TW201621022A - 研磨組成物及使用其之拋光方法 - Google Patents

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黃新義
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Abstract

本發明係有關於一種用於拋光藍寶石之研磨組成物，包括：(A)5至50重量百分比之研磨粒子；(B)0.01至5重量百分比之水溶性聚合物，其係由一乙二醇單體以及一丙二醇單體共聚而成之一共聚物；以及(C)餘量之水。該研磨組成物可改善於拋光製程後，研磨粒子之移除率，並提升經拋光之基板之表面品質。

Description

研磨組成物及使用其之拋光方法
本發明係關於一種用於拋光之研磨組成物及使用其之藍寶石拋光方法，尤指一種適用於藍寶石拋光製程之研磨組成物，以及使用其之藍寶石拋光方法。
半導體基板之製程中，需先行提供一平坦的基板表面，如矽晶圓或藍寶石基板，以利進行後續之製程。目前大多利用拋光製程或化學機械研磨製程(chemical mechanical polishing)以提供大面積基板表面全面性的平坦化。
藍寶石為氧化鋁(Al2O3)單晶材料之通用術語。藍寶石具有極好之化學穩定性、光學透明性及理想之機械性能，例如抗碎裂性、耐久性、抗劃傷性、抗輻射性、砷化鎵熱膨脹係數之良好匹配性及在高溫下之撓曲強度。因此，藍寶石基板常使用作為光電元件的材料，如光學透射視窗、發光二極體、微電子積體電路應用之基板、或超導化合物及氮化鎵生長之基板等。
然而，藍寶石具有極高的硬度特性，其莫氏硬度高達9度，僅次於鑽石之硬度10度，故其平坦化的程序 較佳係藉由拋光製程以進行。
習知之藍寶石拋光製程係包括不斷地將研磨漿料施加至待拋光之藍寶石晶圓表面，且同時用一旋轉式拋光墊對於研磨漿料施加之藍寶石晶圓表面進行拋光。一般而言，所使用之研磨漿料係包括一溶劑、一研磨粒子。而於拋光製程中，常會遭遇到如基板表面刮傷；或者因摩擦過熱而導致拋光墊脫膠等問題。一般而言，所使用之研磨漿料係由一溶劑及一研磨粒子所組成，而為了解決上述拋光製程之問題，常會於研磨漿料中添加不同的界面活性劑、吸熱劑、或分散劑等。
此外，於研磨製程後的清洗步驟中，常會遭遇到拋光漿料無法同時具有高移除率以及容易清洗的特性，因此，於研磨製程中所使用之研磨漿料係不斷地改良以解決上述之問題，並進一步地改善研磨速率以及產品的良率。
為了於藍寶石拋光製程後，使得所使用之研磨漿料具有高移除率以及容易清洗的特性，本發明係提供了一種新穎的用於拋光藍寶石之研磨組成物，其可包括(A)5至50重量百分比之研磨粒子；(B)0.01至5重量百分比之水溶性聚合物，其係由一乙二醇單體以及一丙二醇單體共聚而成之一共聚物；以及(C)餘量之水。
於本發明之一較佳實施態樣之研磨組成物 中，此外，該水溶性聚合物之含量係較佳為0.01至1重量百分比。
此外，該水溶性聚合物係較佳為由包括一乙二 醇單體以及一丙二醇單體共聚而成之一共聚物。該共聚物之平均分子量係500至50000，較佳為960至12000，其中，若該共聚物之平均分子量小於500，則無法達到高移除率以及容易清洗的特性，然而，若該共聚物之平均分子量大於12000，則可能大幅提高該研磨組成物之黏度，因而降低了研磨的效率。
且於該共聚物中，該乙二醇單體以及該丙二醇 單體之重量比並無特別的限制，然可為1：99至99：1，而其中，於該共聚物中，該乙二醇單體以及該丙二醇單體之重量比係較佳為10：90至90：10，更佳為15：85至85：15。
上述之水溶性聚合物可自行合成而獲得，或可 為商業化之產品，例如，該水溶性聚合物可購自中日合成化學(Sino-Japan Chemical Co.,LTD.)、或磐亞化學(Pan Asia Chemical Corporation)等供應商。
再者，該水溶性聚合物係一種由乙二醇單體以 及丙二醇單體所聚合而成之該共聚物可為一非離子型共聚物，且該共聚物可為一嵌段共聚物、或一隨機共聚物。該共聚物可於拋光製程後，改善研磨粒子殘留的問題，使得該研磨組成物具有高移除率以及容易清洗的特性，因而獲得良好的拋光表面品質。
此外，於本發明一較佳實施態樣之研磨組成 物，其中，所使用之研磨粒子種類並無特別的限制，可為本領域中任一習知之研磨粒子，而該研磨粒子較佳可為至少一選自由氧化矽、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈰、及氧化鈦所組成之群組，較佳為一氧化矽粒子。該研磨粒子之粒徑範圍可為10至300nm；而其中係較佳50至180nm。其中，當研磨粒徑增大時，可提高研磨之速度，而當研磨粒徑減小時，可得到低缺陷且粗糙度小之研磨表面。
另外，於本發明一較佳實施態樣中，該研磨組成物之酸鹼值可為7至11，較佳可為8至10.5。
此外，於本發明所揭露之研磨組成物中，可視需求更進一步添加至少一添加劑，該添加劑可為至少一選自界面活性劑、分散劑、抗菌劑、抗結晶劑。舉例而言，該界面活性劑之添加可大幅降低研磨溫度，以避免於研磨過程中過熱而導致研磨墊脫膠或者影響經拋光基板受熱應力而產生形變；該分散劑之添加可確保研磨粒子於研磨組成物中均一的分布，以避免研磨粒子聚集而降低拋光之效率；該抗菌劑之添加可延長該研磨組成物之壽命，使得該研磨組成物得以穩定的保存；而抗結晶劑之添加可避免該研磨組成物於研磨墊上產生結晶。
本發明之另一目的在於提供一種藍寶石的拋光方法，該方法可包括：提供一研磨組成物，該研磨組成物係包括：(A)5至50重量百分比之研磨粒子；(B)0.01至5重量份之水溶性聚合物，其係由一乙二醇單體以及一丙二 醇單體共聚而成之一共聚物；以及(C)餘量之水；其中，該研磨組成物於進行拋光藍寶石後具有易清洗之特性。
圖1係本發明之清洗效率之評估範例。
[實施例1]
本實施例所提供之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.01重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比(EO/PO)為75：25，平均分子量(Mw)為3000；以及(C)餘量的水。
接者，使用上述所提供之研磨組成物以進行藍寶石基板的拋光程序，該拋光製程之參數係如下所示：拋光機台型號：SPEEDFAM 36GPAW
研磨墊：SUBA 800
拋光壓力：0.44kg/cm2
平台速度(platen speed)：70rpm
待研磨基板：4吋之C-plane藍寶石基板
溫度：45℃
