CN106170848A

CN106170848A - 采用高温湿法进行的蓝宝石减薄和平滑化

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Publication number: CN106170848A
Application number: CN201480050344.1A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·W·哈洛伦; 卡伦·A·莱因哈特; 托马斯·M·武科萨夫
Original assignee: Mt Systems Co
Current assignee: Mt Systems Co; MT SYSTEMS Inc
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2016-11-30

Abstract

本发明提供一种用于使蓝宝石衬底减薄的方法，所述方法包括：将蓝宝石衬底置于预热槽中，以升高所述蓝宝石衬底的温度；将经预热的蓝宝石衬底置于温度为200～400℃、包含含有H₂SO₄和H₃PO₄中的至少一种的溶液的湿法蚀刻槽中；监测时间，以确定何时从所述湿法蚀刻槽中取出所述蓝宝石衬底，以使所述蓝宝石衬底减薄；以及，将所述蓝宝石衬底置于冷却槽中，以降低所述蓝宝石衬底的温度。所述方法提供了高通量，并且是经济有效的过程，从而便于在高容量和低成本的应用中采用蓝宝石。

Description

采用高温湿法进行的蓝宝石减薄和平滑化

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年9月16号提交的美国临时申请号61/877819的优先权，该申请的内容通过引用并入本文，如同明确、完全地表示在本文中一样。

技术领域

总的来说，本发明涉及衬底以及衬底生产，特别涉及用于高通量生产蓝宝石衬底的方法和系统。

背景技术

蓝宝石由氧化铝(Al₂O₃)组成，其可以天然形成，也可以为了工业或装饰目的以大的晶体毛坯制造。蓝宝石惊人的硬度已经导致在实际应用中使用这种材料，包括：红外光学元件，例如，激光棒和波导；高耐久性透明窗口；手表晶体和低摩擦机芯轴承；光纤；以及薄的电子衬底，所述电子衬底用作固态电子设备和集成电路的绝缘衬底，例如发光二极管(LED)和也需要蓝宝石能够提供的高导热性的蓝宝石上硅(SOS)设备。另外，在光学元件和工业元件需要耐化学品的场合，蓝宝石因其对化学蚀刻具有稳定性而很适合。

人造蓝宝石的一个应用是需要高透光度的光学器件。蓝宝石对波长在紫外和红外((150nm(UV)至5500nm(IR))之间的光具有高透光度，而同时格外耐磨和耐刮擦，例如与硅酸盐玻璃窗口或透镜相比明显更强，且比其它光学材料具有明显更大的透明窗口。蓝宝石在矿物硬度的摩氏等级上的值为9，是仅次于金刚石(值为10)的最硬的天然物质。蓝宝石具有极高的熔化温度(2030℃)，并且不受除某些极热酸、蚀刻剂和氟化物之外的所有水基化学品的影响。

透明蓝宝石衬底或其他制品是由通常在a晶向上播种，已经生长且随后在特定的晶向，通常是沿晶轴面(例如a面)取芯得到的高纯度蓝宝石毛坯制成。通常通过线锯法将芯切成具有大约所希望的厚度的衬底，然后磨削或磨光以除去锯破坏的表面，最后抛光成所希望的表面光洁度。根据应用，可以将蓝宝石抛光成各种各样的表面光洁度。对于提供最小双折射的标准光学窗口，选择a-面(1120)，对于LED应用，通常选择c-面(0001)。

至少自21世纪初起，就已知硫酸与磷酸的组合使用是Al₂O₃，特别是蓝宝石的c-面(0001)晶向的有效蚀刻剂。由于择优蚀刻蓝宝石周围的缺陷(或因金属杂质，或因晶体位错造成的)，早期使用H₂SO₄与H₃PO₄的组合或单独使用H₃PO₄是为了修整蓝宝石表面。

根据美国专利7579202的教导，使用H₂SO₄与H₃PO₄的组合溶液或使用H₃PO₄在蓝宝石衬底上蚀刻成凹槽(groves)，对表面进行图案化和增加表面积，从而增大发光二级管(LED)的亮度。后来的美国专利(7781790、8101447、8236591)也利用这种化学物质组合在c-面蓝宝石上蚀刻成图案化的蓝宝石衬底(PSS)。利用这种化学物质的理由在于利用掩膜沿r-面各向同性地蚀刻c-面蓝宝石，在蓝宝石上形成角锥体形。然而，对温度有限制。没有使表面变平滑的实例；目的在于使表面变不平，以获得更多表面积。与本公开所针对的显示设备相比，对于LED设备，对平滑表面的需要是不同的。单晶蓝宝石材料纯度已经得到提高，并且使蓝宝石变平滑而不具有高密度缺陷的能力已经使这种化学物质可以用来使蓝宝石变平滑而没有因择优蚀刻产生高密度表面缺陷，进一步将这种化学物质用于透光度高、反射度低的光学设备。

