CN116553701A - 碳化硅基板研磨液的再生方法 - Google Patents

碳化硅基板研磨液的再生方法 Download PDF

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Abstract

本公开的碳化硅基板研磨液的再生方法，包括下列步骤：(A)将废弃研磨液通过第一过滤单元，以获得滤液；(B)调整滤液中的过锰酸钾浓度及氧化铝浓度、调整滤液的pH、并调整滤液中氧化铝的粒径分布；以及(C)将调整后的滤液通过具有第一孔径的第二过滤单元，以获得再生研磨液。

Description

碳化硅基板研磨液的再生方法
技术领域
本公开提供一种研磨液的再生方法，尤其涉及一种碳化硅基板研磨液的再生方法。
背景技术
随着材料特性需求的提升，硬脆材料的成长幅度相当的惊人，为达到2050零碳排放的标准，电动车市场成长快速，而碳化硅芯片是电动车的重要组件，预计两台电动车就需要1片6时的碳化硅晶圆。此外，5G通讯、物联网、低轨道卫星、绿色能源发电，均需要应用到能耐高压/高电流/高功率的第三代半导体材料(例如，碳化硅、氮化镓等)。
目前常用的碳化硅研磨液中，除了包括研磨砥粒外，还包括过锰酸钾。然而，过锰酸钾对水生生物毒性非常大并具有长期持续影响；且锰金属为有害过渡金属，在废水的处理上需要使用大量的酸，对环境又是另一项危害。
有鉴于此，目前希望通过回收再利用的方式，有效降低取水量及废弃物处理成本，以有效落实循环经济及绿色化学的目标。
发明内容
本公开关于一种碳化硅基板研磨液的再生方法，其可将废弃的碳化硅基板研磨液恢复到新液的抛光功能。
本公开的碳化硅基板研磨液的再生方法，包括下列步骤：(A)将废弃研磨液通过第一过滤单元，以获得滤液；(B)调整滤液中的过锰酸钾浓度及氧化铝浓度、调整滤液的pH、并调整滤液中的氧化铝的粒径分布；以及(C)将调整后的滤液通过具有第一孔径的第二过滤单元，以获得再生研磨液。其中，过锰酸钾作为氧化剂，而氧化铝作为研磨砥粒。
在本公开的再生方法中，在步骤(A)中，通过将废弃研磨液通过第一过滤单元，可获得滤液。此步骤是将收集到的废弃研磨液进行纯化分离，以去除废弃研磨液中的大粒径砥粒及抛光过程中所产生的杂质(例如，切削的抛光垫、晶圆碎屑、机台内的污染物等)。其中，第一过滤单元的孔径可介于5μm至40μm之间。此外，第一过滤单元可为过滤膜或滤心。在本公开的一实施例中，第一过滤单元可为聚丙烯(Polypropylene，PP)滤心；但本公开并不仅限于此。在本公开的其他实施例中，第一过滤单元可为其他聚合物材料所制备的过滤膜或滤心，只要第一过滤单元的孔径在前述范围即可。
在本公开的再生方法中，在步骤(B)中，调整滤液中的过锰酸钾浓度及氧化铝浓度、调整滤液的pH、并调整滤液中的氧化铝的粒径分布的顺序可依照需求进行调整。举例来说，在本公开的一实施例中，步骤(B)可依次包括下列步骤：(B1)调整滤液中的过锰酸钾浓度及氧化铝浓度；(B2)调整滤液的pH；以及(B3)调整滤液中的氧化铝的粒径分布。在本公开的另一实施例中，步骤(B)可依次包括下列步骤：(B1’)调整滤液中的过锰酸钾浓度及氧化铝浓度；(B2’)调整滤液中的氧化铝的粒径分布；以及(B3’)调整滤液的pH。
在本公开的再生方法中，在步骤(B)中，可通过控制滤液中过锰酸钾的浓度调整其化学力。举例来说，可利用过锰酸钾氧化还原滴定，确认过锰酸钾氧化剂的浓度及回补量。在本公开的一实施例中，滤液中的过锰酸钾浓度可调整至0.5wt％至3.0wt％之间。在本公开的另一实施例中，滤液中的过锰酸钾浓度可调整至1.2wt％至3.0wt％之间。
