CN110511679A

CN110511679A - 一种蓝宝石衬底的高效混合磨料化学机械抛光液

Info

Publication number: CN110511679A
Application number: CN201910813159.8A
Authority: CN
Inventors: 张振宇; 谢文祥; 陈宇; 郜培丽; 苏宏久; 王树东
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2019-11-29

Abstract

本发明属于硬脆材料的超精密加工技术领域，提供了一种蓝宝石衬底的高效混合磨料化学机械抛光液。该高效混合磨料化学机械抛光液包括混合磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水。化学机械抛光后，在105×141μm²的较大检测范围下，蓝宝石衬底的表面粗糙度Ra为0.530nm，材料去除速率为6.78μm/h。实现了蓝宝石衬底的超高材料去除速率和无损伤的亚纳米级表面粗糙度的化学机械抛光。

Description

一种蓝宝石衬底的高效混合磨料化学机械抛光液

技术领域

本发明属于硬脆材料的超精密加工技术领域，特别涉及到一种用于蓝宝石衬底的混合磨料化学机械抛光液。

背景技术

蓝宝石，俗称“刚玉”，主要成分为Al₂O₃。蓝宝石在3～5μm波段的优异透光性和良好的抗冲击、强度、刚度、良好的高温稳定性能，使其广泛应用于航空、军事、光学仪器等领域。其中，α相单晶蓝宝石已经成为GaN基光电器件的主要衬底材料，在发光二极管(LED)行业中发挥着巨大作用。随着技术的不断进步，对蓝宝石产品的要求越来越高，包括蓝宝石的厚度更薄，表面缺陷的尺寸更小，表面缺陷的数量更少。然而，蓝宝石的高硬度(莫氏硬度为9，仅次于金刚石)、高稳定性导致其材料去除率低、加工困难、加工成本高。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，实现蓝宝石的高效超精密无损伤加工便至关重要。

化学机械抛光技术作为目前唯一可以提供纳米级全局平面化的超精密加工技术，是对蓝宝石衬底进行加工，实现在较低成本下获得较低的表面粗糙度和较高的材料去除速率的较好选择。但是，由于目前用于抛光蓝宝石的化学机械抛光液中多采用单一磨料，材料去除速率较低。此外，抛光液中多采用强酸、强碱、含有金属粒子的盐以及有毒试剂。强酸、强碱和毒性试剂对环境和操作人员的身体健康存在严重危害且不符合绿色环保的现代加工理念；抛光液中的金属离子极易残留在衬底表面，降低产品的可靠性，增加了化学机械抛光后清洗的成本。因此，采用一种混合磨料、无毒、环保且不含金属粒子添加剂的化学机械抛光液，能够提高材料去除速率，在较大测量范围(105×141μm²)实现超光滑无损伤表面的超精密加工。

发明内容

本发明针对目前蓝宝石衬底化学机械抛光液中存在的问题，提出了一种新型混合磨料化学机械抛光液。该抛光液成分包括：混合磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水，能够实现蓝宝石衬底的高材料去除速率和超光滑无损伤超精密加工。

本发明的技术方案：

一种蓝宝石衬底的高效混合磨料化学机械抛光液，其成分包括：混合磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水。混合磨粒为氧化硅、α-氧化铝、氧化铈中的一种(不同粒径)或两种以上混合，平均粒径为20～100nm，重量百分比为5～15％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯月桂醚、辛基酚聚氧乙烯醚中的一种或两种以上混合，重量百分比为0.1～2％；螯合剂为山梨醇、酒石酸、柠檬酸中的一种或两种以上混合，重量百分比为0.1～2％；pH调节剂为氨甲基丙醇、二乙醇胺、四甲基乙二胺中的一种或两种以上混合，调节抛光液pH为9～11。本发明实现了蓝宝石衬底的超高材料去除速率和无损伤的亚纳米级表面粗糙度的化学机械抛光。

选择氧化硅、α-氧化铝和氧化铈磨料中的一种(不同粒径)或多种混合作为抛光液的基础组分，是因为其抛光性能较好，制备技术较成熟。采用混合磨料是因为粒径或硬度较大的磨粒可以快速去除蓝宝石衬底表面的微观突起，提高材料去除速率；粒径或硬度较小的磨粒可以去除残余的表面划痕和损伤，实现蓝宝石衬底表面的超光滑无损伤加工。

选择脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯月桂醚和辛基酚聚氧乙烯醚中的一种或两种混合作为表面活性剂，是因为其能够较好的降低抛光液的表面张力，改善抛光液的流动性，使胶体颗粒分散均匀，提高磨料粒子在抛光液中的稳定性。

选择山梨醇、酒石酸和柠檬酸中的一种或者两种混合作为螯合剂，是因为其能够有效的与抛光过程中产生的游离金属粒子发生螯合反应，生成稳定的不易解离的物质，有效避免了游离金属粒子吸附在衬底表面对后续生长材料稳定性造成的不利影响，同时也降低了化学机械抛光后清洗的成本。