尽管由于上述原因将蓝宝石用于玻璃状表面得到了广泛的认可，但是由于与蓝宝石制造和加工有关的低通量和高生产成本，在大规模生产应用(例如，诸如移动电话等消费设备用的显示器覆盖层)中选用蓝宝石几乎没有获得接受。此外，利用H₂SO₄、H₃PO₄，和H₃PO₄使蓝宝石减薄目前对于生产使用蓝宝石窗口的显示设备尚不已知。

因此，存在对用于生产具有高通量、经济有效的蓝宝石基产品的方法和装置的需要，从而使得在高容量、低成本应用中选用蓝宝石。

附图说明

根据下面的附图，进一步详细说明本发明。这些附图并不意图限制本发明的范围，而是为了举例说明本发明的某些特征。

图1是根据本发明的实施方式的蚀刻处理池的示意图。

图2表示根据本发明的实施方式的图案化的蓝宝石衬底(PSS)湿法蚀刻的处理流程。

图3表示根据本发明的实施方式的使用含水浸渍处理的蓝宝石蚀刻的处理流程。

图4是描绘第一种实施方式中本发明的蚀刻处理的顺序位置的处理示意图，该第一种实施方式特别适于形成蓝宝石晶片/窗口。

图5是描绘第一种实施方式中本发明的蚀刻处理的顺序位置的处理示意图，该第一种实施方式特别适于由未经磨削的“原锯切(as-sawed)”晶片(被抛光成所希望的光洁度)形成蓝宝石晶片/窗口。

图6是描绘第一种实施方式中本发明的蚀刻处理的顺序位置的处理示意图，该第一种实施方式特别适于由未经磨削的“原锯切”晶片(经蚀刻而变平滑)形成蓝宝石晶片/窗口。

图7A-7D是用于根据本发明的实施方式实施各种可配置的蚀刻处理的对接基站和组件的框图。

图8是显示根据本发明的实施方式用氧化物掩膜在280℃的温度下进行单面抛光时，PSS蚀刻速率对H₂SO₄与H₃PO₄的浓度比的图。

图9A举例说明了根据本发明的实施方式进行蓝宝石衬底减薄(SST)时的蚀刻速率。

图9B是显示在285和300℃的温度下进行双面减薄时，SST蚀刻速率对H₂SO₄与H₃PO₄的浓度比的图。

图9C是显示在300℃、有搅动和没有搅动情况下，使SST和蓝宝石衬底平滑化(SSS)蚀刻速率的图。

图10A和10B是在没有搅动(图10A)和有搅动(图10B)的情况下，蓝宝石平滑化表面(SSS)的光学照片。

图11是反射率百分比随着所注释的、相对于传统的参考晶片(c面双面抛光(DSP)，其中抛光单面用SSP表示)的各个蓝宝石面的波长而变化的曲线图。

发明内容

提供一种用于使蓝宝石衬底减薄的发明方法，该方法包括将蓝宝石衬底置于预热槽中，以升高所述蓝宝石衬底的温度；将所述经预热的蓝宝石衬底置于温度为200～400℃、包含含有H₂SO₄和H₃SO₄中的至少一种的溶液的湿法蚀刻槽中；监测时间，以确定何时从所述湿法蚀刻槽中取出所述蓝宝石衬底，以使所述蓝宝石衬底减薄；以及，将所述蓝宝石衬底置于冷却槽中，以降低所述蓝宝石衬底的温度。在本发明中可以使用一种或多种蓝宝石衬底取向，举例说明包括c、r、a和m面取向。

还提供一种用于生产蓝宝石衬底的发明系统，所述系统包括：对接基站(dockingbase station)，所述对接基站被配置为接收对接组件和控制装置；和单点，所述单点用于设备连接至所述对接基站上的公用设施(utilities)和供应线路。所述对接组件包括一个或多个高温处理组件、预热组件、冷却组件和干燥器/漂洗组件。