在本公开的再生方法中，在步骤(B)中，可通过控制滤液中氧化铝的浓度调整其机械力。举例来说，可利用固成份分析，确认氧化铝研磨砥粒的浓度及回补量。在本公开的一实施例中，滤液中的氧化铝浓度可调整至1.0wt％至20.0wt％之间。在本公开的另一实施例中，滤液中的氧化铝浓度可调整至8.0wt％至18.0wt％之间。
在本公开的再生方法中，在步骤(B)中，滤液的pH可使用酸碱调节剂进行调整。在本公开的一实施例中，滤液的pH可调整至8至12之间。在本公开的另一实施例中，滤液的pH可调整至8.5至11之间。在此，可依据未调整前的滤液的pH选择适当的酸碱调节剂进行调整。举例来说，可利用氢氧化钾、氢氧化钠、氨水或其他酸碱调节剂来调整滤液的pH；但本公开并不仅限于此。
在本公开的再生方法中，在步骤(B)中，可通过控制滤液中氧化铝的粒径分布调整其机械力。举例来说，可利用粒径检测分析，来确认氧化铝研磨砥粒的大小及分布并进行粒径调整。在本公开的一实施例中，滤液中的氧化铝的粒径分布可调整至0.1μm至20μm之间。在本公开的另一实施例中，滤液中的氧化铝的D(v)99可调整至小于15μm，代表99％体积的氧化铝粒径是小于15μm。在本公开的再一实施例中，滤液中的氧化铝的D(n)50可调整至0.5μm至0.9μm之间，代表50％数目的氧化铝粒径是介于0.5μm至0.9μm之间。
在本公开的再生方法中，在步骤(C)中，通过将调整后的滤液通过具有第一孔径的第二过滤单元，可获得再生研磨液。此步骤可去除浆料中的软聚集砥粒，维持有效抛光砥粒的粒径分布；且更可进一步去除会造成刮伤的大颗砥粒或在生产过程中所产生的杂质(例如，锆球、金属碎屑等)。其中，第二过滤单元的第一孔径可介于5μm至40μm之间。再者，第二过滤单元可为过滤膜或滤心。在本公开的一实施例中，第二过滤单元可为PP滤心；但本公开并不仅限于此。在本公开的其他实施例中，第二过滤单元可为其他聚合物材料所制备的过滤膜或滤心，只要第二过滤单元的第一孔径在前述范围即可。
在本公开的再生方法中，在步骤(C)中，也可通过将调整后的滤液先通过具有第二孔径的第三过滤单元后，再通过具有第一孔径的第二过滤单元，以获得再生研磨液，其中第一孔径不同于第二孔径。在本公开的一实施例中，第二孔径可大于第一孔径。此外，在本公开的一实施例中，第二过滤单元与第三过滤单元可以串联的方式设置。
在此，通过具有第二孔径的第三过滤单元进行第一段过滤，可有效去除浆料中的软聚集砥粒，维持有效抛光砥粒的粒径分布。此外，更通过具有第一孔径的第二过滤单元进行第二段过滤，可进一步去除会造成刮伤的大颗砥粒或在生产过程中所产生的杂质(例如，锆球、金属碎屑等)。
在本公开的再生方法中，第二过滤单元的第一孔径及材质如前所述，而不再赘述。此外，第三过滤单元的第二孔径可介于30μm至80μm之间。再者，第三过滤单元可为过滤膜或滤心。在本公开的一实施例中，第三过滤单元可为PP滤心；但本公开并不仅限于此。在本公开的其他实施例中，第三过滤单元可为其他聚合物材料所制备的过滤膜或滤心，只要第三过滤单元的第二孔径在前述范围即可。
在本公开的再生方法中，在步骤(C)中，调整后的滤液可如前述通过一个或两个过滤单元，但本公开并不仅限于此。在本公开的其他实施例中，调整后的滤液可通过三个以上过滤单元，依据需求而定；其中，调整后的滤液通过的过滤单元的粒径可依次缩小。