选择氨甲基丙醇、二乙醇胺、四甲基乙二胺中的一种或两种混合作为pH调节剂，是因为其均为有机弱碱，能够维持抛光液系统的pH稳定。此外，这些有机碱均不含金属粒子，金属粒子易吸附在衬底表面，导致后续在衬底表面生长材料的稳定性较差。

一种蓝宝石衬底的高效混合磨料化学机械抛光方法，包含以下步骤：

第一步，配置化学机械抛光液：

(1)室温下，将一种磨料(粒径不同)或多种磨料按一定质量比混合；

(2)加入一定质量的表面活性剂和螯合剂；

(3)加入pH调节剂，调节抛光液pH为9～11，在超声设备中振荡10min，即得所需化学机械抛光液；

第二步，使用磨砂革抛光垫对蓝宝石衬底进行化学机械抛光；

第三步，将抛光后的蓝宝石衬底置于酒精中超声清洗3～5min，然后用压缩气体吹干。

化学机械抛光后，对蓝宝石衬底表面进行测试表征并进行材料去除速率计算。在105×141μm²的较大测量范围下，抛光后的蓝宝石衬底表面粗糙度Ra为0.53nm，达到了亚纳米级表面粗糙度；材料去除率达到6.78μm/h。

本发明的效果和益处是采用一种新型混合磨料化学机械抛光液，抛光液分散均匀，体系pH值稳定，抛光速率较快且无毒无污染。抛光后，蓝宝石衬底在105×141μm²较大测量范围下表面粗糙度R_a可达0.530nm，材料去除率速率达到6.78μm/h。实现了蓝宝石衬底的超高材料去除速率和无损伤的亚纳米级表面粗糙度的化学机械抛光。

附图说明

图1为混合磨料化学机械抛光液中混合磨粒分布TEM图。

图2为使用混合磨料化学机械抛光液抛光后石蓝宝石衬底表面粗糙度的测量结果，表面粗糙度Ra值为0.530nm、rms值为0.661nm、PV值为5.814nm。

图3为使用单一磨粒化学机械抛光液抛光后石蓝宝石衬底表面粗糙度的测量结果，表面粗糙度Ra值为0.606nm、rms值为0.764nm、PV值为7.801nm。

图4为使用单一磨粒化学机械抛光液抛光后石蓝宝石衬底表面粗糙度的测量结果，表面粗糙度Ra值为0.643nm、rms值为0.827nm、PV值为7.198nm。

图5为单一磨料和混合磨料的材料去除速率及粗糙度对比图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

加工样品为α-蓝宝石，在UNIPOL-1200S自动压力研磨抛光机上进行化学机械抛光，除抛光液不同外，其他工艺参数均相同。抛光后使用酒精进行超声清洗3min，并用压缩气体吹干。使用精密天平称量抛光前后的质量，计算材料去除速率；使用ZYGO Newview5022白光干涉仪检测蓝宝石衬底表面粗糙度，测量范围为105×141μm²。

实施例1

抛光液各主要成分及含量：磨料为固含量相同的25nm和90nm氧化硅磨料按照3:1的重量比例进行混合，含量为10％；表面活性剂为聚氧乙烯月桂醚，含量为0.5％；螯合剂为山梨醇，含量为0.5％，pH调节剂为氨甲基丙醇，调节pH为10.5。

抛光后的蓝宝石衬底表面粗糙度Ra值为0.530nm、rms值为0.661nm、PV值为5.814nm(见图2)，材料去除率为6.78μm/h。。

实施例2

抛光液各主要成分及含量：磨料为氧化硅磨料，粒径为25nm，含量为10％；表面活性剂为聚氧乙烯月桂醚，含量为0.5％；螯合剂为山梨醇，含量为0.5％，pH调节剂为氨甲基丙醇，调节pH为10.5。

抛光后的蓝宝石衬底表面粗糙度Ra值为0.606nm、rms值为0.764nm、PV值为7.801nm(见图3)，材料去除率为3.18μm/h。

实施例3

抛光液各主要成分及含量：磨粒为氧化硅磨粒，粒径为90nm，含量为10％；表面活性剂为聚氧乙烯月桂醚，含量为0.5％；螯合剂为山梨醇，含量为0.5％，pH调节剂为氨甲基丙醇，调节pH为10.5。

抛光后的蓝宝石衬底表面粗糙度Ra值为0.643nm、rms值为0.827nm、PV值为7.198nm(见图4)，材料去除率为4.86μm/h。

Claims

1.一种蓝宝石衬底的高效混合磨料化学机械抛光液，其特征在于，该高效混合磨料化学机械抛光液包括混合磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水；混合磨粒为氧化硅、α-氧化铝、氧化铈中的一种或两种以上混合，平均粒径为20～100nm，重量百分比为5～15％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯月桂醚、辛基酚聚氧乙烯醚中的一种或两种以上混合，重量百分比为0.1～2％；螯合剂为山梨醇、酒石酸、柠檬酸中的一种或者两种以上混合，重量百分比为0.1～2％；pH调节剂为氨甲基丙醇、二乙醇胺、四甲基乙二胺中的一种或两种以上混合，调节抛光液pH为9～11。