另外，提供一种衬底制品，所述衬底制品包括厚度为50微米至400微米、反射波长为380nm至1000nm的蓝宝石衬底。

最后，提供一种用于使蓝宝石衬底变平滑的发明方法，所述方法包括：将所述蓝宝石衬底置于预热槽中，以升高所述蓝宝石衬底的温度；将经预热的蓝宝石衬底置于温度为200～400℃、包含含有H₂SO₄和H₃PO₄中的至少一种的溶液的湿法蚀刻槽中；监测时间，以确定何时从所述湿法蚀刻槽中取出所述蓝宝石衬底，以使所述衬底变平滑；以及，将所述蓝宝石衬底置于冷却槽中，以降低所述蓝宝石衬底的温度。在本发明中可以使用一种或多种蓝宝石衬底取向，举例说明包括c、r、a和m面取向。

具体实施方式

本发明在形成衬底或其它激光切割或线锯产品的蓝宝石的处理中具有实用性。利用含水化学蚀刻工艺，为高通量或任何生产水平的蓝宝石衬底，提供了发明方法和系统。通过实行(invocation)200℃以上的处理温度，减少了用于减薄和蚀刻的处理时间，从而使通量整体增加。与通过常规方法生产的蓝宝石衬底相比，由本发明的方法和系统获得的蓝宝石衬底可以制成超薄的，并具有优异的反射性能。使用本发明的方法和系统的实施方式制备超薄蓝宝石衬底的能力为可以弯曲或具有其它轮廓的柔性衬底和薄膜创造了条件。蓝宝石衬底的传统处理缓慢，且依赖物理磨蚀、磨削、研磨和/或抛光衬底，由于蓝宝石衬底的多面表面导致在衬底上出现高低不平未被均匀处理的部位，如凹坑、刮痕，以及形成无定形Al₂O₃，使得只有有限的结果，与蓝宝石衬底的传统处理不同，本发明的方法和系统通过采用无磨料抛光等的衬底避免了对磨料磨削、研磨或抛光的需要。本发明的方法的某些实施方式利用搅动使这些局部的物理去除作用减至最低程度，产生极为平滑、高度透明的表面。搅动也能够增加c面蓝宝石的蚀刻速率。本发明的方法利用未经抛光或未经磨削的线锯切的晶片(“原切割的”)的能力产生了惊人的结果：优异的平面性和平滑度，从而减少了化学品机械抛光(CMP)的抛光步骤的时间，或者在某些实施方式中完全消除了该抛光步骤。在再一种实施方式中，减少了通过磨削进行蓝宝石减薄的时间，或者在又一种实施方式中完全消除了该减薄步骤。

通过本发明的蓝宝石生产系统的实施方式提供的蓝宝石衬底蚀刻操作可以包括蓝宝石衬底图案化PSS(蚀刻)、蓝宝石衬底切割、蓝宝石减薄、蓝宝石平滑化、蓝宝石纹理化以及蓝宝石衬底边缘圆化。

要理解的是，在提供数值范围的情况下，该范围意图不仅包括该范围的端点值，而且还包括该范围的中间值，这些中间值就如同明确包括在该范围内并且按该范围的最后的明显数字进行变化。作为例子，列举的范围1至4意图包括1-2、1-3、2-4、3-4和1-4，以及还有4:1、3:1、3:2和2:1。

通过本发明的蓝宝石生产系统的实施方式提供的蓝宝石材料蚀刻操作在消除或减少研磨、磨削、纹理化和精修(例如抛光)的量时，可以包括蓝宝石元件制备，例如减薄、成型、圆化、纹理化、平滑化、刻痕、衬底切割等。终产品的实例有蓝宝石等离子体管、触摸屏、保护屏、加工盘(process boat)、透镜等。

对于用在某些实施方式中的H₂SO₄和H₃PO₄溶液的高温操作包括抗蚀剂剥离、有机污染去除、有机膜去除、某些金属污染去除和陶瓷蚀刻和精修。在本发明的某些实施方式中，这些酸在200℃至400℃的温度下与材料接触，而在其他的实施方式中，与目标衬底发生反应的温度为240℃至320℃。H₂SO₄:H₃PO₄的水溶液的体积比通常从0.1:1到10:1不等，在某些特定的实施方式中，该体积比在0.5:1～3:1。另外，除了混合物之外，H₂SO₄或H₃PO₄各自可以单独用于特定的应用。通常商业上可获得的硫酸H₂SO₄的水溶液的浓度为大约96～98重量百分比(重量％)，磷酸H₃PO₄的水溶液的浓度为大约85重量％。