於拋光製程後，接著係進行藍寶石基板之清洗步驟，該清洗步驟係包括：(a)於正常室溫下，將藍寶石基板浸入超純水中；(b)使用3M製造之一般海綿以及超純水 刷洗該藍寶石基板正反兩面各2分鐘；(c)將該藍寶石基板浸於超純水中，並使用超純水溢流5分鐘；(d)使用SPM清洗程序，於80℃下將該藍寶石基板浸於酸洗液H2SO4/H2O2(3：1)中並維持20分鐘；(e)接著將該藍寶石基板浸於超純水中，使用超純水溢流5分鐘；(f)使用SC1清洗程序，於80℃下將該藍寶石基板浸於鹼洗液NH3/H2O2/H2O(1：1：5)中並維持20分鐘；(g)將該藍寶石基板浸於超純水中，使用超純水溢流5分鐘；最後(h)利用N2去除藍寶石基板之水分，以完成本實施例之藍寶石拋光程序。
[實施例2]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為75：25，平均分子量為3000；以及(C)餘量的水。
[實施例3]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)5.0重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為75：25，平均分子量為3000；以及(C)餘量的水。
[實施例4]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為75：25，平均分子量為5000；以及(C)餘量的水。
[實施例5]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為75：25，平均分子量為12000；以及(C)餘量的水。
[實施例6]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為40：60，平均分子量為2900；以及(C)餘量的水。
[實施例7]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成 物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為20：80，平均分子量為2400；以及(C)餘量的水。
[實施例8]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為70：30，平均分子量為1500；以及(C)餘量的水。
[實施例9]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之乙二醇/丙二醇共聚物，其中乙二醇與丙二醇之含量比為28：72，平均分子量為960；以及(C)餘量的水。
[比較例1]
本比較例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；以及(C)20種量百分比的水。本比較例所使用之研磨組成物係不包括水溶性聚合物。
[比較例2]
本比較例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之聚丙烯酸，其平均分子量為2000；以及(C)餘量的水。
[比較例3]
本比較例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之聚乙二醇，其平均分子量為2250；以及(C)餘量的水。
[比較例4]
本比較例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之聚乙二醇，其平均分子量為3400；以及(C)餘量的水。
[比較例5]
本比較例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之聚丙二醇，其平均分子量為2000；以及(C)餘量的水。
[比較例6]
本比較例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之十二烷基三甲基溴化銨(Dodecyltrimethylammonium bromide)；以及(C)餘量的水。
[比較例7]
本比較例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate)；以及(C)餘量的水。
[比較例8]
本實施例之藍寶石拋光製程之參數以及清洗 步驟係與實施例1所述相同，其不同之處在於所使用之研磨組成物之組成不相同。於本實施例中，使用之研磨組成物係包括：(A)20重量百分比之研磨粒子；(B)0.1重量百分比之聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚，其中聚氧乙烯與聚氧丙烯之含量比為20：80，平均分子量為400；以及(C)餘量的水。
[拋光效率之評估1]-清洗效率
使用VISION PSYTEC公司製造之Micro Max VMX-2200XG檢查裝置，觀察清洗後的藍寶石基板表面。請 參照圖1所示之評級範例，其中，評級(○)係表示在視野中(10mm×14mm)觀察到殘留於藍寶石基板表面的髒污不多於50顆；評級(△)係表示在視野中觀察到殘留於藍寶石基板表面的髒污介於50~100顆；以及，評級(×)係表示在視野中觀察到殘留於藍寶石基板表面的髒污係大於100顆。而由本發明實施例1~9以及比較例1~8進行拋光以及清洗程序後之藍寶石基板，其清洗效率之評估結果係記載於表1中。
[拋光效率之評估2]-拋光表面品質
使用VISION PSYTEC公司製造之Micro Max VMX-2200XG檢查裝置，檢測使用本發明實施例1~4以及比較例1~7所製備之研磨組成物，進行拋光後的藍寶石基板表面品質。評級(○)係表示藍寶石基板表面刮傷的良率統計大於80%；評級(△)係表示藍寶石基板表面刮傷的良率統計係介於30%~80%；以及，評級(×)係表示藍寶石基板表面刮傷的良率統計小於30%。而由本發明實施例1~9以及比較例1~8進行拋光以及清洗程序後之藍寶石基板，其表面品質之評估結果係記載於表1中。
[拋光效率之評估3]-拋光速度
使用METTLER TOLEDO公司製造的精密電子天平ME303E量測使用本案實施例1~9以及比較例1~8所製備之研磨組成物進行拋光前以及拋光後的藍寶石基板重量，並以拋光前以及拋光後之藍寶石基板重量差異而計算及拋光速度，單位為μm/hr。而由本發明實施例1~9以及比較例1~8進行拋光以及清洗程序後之藍寶石基板，其拋光 速率計算結果係記載於表1中。
由表1所示之評估結果，可了解到當研磨組成物中所包括之水溶性聚合物係由一乙二醇單體以及一丙二醇單體共聚而成之一共聚物時(如實施例1~9)，其藍寶石基板於拋光以及清洗程序後皆可呈現優異的清洗效率以及表面品質，且可維持其研磨速度。反觀比較例，於研磨組成物中添加其他種類之水溶性聚合物(如聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙烯酸等)時，其藍寶石基板於拋光以及清洗程序後，難以同時達到優異的清洗效率以及表面品質。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims (10)