在本公开的再生方法中，在步骤(C)后可更选择性的包括步骤(D)：检测所得再生研磨液中的氧化铝及过锰酸钾。通过此步骤，可确认所得到的再生研磨液是否符合碳化硅基板研磨的需求。
在本公开的再生方法中，通过步骤(A)至步骤(C)，可得到再生研磨液，其可包括：氧化铝，含量介于1.0wt％至20.0wt％之间；过锰酸钾，含量介于0.5wt％至3.0wt％之间；酸碱调节剂；以及余量的水。
在本公开的再生方法中，无须进行浓缩制程，且无须使用纳米级孔径的超滤单元(孔径为0.1μm以下)，而是使用不同微米级孔径的过滤单元。此外，本公开的再生方法以在低浓度的废弃研磨液中回补高浓度的氧化铝浆料或氧化铝粉末，及回补高浓度的过锰酸钾溶液或过锰酸钾粉末，通过调整废弃研磨液的成分及研磨砥粒氧化铝的粒径，而使再生研磨液恢复到新液的抛光效能。
下文将结合附图并详细说明，使本公开的其他目的、优点、及新颖特征更明显。
附图说明
图1为本公开的再生碳化硅基板研磨液的流程图。
图2为本公开一实施例的再生碳化硅基板研磨液的流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施例说明本公开的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本公开的其他优点与效果。本公开亦可通过其他不同的具体实施例加以实施或应用，本说明书中的各项细节亦可针对不同观点与应用，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
除非文中另有说明，否则说明书及权利要求书中所使用的单数形式「一」及「该」包括一或复数个体。
此外，在本文中，“约”的用语通常表示在一给定值或范围的±20％内，或±10％内，或±5％内，或±3％之内，或±2％之内，或±1％之内，或±0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”的情况下，仍可隐含“约”之含义。
本公开将通过实施例更具体地说明，但该等实施例并非用于限制本公开的范畴。除非特别指明，在下列实施例与比较例中，温度为摄氏温度，份数及百分比系以重量计。重量份数和体积份数的关系就如同公斤和公升的关系。
图1为本公开的再生碳化硅基板研磨液的流程图。
首先，进行步骤A，将废弃研磨液通过第一过滤单元，以获得滤液。而后，进行步骤B，调整该滤液中的过锰酸钾浓度及氧化铝浓度、调整该滤液的pH、并调整该滤液中的氧化铝的粒径分布。接着，进行步骤C，将调整后的该滤液通过具有第一孔径的第二过滤单元，以获得再生研磨液。接着，将参考图1详细说明本公开的废弃研磨液再生的实施例。
废弃研磨液再生
图2为本公开一实施例的再生碳化硅基板研磨液的流程图。请同时参阅图1及图2。
首先，进行步骤S1，回收废弃研磨液；再进行步骤S2，将所得到的废弃研磨液进行纯化分离，得到滤液。在此，利用孔径约为20μm的PP滤心进行过滤，以去除回收废弃研磨液中大粒径砥粒及抛光过程中所产生的杂质，例如：切削的抛光垫、晶圆碎屑、机台内的污染物等。其中，图2的步骤S2可对应至图1的步骤A，而步骤S2所使用的PP滤心可对应至图1步骤A的第一过滤单元。
而后，进行步骤S3，利用定性及定量分析，确认滤液中的组成。其中，可先进行步骤S31，利用过锰酸钾氧化还原滴定，确认滤液中氧化剂过锰酸钾的浓度并确定氧化剂回补量；再通过添加过锰酸钾，以使滤液中过锰酸钾的浓度可回补至0.5～3.0wt％。其中，图2的步骤S31可对应至图1的步骤B，特别是对应至步骤B的调整滤液中的过锰酸钾浓度。