观察结果表明，H₂SO₄:H₃PO₄比为1:1时，虽然比更高的比如3:1的蚀刻速率低，但是产生的表面更平滑，具有更少的凹坑。该物理机制尚不知道，然而，据推测，较低的蚀刻速率没有使缺陷被择优蚀刻，这是形成凹坑的根源。缺陷可能是晶体破坏或金属污染。

蓝宝石衬底平滑化(SSS)在衬底或制造的部件上实现，可以在蓝宝石工件的各个面上成功地进行。SSS减少了由于锯切操作造成的峰谷粗糙度，用于顶面平滑化，去除锯切损伤和形成的无定形蓝宝石。SSS可以用于切割后边缘的平滑化，以使抛光减至最低限度或取代抛光。SSS处理可以使峰和凹坑减至最少，并且将缺陷(包括金属污染和晶体位错)周围的择优蚀刻减至最低限度。

用本发明的实施方式进行的蓝宝石衬底减薄提供了快速、经济有效的薄蓝宝石衬底。无应力减薄的本发明方法具有使所有蓝宝石面(a、c、r、m)都减薄的能力。可以理解的是，减薄的速率和均匀性随一些因素而变化，这些因素包括蓝宝石面、污染物浓度、酸溶液和搅动。减薄处理容易与平滑化操作结合。进一步理解的是，以受控的均匀方式(matter)有意地使特定的蓝宝石衬底形成凹坑。这样的有凹坑的蓝宝石应用于内部反射受到青睐的场合，例如LED。此外，与低温蚀刻方法相比，本发明的方法的实施方式提供的蚀刻速率得到增大，均匀性得到提高。当最小厚度受到锯切尺寸的限制时，SST可以在锯切后进行。SST代替产生表面损伤和应力的研磨或磨削。由于应力，研磨和磨削局限于衬底厚度。这些处理能够在晶状蓝宝石中产生物理应力点，这些应力点能够首先扩展成晶格位错，然后更严重地扩展成裂缝，在某些情况下是立即扩展成裂缝，而在其他情况下，裂缝是潜在的，出现在制备过程的后期阶段。将初始厚度为200～700μm的衬底减薄至50μm已经用本发明的实施方式进行证实。在某些实施方式中减薄至低于80μm的晶片受支持，以便抑制因表面张力造成的折皱或卷起。薄衬底也可以“浮”在化学池中，并且已经开发了支撑薄衬底的固定装置。

SSS使表面粗糙度达到最小，并且还具有使金属和位错两者的缺陷周围的择优蚀刻减至最低程度的能力。通过选取合适体积比的H₂SO₄:H₃PO₄，可以弱化晶面选择性蚀刻。利用在合适的温度下在H₂SO₄中添加H₃PO₄，可以使平滑度达到最大，并且可以使不希望的Al₂(SO₄)₃的形成减至最低限度。在某些实施方式中，当形成Al₂(SO₄)₃时，通过蚀刻除去它。蚀刻处理帮助溶解沉淀Al₂(SO₄)₃。一种方法是单独使用磷酸H₃PO₄来侵蚀Al₂(SO₄)₃，通过PO₄ ³-基团取代SO₄ ^2-基团，从而使该离子溶于H₃PO₄溶液中。该处理可以在120～250℃的温度下进行。保留H₂SO₄处理步骤(例如比为5:1)过程中发生的平滑化。

理解的是，在本发明的具体的实施方式中，单独H₃PO₄在高温下得到类似结果。除了H₃PO₄和H₂SO₄外，添加剂还包括溶剂、与水形成共沸物的溶剂、螯合剂、表面活性剂、其他酸、酸的盐及它们的组合。这样的添加剂在200～400℃的处理温度下是稳定的。

本发明的方法和系统的实施方式可以：用于蓝宝石纹理化(STX)，以增加峰谷粗糙度，起到用无图案过程代替图案蓝宝石衬底(PSS)蚀刻，产生半透明磨砂表面；用于增加因反射出表面的光造成的反射率；用于增加用于结合和其他操作的表面积，以使峰达到最大，使凹坑达到最大限度，控制包括金属和位错两者的缺陷周围的择优蚀刻。

本发明的方法和系统的实施方式可以用于蓝宝石衬底化(substrating)、切片和切成小方块。在衬底化和切片过程中，可以去除锯切损伤，和进行边缘圆化。在切割过程中，可以去除由激光锯切造成的切口损伤以及去除由金刚石和激光锯切两者产生的熔渣。此外，可以在进行部分锯切或刻痕后，用H₂SO₄/H₃PO₄酸处理进行蚀刻以使长的锯切时间减至最少。

