CN110076682A - 一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法，属于超精密加工技术领域。采用磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水配制成抛光液，实现蓝宝石衬底超光滑低损伤化学机械抛光，使用抛光液对蓝宝石衬底进行化学机械抛光，抛光垫材料为无纺布，压力为20‑40kPa，主盘转速为50‑70rpm，抛光液流量为10‑30ml/min。材料去除率达到8.1μm/h，表面粗糙度R_a可达0.4‑0.7nm。本发明实现了蓝宝石衬底的超光滑超低损伤化学机械抛光。

Description

一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法

技术领域

本发明属于硬脆材料超精密加工技术领域，特别涉及一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法。

背景技术

单晶蓝宝石(主要成分为α-Al₂O₃)，因其优良的机械性能、介电性能、化学稳定性、热传导性和高表面平滑度等特点而被广泛应用于军事、航天、信息、光学、超导等技术领域，成为制备高温超导薄膜、红外光学材料、微电子器件等的最优质基片和衬底材料。现如今，无论是军用高性能红外探测器的蓝宝石窗口，还是氮化镓基蓝色LED及激光二极管的衬底，其表面加工质量(如表面粗糙度、微裂纹、划痕、位错)和加工精度，对材料外延生长质量和器件性能都有至关重要的影响。由于蓝宝石材料硬度极高(莫氏硬度达到9，仅次于金刚石)、脆性大，是典型的难加工材料。因此，为了满足国防尖端技术和电子信息制造业的重大需求，实现蓝宝石高效超精密加工制造便显得至关重要。

目前工业化生产蓝宝石的加工工序为晶棒切割，双面研磨，单面研磨，铜抛，化学机械抛光(CMP)等，其中CMP作为衬底加工的最后一道工序，其抛光质量的好坏将决定产品的性能和寿命。CMP广泛应用于半导体、微电子和光电子等领域，通过机械去除和化学腐蚀的协同作用来实现晶片超光滑的表面，是目前唯一能够实现全局平坦化的超精密加工技术。其中抛光液是影响CMP质量的决定性因素，它既影响CMP化学作用，又影响机械作用。在抛光效率和质量方面，国产的抛光液相比国外的仍具有一定的差距，国外生产的蓝宝石抛光液的价格也高出国产抛光液的数倍。另外抛光液中含有的强酸强碱等化学成分对环境和操作者构成潜在的危害。因此，研究性能优良的蓝宝石衬底抛光液对半导体产业具有重要的实际意义。

发明内容

本发明给出一个新型的蓝宝石衬底化学机械抛光方法，其中抛光液的成分对环境和实验者均无潜在的危害，流动性好，分散均匀，容易清洗且无毒无污染，实现了蓝宝石衬底超光滑低损伤的表面。

本发明的技术方案：

一种新型的蓝宝石衬底抛光化学机械抛光方法，采用磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂配制成抛光液。磨料为二氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化铈中的一种或几种，磨料平均粒径为60-110nm，重量百分比为抛光液的4-8％。表面活性剂为聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚氧乙烯月桂醚中的一种或几种，重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％。螯合剂为山梨醇、柠檬酸钠、六偏磷酸钠中的一种或几种，重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％。pH调节剂为氨甲基丙醇(AMP-95)、二乙醇胺、乙二胺中的一种或几种，将抛光液的pH值调节至9-13。使用自主研制的抛光液对蓝宝石衬底进行化学机械抛光，抛光垫材料为带绒毛结构的无纺布，抛光压力为20-40kPa，主盘转速为50-70rpm，抛光液流量为10-30ml/min。抛光后的蓝宝石衬底达到超光滑的表面，材料去除率达到8.1μm/h，用zygo白光干涉仪测得其表面粗糙度R_a可达0.4-0.7nm(测量范围为70×50μm²)。本发明获得了蓝宝石衬底超光滑、无损的加工表面。

磨料为二氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化铈中的一种或几种，磨料平均粒径为60-110nm，重量百分比为抛光液的4-8％。选择二氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化铈中的一种或几种作为蓝宝石衬底抛光液的基础组分，因其分散性好，选择性高，易于清洗和后续的废液处理，且制备技术较为成熟。抛光液磨料的粒径和重量百分比会影响抛光速率和表面质量。当抛光压力一定时，磨料粒径过大，晶片与抛光垫之间的有效接触面积减小，单颗磨料承受的压强将会增大，磨料切入深度增加，导致晶片表面质量变差。当磨料粒径过小时，机械作用弱于化学作用，导致抛光效率降低。这里我们选择磨料的平均粒径为60-110nm，此条件下化学作用和机械作用基本达到平衡，材料去除率较高，表面质量最好。磨料的重量百分比为也应在合适的范围内，随着磨料的重量百分比增大，抛光去除率增加，但是其重量百分比不能过大，过大后会导致抛光液的粘度过大，流动性变差，因此我们选择磨料的重量百分比为4-8％。