  1. 一種用於拋光藍寶石之研磨組成物，包括：(A)5至50重量百分比之研磨粒子；(B)0.01至5重量百分比之水溶性聚合物，其係由一乙二醇單體以及一丙二醇單體共聚而成之一共聚物；以及(C)餘量之水。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之研磨組成物，其中，該水溶性聚合物之含量係0.01至1重量百分比。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之研磨組成物，其中，該水溶性聚合物之平均分子量為500至50000。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之研磨組成物，其中，該水溶性聚合物之平均分子量為960至12000。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之研磨組成物，其中，該該水溶性聚合物係由一乙二醇單體以及一丙二醇單體共聚而成一嵌段共聚物、或一隨機共聚物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之研磨組成物，其中，該研磨粒子係至少一選自由氧化矽、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈰、及氧化鈦所組成之群組。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之研磨組成物，其中，該研磨粒子係一氧化矽。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之研磨組成物，其中，該研磨粒子之粒徑範圍為10至300nm。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之研磨組成物，其中，該研磨組成物之酸鹼值為7至11。
  10. 一種藍寶石之拋光方法，包括：提供一研磨組成物，該研磨組成物係包括：(A)5至50重量百分比之研磨粒子；(B)0.01至5重量份之水溶性聚合物，其係由一乙二醇單體以及一丙二醇單體共聚而成之一共聚物；以及(C)餘量之水；其中，該研磨組成物於進行拋光藍寶石後具有易清洗之特性。
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