需要酸介质来蚀刻蓝宝石(Al₂O₃)。总反应可以用

Al₂O₃+3H₂O→2Al(OH)₃

Al(OH)₃+3H⁺→Al³⁺+2H₂O

表示，其中，并不意图受到特定理论的限制，由于在200～400℃，在本发明的蚀刻剂溶液中铝阳离子Al³⁺与阴离子SO₄ ^2-或PO₄ ^3-浓度高，使得它们在水溶液中发生反应，因此Al(OH)₃、AlPO₄和Al(H₂PO₄)₃均可溶于蚀刻剂溶液，而Al₂(SO₄)₃是不溶的。因此，H₂SO₄与H₃PO₄的混合物在保证宽处理窗口的同时能够保持高温，从而能够控制沸点，并且还能够有利地使不溶产物减至最少。在至少一种实施方式中，进行搅动，以便用化学品输送机制(chemicaltransport mechanism)帮助不溶性杂质进行对流远离表面。搅动不仅提高蚀刻速率，而且还在H₂SO₄:H₃PO₄比高(例如为5:1)时减少表面上沉淀的Al₂(SO₄)₃的量。

搅动可以通过1)机械作用、2)使气体通过溶液鼓泡、或3)通过施加音波能量来实现。例如，使气体鼓泡：可以向酸溶液中鼓入N₂或其它惰性气体(即Ar、He)，造成液体的搅动。通常，将气体扩散板置于池的底部，气体流入液体中，造成液体“沸腾”。这种机制用新的化学品置换靠近衬底的化学品，并除去反应物的产物。音波能量搅动可以利用：超音波能量或其它也能够造成靠近衬底的流体被置换的音波能量。与音波能量一道加入气体使较少量的气体被使用。

现在参照附图，图1是根据本发明的蚀刻处理池100的实施方式的示意图。蚀刻处理池100包括：高温再循环泵110、处理槽120和搅动器130。处理槽120具有盖122和液面指示器121。在本发明的至少一种实施方式中，盖122还包括盖致动器123。处理槽120任选地包括若干附加元件，包括冷凝盘管124、外壳加热器126、RTD温度传感器127，或它们的组合。在至少一种实施方式中，搅动器130包括伺服机构131和搅动器臂132。

高温蚀刻池100将化学品加热至200～400℃的温度。处理槽120由与酸性化学物质和高温相适应的材料例如石英或式M_n+1AX_n的三元碳化物构成，其中，M在每次出现时独立地为Ti、Nb、Zr、Hf、Nb、Cr、Ta、V、Sc或Mo；n为1、2或3；A在每次出现时独立地为Al、P、Pb、Ga、S、In、As、Cd、Ge、Tl或Al，条件是M与A不同；并且，X在每次出现时独立地为C或N。在至少一种实施方式中，处理槽120为石英槽。在本发明的某些实施方式中，用自动给料来保持蓝宝石处理过程中的恒温以及与温度、液面和厚度传感器一致的浓度。该池配置有排出口，用于方便清理池化学物质。在本发明的某些实施方式中，在200℃以上的温度下再循环和/或搅动该池中的化学物质，以消除局部蚀刻作用。在某些实施方式中，高温再循环泵110是衬有石英的泵。也进行搅动来消除因浓度或温度梯度造成的局部蚀刻作用，以及使气泡静摩擦减至最小。通过人类工程学设计和空气控制管理，并在高温下使用再冷凝器使烟雾减至最少并且捕获烟雾以及将化学品的消耗减至最低限度来实现对化学品烟雾的捕获和控制。双面蚀刻和单面蚀刻两者均可以作为分批处理在池中进行。理解的是，容易控制自动搅动器臂，从而以各种移动模式移动晶片夹，所述移动模式举例说明包括垂直移动、水平移动、弧形移动、旋转移动及它们的组合。对于单面蚀刻，使用定制的托板(carrier)来保护未被蚀刻的面。

图2表示用于图案化的蓝宝石衬底(PSS)湿法蚀刻的处理流程10的实施方式。使用预热槽12和冷却槽16来避免对待处理的衬底产生热应力。可以向工作台(platform)上添加多个H₂SO₄/H₃PO₄蚀刻槽14或其它槽。漂洗/干燥步骤18结束该处理。可以包括HF蚀刻槽(未示出)，用于除去SiO₂蚀刻掩膜。