表面活性剂为聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚氧乙烯月桂醚中的一种或几种，重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％。表面活性剂一般是同时含有亲水基和亲油基的高分子表面活性物质，它能够降低溶液表面张力，改善抛光液的流动性，使胶体粒子分散均匀，提高胶体体系的稳定性。使用聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚氧乙烯月桂醚、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)中的一种或几种表面活性剂，均可以作为日用化妆品的添加剂来使用，对人体和环境的损害极低，而且能够在水中完全溶解，对胶体粒子分散效果较好，可以降低抛光液的表面张力。经试验确定，分散剂重量百分比为0.1％-0.5％时，抛光效果最佳。

螯合剂为山梨醇、柠檬酸钠、六偏磷酸钠中的一种或几种，螯合剂重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％。在微电子、光电子领域中，重金属离子会对器件的工作性能造成危害。因此在衬底生产过程中应严格控制重金属离子的含量。螯合剂与金属离子通过配位键牢牢地结合在一起，形成在水中稳定的、不易解离的物质，从而减少金属离子的含量。螯合剂中通常含有氧、氮、硫原子，它们能够提供电子对，金属离子提供空轨道，当金属离子与电子给予体结合时便会生成螯合物。经试验确定，所选用螯合剂重量百分比为0.1％-0.5％时，抛光效果最佳。

pH调节剂为氨甲基丙醇(AMP-95)、二乙醇胺、乙二胺的一种或几种，将抛光液的pH值调节至9-13。蓝宝石的成分为α-Al₂O₃，氧化铝属于两性氧化物，既能与酸反应，也能与碱反应，因此酸和碱应该作为蓝宝石衬底抛光液的组分。但酸性抛光液容易腐蚀设备，在抛光过程中引入重金属离子，从而影响LED器件的性能和寿命。碱性抛光液中的碱能够与氧化铝发生化学反应，且碱性越强，化学反应速率越快，材料去除率越高。当抛光液的pH＝9-13时，蓝宝石材料去除率较快，表面质量最好。目前常用的pH调节剂为含有碱金属离子的无机碱，如NaOH、KOH等，其问题是在抛光过程中易引入碱金属离子，对器件的性能产生不利影响。因此这里使用不含碱金属离子的有机碱作为pH调节剂，经试验确定pH＝9-13时，抛光效果最佳。

抛光垫作用是存储和运送抛光液，及时清除抛光产物和碎屑，维持抛光垫表面的抛光液薄膜，保持抛光过程的平稳进行。目前蓝宝石衬底抛光垫的材料主要有聚氨酯和无纺布这两种。硬度较高的聚氨酯在抛光过程中变形较小，更容易获得较好的平面度，但抛光后的晶片表面粗糙度较高。带绒毛结构的无纺布抛光垫硬度较小、压缩比大、弹性好，常用于精抛工艺中。因此这里选择带绒毛结构的无纺布作为蓝宝石衬底抛光垫。

合理地选择抛光工艺参数对于蓝宝石抛光效果具有重要的影响。随着抛光压力的增大，抛光垫与蓝宝石表面接触面积增加，使得抛光垫与蓝宝石表面之间的摩擦力增大，机械作用加强，材料去除率增加。但抛光压力不宜过大，过高的压力会阻碍抛光液进入到衬底表面与抛光垫间的缝隙，化学反应层的厚度减小，抑制了化学反应过程，导致材料去除率下降。随着转速的提高，磨料与蓝宝石表面的磨擦作用增强，机械作用增强，材料去除率增大。但过高的转速会造成抛光液的浪费，抛光液来不及与衬底充分发生反应即在离心力的作用下被甩离反应区，化学反应层的生成受阻，导致材料去除率下降。因此这里选择抛光压力为20-40kPa，转速为50-70rpm，抛光液的流量为10-30ml/min，抛光时间确定为10-30min。

本发明的有益效果如下：自主研制的抛光液流动性好，分散均匀，抛光速率快，容易清洗且无毒无污染，材料去除率速率达到8.1μm/h，高于市场上购买的蓝宝石抛光液5.5μm/h的材料去除率。抛光后的蓝宝石基片达到超光滑的表面，用zygo白光干涉仪测得的其表面粗糙度R_a可达0.4-0.7nm(测量面积70μm×50μm)。

附图说明

图1为采用本发明用Zygo NewView 5022白光干涉仪测量的抛光后蓝宝石表面粗糙度的结果，测量面积为70μm×50μm。结果表明抛光后的表面粗糙度R_a值为0.449nm,PV值为4.983nm,rms值为0.562nm。