接着，进行步骤S32，利用固成分分析，确认滤液中氧化铝研磨砥粒的浓度并确定研磨砥粒的回补量。在此，可利用红外线水份分析仪，确认滤液中研磨砥粒的浓度，并将氧化铝研磨砥粒的浓度回补至1.0～20.0wt％。其中，图2的步骤S32可对应至图1的步骤B，特别是对应至步骤B的调整滤液中的氧化铝浓度。
而后，进行步骤S33，利用pH计，确认前述步骤所得的滤液中的pH，并利用酸碱调节剂将pH调整至8.0～12.0。在此，使用氢氧化钾调整滤液的pH。其中，图2的步骤S33可对应至图1的步骤B，特别是对应至步骤B的调整滤液的pH。
接着，进行步骤S34，利用粒径分析，确认滤液中氧化铝研磨砥粒的粒径大小及分布，并进行粒径调整。在此，通过添加适量的研磨砥粒，使滤液中的研磨砥粒的粒径的D(n)50调整至约0.7μm，而D(v)99调整至小于15μm。其中，图2的步骤S34可对应至图1的步骤B，特别是对应至步骤B的调整滤液中的氧化铝的粒径分布。
在此，依次进行S31至S34；但在本公开的其他实施例中，S31至S34的顺序可依据需求进行调整，而不限于图2所示的顺序。
而后，使用串联的两个PP滤心，依次进行步骤S4及S5。在步骤S4中，使用孔径约为50μm的PP滤心进行第一段过滤，以去除滤液中的软聚集砥粒，维持有效抛光砥粒的粒径分布。在步骤S5中，使用孔径约为20μm的PP滤心进行第二段过滤，以去除会造成刮伤的大颗砥粒或在生产过程中所产生的杂质，例如：锆球、金属碎屑等。然而，在本公开的其他实施例中，也可省略步骤S4，而直接进行步骤S5。其中，图2的步骤S5可对应至图1的步骤C，而步骤S5所使用的20μm的PP滤心可对应至图1步骤C的具有第一孔径的第二过滤单元。
经由前述步骤后，可得到本实施例的碳化硅基板再生研磨液。此外，可再进行步骤S6，对再生研磨液进行有效成分的确认，以确认所得的再生研磨液可应用于碳化硅基板研磨中。
抛光测试
利用SpeedFAM 36 GPAW机台进行抛光测试，抛光垫选用SUBA 800，压力为330g/cm2，下盘转速为50RPM；研磨液的循环流速10升/分钟。此外，待抛光基板为4时的4H-SiC芯片。
碳化硅移除量(μm)可利用万分表进行量测，分别检测抛光前后碳化硅芯片的厚度，再计算其差值(单位μm)，并通过计算碳化硅移除速率(RR，单位μm/h)。
此外，将新配制的研磨液的移除速率定为100％，再将回收的废弃研磨液及回收重制后的再生研磨液的移除速率与新配制研磨液的移除速率进行比较。
再者，利用Dimension EdgeTM原子力显微镜进行量测抛光后的碳化硅基板的表面粗糙度(Ra，单位)。
实施例1至3
利用前述步骤S1至S6，将回收的废弃研磨液进行处理，可得到实施例1至3的再生研磨液；并通过前述的抛光测试，以实施例1至3的再生研磨液对碳化硅基板进行抛光。实施例1至3的再生研磨液组成及抛光结果如下表1所示。
比较例1
比较例1的研磨液为10wt％的氧化铝溶液，其组成及抛光结果如下表1所示。
表1
如表1的结果显示，实施例1至3所得的再生研磨液，具有良好的抛光功能。
实施例4
将氧化铝研磨砥粒、过锰酸钾依据下表2及表3的比例进行配制，可得到新研磨液。而后，将所得的新研磨液以前述抛光测试所述的步骤进行碳化硅基材的抛光，可得到废弃研磨液。最后，再利用前述步骤S1至S6，将回收的废弃研磨液进行处理，可得到再生研磨液；并通过前述的抛光测试，以所得的再生研磨液对碳化硅基板进行抛光。新研磨液与再生研磨液的物性分析结果如下表2所示；而新研磨液、废弃研磨液及再生研磨液组成及抛光结果如下表3所示。