图3表示用于蓝宝石蚀刻浸渍的处理流程20的实施方式。在预处理过程22中，对衬底进行预清理，除去金属污染和颗粒。注意，对于有机去除不需要进行预清理，因为H₂SO₄/H₃PO₄酸处理就足以除去有机物。预处理和后处理可以包括酸的中和以及金属污染或颗粒去除。温度上升管理24和温度下降管理28是用于避免热应力的预热槽和冷却槽。H₂SO₄/H₃PO₄蚀刻步骤26化学物质根据应用确定。可以向工作台上添加多个H₂SO₄/H₃PO₄蚀刻槽或其它槽。因特定的功能，可以向蚀刻化学物质中添加添加剂。可以包括HF蚀刻槽(未示出)，用于除去SiO₂蚀刻掩膜，或其它后处理过程30和漂洗/干燥32。

使用如图2中的预热槽和冷却槽形式的温度上升管理24和温度下降管理28的热管理来避免热应力对蓝宝石的重要性。蓝宝石具有高的热膨胀系数(CTE，为5.0～6.6E-6/K)，而SiO₂(CET为1E-6/K)比蓝宝石低5～6倍。如果池中的温度以过高的速率升高或降低，则蓝宝石材料快速膨胀或收缩，可能发生破裂。因此，均匀的温度管理起平缓上升或逐步上升的作用在整个衬底上是需要。

虽然通常单个池就足够，但是多个池可以实现多个效果。例如，第一个池可以实现对减薄的高蚀刻速率，而第二个池可以用于使既需要减薄又需要平滑化的厚衬底平滑化。在第二个实例中，第一个池提供初步平滑化，而第二个池为具有严重锯切损伤的任何衬底提供最终平滑化。在第三个实例中，使用三个池，其中第一个池用于获得用于减薄或去除锯切损伤的高蚀刻速率，第二个池用于初步平滑化，第三个池用于最终平滑化。可以根据初始衬底特征和所希望的目的使用其他池组合。

图4-6是举例说明围绕根据图2或图3详细说明的本发明的方法的各个步骤的处理简图。在图4-6中，以单词“蚀刻”开头的那些处理步骤代表本发明的方法。

图7A-7D是对接基站40以及使用配置为用于受控微环境的隔板安装的组件设计实施各种可配置的蚀刻过程的组件的框图。基站以架空安装的机械手为特色，可配置用于未来移动对接组件和扩充(expansion)。处理转运对接组件(process cart docking module)保证检修过程中修理时间更少。对接基站40可以具有用于设备连接至公用设施和供应线路(电的，废物排放，N₂/CDA，排气装置等)的单点60。各种控制装置例如烟雾捕获和冷凝装置可以随基站40配置在排气装置42中。

图7B举例说明了移动处理对接组件，包括高温处理组件54、预热/冷却处理组件56和干燥器/漂洗组件58。高温处理组件54槽与冷凝盘管、自动盖，与石英冷却槽可以在200～400℃下工作。预热/冷却过程组件56可以具有工作温度高达180℃的石英槽。干燥器/漂洗组件58可以是基于氮气(N₂)的，使用去离子水(DIW)，并且没有具有快速倾卸特征的移动部件。图7C和图7D显示了在处理组件对接区域44中的基站40中连接的图7B的本发明的移动处理对接组件(54、56、58)的供选择的实施方式。

不受特定理论的限制，认为大厚的蓝宝石件比小薄衬底具有更高的破裂倾向。因此，本发明的至少一种实施方式管理蓝宝石工件的温度以防止破裂。可以利用本领域广泛使用的若干温度管理方法。在至少一种实施方式中，使用空气冷却。作为非限制性实例，以每分钟1mm～1cm的速率逐渐从高温池提升后处理工件。应理解的是，工件越大，提升速率越慢，因此冷却越慢。由于空气冷却，工件表面覆有化学品。可以在芯冷却至室温60℃内时对工件进行后处理。处理操作可以包括清理表面的沉淀Al₂(SO₄)₃，或用水漂洗以除去化学品，或者二者。在至少一种实施方式中，将工件留在处理池中并逐渐冷却也可以实现相同的冷却速率。任选的冷却技术可以包括多个温度池，在这些温度池中，工件的温度以60℃增量或更小的温度增量逐渐从处理温度降低。在至少一种实施方式中，使用烘箱(oven)来实现相同的冷却。另外，作为非限制性实例，使用多个温度逐渐降低的烘箱或熔炉，在它们之间依次转移工件以获得逐渐冷却。应理解的是，加热大工件对温度管理需要同样谨慎。由于热膨胀系数大，以太高的速率加热会导致破裂。加热可以在烘箱中、处理池中或在任何能够均匀地加热(或冷却)工件的装置上实现。