图2为采用本发明用Zygo NewView 5022白光干涉仪测量的抛光后蓝宝石表面粗糙度的结果，测量面积为70μm×50μm。结果表明抛光后的表面粗糙度R_a值为0.539nm,PV值为5.32nm,rms值为0.686nm。

图3为采用本发明用Zygo NewView 5022白光干涉仪测量的抛光后蓝宝石表面粗糙度的结果，测量面积为70μm×50μm。结果表明抛光后的表面粗糙度R_a值为0.661nm,PV值为7.307nm,rms值为0.830nm。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步阐述，但不应解释为限制本发明的范围。

抛光样件为蓝宝石衬底，用石蜡将3片蓝宝石基片粘在圆形铝盘圆周处的三等分点上，基片的长、宽、厚分别为10mm，10mm，1mm。通过改变铝盘的数量来调整抛光压力。加工设备为旋转摆动式研磨抛光机。首先用多晶金刚石研磨液对蓝宝石基片进行研磨，研磨液平均粒径为3μm，多晶金刚石磨料的重量百分比为研磨液的5-8％，研磨盘为合成树脂铜盘。抛光压力为27kPa，主盘转速为77rpm，研磨时间为5-10min。

将磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水配制成抛光液，用于蓝宝石基片的化学机械抛光。其中，磨料为二氧化硅，表面活性剂为聚氧乙烯月桂醚，螯合剂为山梨醇，pH调节剂为氨甲基丙醇，抛光垫为带绒毛结构的无纺布。

抛光设备为沈阳麦晶材料加工设备生产的ZYP230旋转摆动重力式研磨抛光机。设定工艺参数：转速为68rpm，压力34kPa，抛光液流量为25ml/min，抛光时间为10min。

抛光后用Zygo NewView 5022白光干涉仪测量蓝宝石基片的表面粗糙度，测量范围为70μm×50μm。

实施例1

抛光液：二氧化硅含量为4wt.％；聚氧乙烯月桂醚含量为0.1wt.％；山梨醇含量为0.1wt.％；pH值调节为10-11。

抛光过程：抛光盘转速为50rpm；抛光压力为20kPa；抛光液流量为10ml/min。

抛光后的表面粗糙度R_a值为0.449nm,PV值为4.983nm,rms值为0.562nm(见附图1)。

实施例2

抛光液：二氧化硅含量为5wt.％；聚氧乙烯月桂醚含量为0.3wt.％；山梨醇含量为0.3wt.％；pH值调节为10-11。

抛光过程：抛光盘转速为60rpm；抛光压力为30kPa；抛光液流量为20ml/min。

抛光后的表面粗糙度R_a值为0.539nm,PV值为5.32nm,rms值为0.686nm(见附图2)。

实施例3

抛光液：二氧化硅含量为7wt.％；聚氧乙烯月桂醚含量为0.5wt.％；山梨醇含量为0.5wt.％；pH值调节为10-11。

抛光过程：抛光盘转速为70rpm；抛光压力为40kPa；抛光液流量为30ml/min。

抛光后的表面粗糙度R_a值为0.661nm,PV值为7.307nm,rms值为0.830nm(见附图3)。

Claims (1)

1.一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法，采用磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水配制成抛光液，实现蓝宝石衬底超光滑低损伤化学机械抛光，其特征在于，步骤如下：

(1)磨料为二氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化铈中的一种或两种以上混合，磨料平均粒径为60-110nm，重量百分比为抛光液的4-8％；表面活性剂为聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠、聚氧乙烯月桂醚中的一种或两种以上混合，重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％；螯合剂为山梨醇、柠檬酸钠、六偏磷酸钠中的一种或两种以上混合，重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％；pH调节剂为氨甲基丙醇、二乙醇胺、乙二胺中的一种或两种以上混合，将抛光液的pH值调节至9-13；

(2)首先用多晶金刚石研磨液对蓝宝石衬底进行研磨，多晶金刚石研磨液平均粒径为3μm，多晶金刚石磨料的重量百分比为研磨液的5-8％，研磨盘为合成树脂铜盘；抛光压力为20-30kPa，主盘转速为60-80rpm，研磨时间为5-10min；

(3)然后用步骤(1)得到的抛光液对蓝宝石衬底进行化学机械抛光，抛光垫材料为带绒毛结构的无纺布，抛光压力为20-40kPa，主盘转速为50-70rpm，抛光液流量为10-30ml/min，抛光时间确定为10-30min；

(4)抛光后的蓝宝石衬底为超光滑表面，材料去除率为8.1μm/h，用zygo白光干涉仪测得其表面粗糙度R_a可达0.4-0.7nm。