节剂0.1-2％，pH调节剂为无机碱和有机碱的混合物构成复合碱，所述无机碱0.05-1.5％，有机碱0.05-0.5％。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其特征是：所述复合碱抛光液的制备方法，按重量％计,将0.05-1.5％的无机碱加入去离子水稀释至完全溶解，边搅拌边加入0.05-0.5％的有机碱混合后作为pH调节剂；取44-89.65％的去离子水，边搅拌边加入10-50％纳米SiO2水溶胶，随后边搅拌边依次加入0.05-1％的活性剂，0.1-1％的螯合剂，0.1-2％pH调节剂。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其特征是：所述活性剂为FA/O I型非离子表面活性剂、OII-7((C1OH21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C1OH21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、或JFC的一种或几种混合。
4.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其特征是：所述pH调节剂的pH值为9-13。
5.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其特征是：所述pH调节剂中的无机碱包括KOH、NaOH的一种或两种混合；有机碱包括羟乙基二胺、三乙醇胺、四羟基乙二胺或四羟乙基乙二胺的一种或几种混合。
6.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液,其特征是：所述的螯合剂为FA/O II型螯合剂。
7.一种根据权利要求1所述蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液的循环使用方法，其特征是：依据随抛光次数的增加去除速率逐渐降低的规律，根据工艺要求去除的厚度设定抛光时间，当去除速率达不到工艺要求值时，抛光液停止循环使用；具体抛光液循环使用的实施步骤为，取制备好的抛光液10Kg，抛光液流量100g/min-300g/min，抛光压力0-0.2MPa，抛光转速40-60rpm，抛光温度30-40℃，当抛光速率小于等于1.5微米/小时，抛光液停止循环使用。
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