通过本发明的蓝宝石生产系统提供的蓝宝石材料蚀刻操作在高温下进行，非常高的池温使这些池不适于用于浓度测量的标准的计量方法。例如，浸入探针在高温下容易被破坏，并且将常用的常规流动池(flow cell)用于浓度监测仪是不可行的。然而，在实施方式中使用石英池为光学测量提供视线。使用分光光度计和光源通过石英测量吸收度对于浓度测定是可行的。此外，可以在现场测量表面粗糙度，而且在现场测量厚度也是可能的。

蚀刻速率与浓度和温度有关。图8是表示用氧化物掩膜在280℃的温度下进行单面抛光时，c面蓝宝石的PSS蚀刻速率对H₂SO₄与H₃PO₄的浓度比的图。从图中看出，H₂SO₄:H₃PO₄浓度为3:1(份数)时提供的蚀刻速率最高。应理解的是，观察结果已经表明，H₂SO₄:H₃PO₄比为1:1时，虽然比更高的比如3:1时的蚀刻速率低，但是其产生的表面更平滑，凹坑更少。该物理机制尚不知道，然而，据推测，较低的蚀刻速率没有使缺陷被择优蚀刻，这是形成凹坑的根源。缺陷可以是晶体破坏或金属污染。因此，在至少一种实施方式中，H₂SO₄:H₃PO₄比为3:1。在至少一种供选择的实施方式中，H₂SO₄:H₃PO₄比为1:1。

平滑化可以在任何经过磨削、研磨或抛光步骤的蓝宝石晶体衬底上进行。在抛光步骤过程中，与初始晶向无关的蓝宝石晶体的顶层被破坏。这种晶格破坏在各种单晶衬底中被发现(J.A.Randi，J.C.Lambropoulos和S.D.Jacobs，“某些单晶光学材料中的次表面破坏(Subsurface damage in some single crystalline optical materials)”应用光学(Appl.Opt.)，44，2241-2249(2005)http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm？ URI＝ao-44-12-2241)。这些晶体破坏影响衬底的光学和机械性能。蓝宝石衬底上被破坏的晶格层可以使用平滑化方法除去。在某些情况下，不超过2微米的蓝宝石被除去。实现了反射率的提高，并在下表中示出，在每个实施例中大约2-4微米的蓝宝石被除去。

单独的H₂SO₄使表面沉积Al₂(SO₄)₃，即使进行搅动以及在所有温度下，单独的这种化学物质对于减薄或平滑化是不可接受的。另外，H₂SO₄比为5:1是在蓝宝石表面上形成硫酸盐的分界。高于5:1例如8:1，形成硫酸盐沉淀。已经发现，如果硫酸盐沉淀出现，将衬底置于高温H₃PO₄或者置于更低比(例如3:1)的H₂SO₄+H₃PO₄池中，可以除去沉淀。

图9A举例说明了进行蓝宝石衬底减薄(SST)和蓝宝石衬底平滑化(SST)时相对于温度的蚀刻速率(衬底的两面均被蚀刻)。减薄和平滑化蚀刻速率与浓度、温度和蓝宝石纯度以及晶向有关。如图9A中所示，在所示的条件中，H₂SO₄:H₃PO₄体积份数比为3:1的溶液以及300℃对于c面DSP实现的减薄蚀刻速率最高。注意，虽然在本实施例中温度目标为300℃，但是进行适当的设备改造，例如石英槽更厚和其他槽变化，高达400℃的高温是可能的。理解的是，温度越高产生的蚀刻速率越高，因而能够蚀刻各种没有明确限定的蓝宝石取向，例如切割后但对衬底切片之前的毛坯的边缘。例如，取向不是c面和a面。在不要求减少凹坑或进行完美平滑化时，较高的温度使得可快速处理，因此，在超过300℃的温度下运行提高了通量。平滑化可以与减薄采用相同的化学物质实现。由于要被除去的是薄层，因此低温以及由此产生的低蚀刻速率是希望的。在两种情况下，目的都是使出现的凹坑的量减至最少。

图9B举例说明了在285℃和300℃下进行c面蓝宝石衬底减薄(SST)和蓝宝石衬底平滑化时，相对于浓度的蚀刻速率。根据要被除去的材料的量和蓝宝石晶体的纯度、加上可容忍的表面粗糙度，所有条件对于减薄都是可接受的。