表2
新研磨液 再生研磨液
外观 紫色悬浮液 紫色悬浮液
pH 8.5～11.0 9.4
固含量(wt％) 11.0～12.5 11.5
Dn50(μm) 0.5～0.9 0.7
由表2的结果显示，废弃研磨液经回收重制后，所得到的再生研磨液具有与新研磨液相似的物性。
表3
新研磨液 废弃研磨液 再生研磨液
固含量(wt％) 11.5 6.6 11.5
氧化铝(wt％) 10.2 5.8 10.3
过锰酸钾(wt％) 1.3 0.8 1.2
RR(μm/h) 2.43 1.80 2.48
RR(％) 100.0％ 74.1％ 102.1％
由表3的结果显示，废弃研磨液经回收重制后，所得到的再生研磨液具有与新研磨液相似的抛光效能。
此外，分析使用新研磨液及再生研磨液研磨后的碳化硅基板的表面粗糙度(Ra)。新研磨液研磨后的碳化硅基板的Ra约为而再生研磨液研磨后的碳化硅基板的Ra约为/>小于/>再者，以光学显微镜观察再生研磨液研磨后的碳化硅基板表面，并无刮伤或明显的缺陷。此结果显示，所得到的再生研磨液具有与新研磨液相似的抛光效能。
综上所述，本公开的碳化硅基板研磨液的再生方法，利用配方回补及过滤的技术手段，可将废弃研磨液恢复到与新液相似的抛光功能。因此，可有效减少废水及废弃物的产出，有效落实循环经济及绿色化学的目标。
尽管本公开已通过多个实施例来说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅基板研磨液的再生方法，包括下列步骤：
(A)将废弃研磨液通过第一过滤单元，以获得滤液；
(B)调整所述滤液中的过锰酸钾浓度及氧化铝浓度、调整所述滤液的pH、并调整所述滤液中的氧化铝的粒径分布；以及
(C)将调整后的所述滤液通过具有第一孔径的第二过滤单元，以获得再生研磨液。
2.根据权利要求1所述的再生方法，其中，在步骤(A)中，所述第一过滤单元的孔径是介于5μm至40μm之间。
3.根据权利要求1所述的再生方法，其中，在步骤(B)中，所述滤液中的过锰酸钾浓度是调整至0.5wt％至3.0wt％之间。
4.根据权利要求1所述的再生方法，其中，在步骤(B)中，所述滤液中的氧化铝浓度是调整至1.0wt％至20.0wt％之间。
5.根据权利要求1所述的再生方法，其中，在步骤(B)中，所述滤液的pH是调整至8至12之间。
6.根据权利要求1所述的再生方法，其中，在步骤(B)中，所述滤液中的氧化铝的粒径分布是调整至0.1μm至20μm之间。
7.根据权利要求1所述的再生方法，其中，在步骤(C)中，所述第一孔径是介于5μm至40μm之间。
8.根据权利要求1所述的再生方法，其中，在步骤(C)中，是将调整后的所述滤液先通过具有第二孔径的第三过滤单元后，再通过具有所述第一孔径的所述第二过滤单元，以获得所述再生研磨液，其中所述第一孔径不同于所述第二孔径。
9.根据权利要求8所述的再生方法，其中，在步骤(C)中，所述第二孔径是介于30μm至80μm之间。
10.根据权利要求1所述的再生方法，其中，所述再生研磨液包括：
氧化铝，含量介于1.0wt％至20.0wt％之间；
过锰酸钾，含量介于0.5wt％至3.0wt％之间；
酸碱调节剂；以及
余量的水。
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