图9C举例说明了在300℃下进行蓝宝石衬底减薄(SST)和蓝宝石衬底平滑化(SSS)时，相对于有搅动和没有搅动的c面蚀刻速率。除了以快蚀刻速率减薄外，搅动还提高平滑化。

图10A和图10B举例说明了在有搅动和没有搅动情况下进行c面蓝宝石衬底平滑化(SSS)的表面。图10B示出了蓝宝石表面的晶面合在一起，而图10A清楚地示出了刻划的面。下面示出了表面粗糙度值，表明搅动可以改善表面粗糙度，能够使表面具有低密度凹坑和峰。

实施例

根据下面的实施例进一步详细说明本发明，这些实施例并不意图限制所要求保护的发明的范围，而是意图举例说明本发明的具体方面。

实施例1

在250～400℃的温度下，使用由66～75体积％的98重量％的H₂SO₄和25～33体积％的85重量％的H₃PO₄组成的湿法蚀刻剂处理图案化的蓝宝石衬底(PSS)。实施例的结果在表1中示出。

表1

实施例2

在250～300℃的温度下，使用由30～90体积％的98重量％的H₂SO₄和10～70体积％的85重量％的H₃PO₄组成的湿法蚀刻剂进行蓝宝石衬底平滑化(SSS)。注意，硫酸或磷酸浓度可以进一步降低。在一种实施方式中，仅使用硫酸进行平滑化，在这种情况下没有观察到蚀刻。实施例结果在表2中示出。

表2

实施例3

在250～300℃的温度下，使用由30～90体积％的98重量％的H₂SO₄和10～70体积％的85重量％的H₃PO₄组成的湿法蚀刻剂进行蓝宝石衬底减薄(SST)。注意，浓度可以进一步降低。实施例结果在表3中示出。

表3

前面的描述举例说明了本发明的具体实施方式，但并不意图限制本发明的实施。下面的权利要求书包括其所有等同物，意图限定本发明的范围。

Claims

1.一种用于使蓝宝石衬底减薄的方法，所述方法包括：

将所述蓝宝石衬底置于预热槽中，以升高所述蓝宝石衬底的温度；

将所述经预热的蓝宝石衬底置于温度为200～400℃、包含含有H₂SO₄和H₃PO₄中的至少一种的溶液的湿法蚀刻槽中；

监测时间，以确定何时从所述湿法蚀刻槽中取出所述蓝宝石衬底，以使所述蓝宝石衬底减薄；以及，

将所述蓝宝石衬底置于冷却槽中，以降低所述蓝宝石衬底的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述蓝宝石衬底在衬底c面上减薄。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述H₂SO₄与H₃PO₄以0.1～10:1的体积比存在。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶液为30～90体积％的96～98重量％的H₂SO₄和10～70体积％的85重量％的H₃PO₄。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述衬底为原切割晶片或为原磨削晶片。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述衬底的晶面(0001)的蚀刻速率为每小时超过18微米。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，进一步包括当所述衬底在所述湿法蚀刻槽中时搅动所述衬底。

8.一种生产蓝宝石衬底的系统，所述系统包括：

对接基站，所述对接基站被配置为接收对接组件和控制装置；

单点，所述单点用于在所述对接基站上设备连接至公用设施和供应线路；并且

其中，所述对接组件包括一个或多个高温处理组件、预热组件、冷却组件和干燥器/漂洗组件。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述一个或多个高温处理组件为被配置为在200～400℃的温度下运行的蚀刻槽。

10.一种制品，包括：

厚度为50微米至400微米、反射波长为380nm至1000nm的蓝宝石衬底。

11.一种用于使蓝宝石衬底变平滑的方法，所述方法包括：

将经预热的蓝宝石衬底置于温度为200～400℃、包含含有H₂SO₄和H₃PO₄中的至少一种的溶液的湿法蚀刻槽中；

监测时间，以确定何时从所述湿法蚀刻槽中取出所述蓝宝石衬底，以使所述衬底变平滑；以及

12.根据权利要求11所述的方法，其中，使所述蓝宝石衬底的c面变平滑。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述H₂SO₄和H₃PO₄以0.1～10:1的体积比存在。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述溶液为30～90体积％的96～98重量％的H₂SO₄和10～70体积％的85重量％的H₃PO₄。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述衬底为原切割晶片，或者为原磨削晶片或为原研磨或原抛光晶片。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述衬底的晶面(0001)的蚀刻速率为每小时超过10微米。

17.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，进一步包括当所述衬底在所述湿法蚀刻槽中时搅动所述衬底。