TWI399427B

TWI399427B - 用以拋光藍寶石之組成物及使用此組成物拋光藍寶石的方法

Info

Publication number: TWI399427B
Application number: TW98111071A
Authority: TW
Inventors: Yu Lung Jeng
Original assignee: Crystalwise Technology Inc
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2013-06-21
Also published as: TW201037064A

Description

用以拋光藍寶石之組成物及使用此組成物拋光藍寶石的方法

本發明是有關於一種拋光組成物及使用此拋光組成物之拋光方法，且特別是有關於拋光藍寶石之組成物及使用此組成物之藍寶石的拋光方法。

發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)具有省電、壽命長、耐震及低發熱等多項優點，超高亮度之白/藍光LED，在未來將可取代現行之白熱燈泡與鹵素燈泡。超高亮度白/藍光LED的品質，取決於氮化鎵(GaN)的磊晶品質，而氮化鎵的磊晶品質，則與所使用的藍寶石基板表面加工的品質息息相關。

藍寶石相硬度高且熔點高，是一種相當難加工的脆性陶瓷材料。由於藍寶石(單晶三氧化二鋁)的晶體結構與氮化鎵相同，是製造白光/藍LED的關鍵材料之一。唯有平整的藍寶石晶圓加工表面，才能生長出品質極佳的高亮度的LED。

藍寶石具有極高之化學惰性(chemical inertness)，使用強酸或強鹼之化學拋光液，難以與其起有效之拋光效果。而使用高溫之強酸組合物，雖能有效地腐蝕藍寶石，卻具有高度的危險性，不適合於一般之加工環境，且仍不能達到表面平坦度與粗糙度的要求。

藍寶石之莫氏硬度高達9度，利用極高硬度的磨粒來進行研磨拋光，亦無法有效達成較高之磨除速率。而且，純粹機械作用的研磨拋光，晶圓表面會產生機械性的刮傷，表面品質無法符合磊晶製程的要求。

習知的藍寶石拋光製程是由(1)硬拋光、(2)細拋光以及(3)精拋光等三道製程所構成。其中硬拋光製程是在金屬盤面上利用高硬度的磨粒如鑽石以研磨藍寶石晶圓，但是由於此製程所使用的磨粒硬度高，容易造成晶圓表面刮痕、粗糙度差且損傷層深等問題。細拋光製程是在軟墊材質上進行研磨，其目的是用來移除晶圓上的大部分刮傷、損傷層，並改善表面粗糙度，然而，由於細拋光製程的移除速率慢，因此需要耗費較多的處理時間。精拋光製程是在軟墊材質上進行研磨，其目的則是在完全移除晶圓表面的缺陷。

然而，習知的拋光製程在由硬拋光製程移行至細拋光製程時必須轉換拋光機台，並且在此兩個拋光製程的拋光時間並不一致，再加上細拋光製程需要較長的處理時間，因此整體而言，目前的拋光製程較為繁雜且耗時。

本發明提供一種拋光藍寶石的組成物及方法，其可簡化拋光製程並縮短拋光時間，有助於節省成本以及提昇產率。

本及其餘為水，以組成物之總重量為基準。

本發明又提出一種藍寶石的拋光方法，此方法包括提供一組成物。此組成物包括：10至60重量百分比的奈米級磨粒；5至40重量百分比的微米級磨粒；10至1000ppm的界面活性劑；10至1000ppm的分散劑；5至50重量百分比的吸熱劑；pH調整劑；以及其餘為水。之後，以組成物對藍寶石進行拋光。

依照本發明實施例所述，上述之藍寶石的拋光方法中，藍寶石的轉速為120至200rpm。

依照本發明實施例所述，上述之藍寶石的拋光方法中，組成物的流量為30~50毫升/分鐘。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，奈米級磨粒之材質包括金屬氧化物。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁或三氧化二鐵。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，奈米級磨粒為矽溶膠(colloidal silica)。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，奈米級磨粒之一次粒徑範圍為10nm至250nm。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，奈米級磨粒之一次粒徑範圍為60nm至120nm。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒之材質包括金屬氧化物、碳化物或氮化物。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁、三氧化二鐵；前述碳化物包括鑽石、碳化矽、碳化硼、碳化鎢、碳化鈦、碳化鋯或碳化釩；前述氮化物包括氮化矽、氮化硼、氮化碳、氮化鈦或氮化鋯。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒包括三氧化二鋁、鑽石、碳化矽或氮化硼。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒的莫氏硬度大於二氧化矽的莫氏硬度。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒的莫氏硬度大於8。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒的莫氏硬度大於9。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒為等軸(equiaxed)粒子。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒的形狀為次粒狀或次圓狀。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒之一次粒徑範圍為0.5μm至50μm。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，微米級磨粒之一次粒徑範圍為1μm至6μm。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，界面活性劑包括非離子型界面活性劑。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，非離子型界面活性劑包括烷芳基聚醚醇(alkylaryl polyether alcohol)、胺聚乙二醇聚縮合物(amine polyglycol condensate)、聚乙氧加成物(polyethoxy adduct)、改質之聚乙氧化醇類(modifiedpolyethoxylated alcohol)或是改質的乙氧基化合物(modified ethoxylate)。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，吸熱劑包括乙二醇(ethylene glycol)1、甲醇(methanol)、聚乙二醇(polyethylene glycol)、丙二醇(propylene glycol)。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，分散劑包括三乙醇胺(triethanolamine)、丙烯酸聚合物(acrylic polymer)或其鹽類、乙醇乙氧基化物(alcohol ethoxylate，AE)、或是其混合物。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，pH調整劑包括胺化合物、鹼金族金屬之氫氧化物或氨水。

依照本發明實施例所述，上述之用於拋光藍寶石之組成物以及藍寶石的拋光方法中，pH調整劑使前述組成物達到pH=9至12。

本發明之拋光藍寶石的組成物及方法，其可以將以往的硬拋光製程與細拋光製程簡化為一道細拋光製程，因此能夠使製程簡化並節省成本。

本發明之拋光藍寶石的組成物及方法，與以往的硬拋光製程與細拋光製程相較之下可以縮短拋光時間，因此能夠提高產能。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明提出一種用於拋光藍寶石之組成物，其包括奈米級磨粒、微米級磨粒、界面活性劑、分散劑、吸熱劑以及pH調整劑。更具體地說，本發明之用於拋光藍寶石的組成物包括：10至60重量百分比的奈米級磨粒；5至40重量百分比的微米級磨粒；10至1000ppm的界面活性劑；10至1000ppm的分散劑；5至50重量百分比的吸熱劑；pH調整劑，其餘為水。在說明書中，所述的重量百分比是以組成物之重量為基準來計算的。

奈米級磨粒的作用是藉由機械力激發其與藍寶石表面的化學作用，以反應形成質地較軟的鋁化合物反應層。在一實施例中，奈米級磨粒之一次粒徑範圍為10奈米(nm)至200nm。在另一實施例中，奈米級磨粒之一次粒徑範圍為60nm至120nm。當奈米級磨粒之一次粒徑太大時(例如：大於200nm)，所拋光的藍寶石表面之品質不佳。當奈米級磨粒之一次粒徑小於10nm時，拋光的速度將會過低。

在一實施例中，奈米級磨粒之含量範圍為10至60重量百分比(wt%)。當奈米級磨粒之含量範圍低於10時，移除效果不佳，甚至無移除效果。當奈米級磨粒之含量範圍高於60重量百分比時，對移除速率之提昇無助益，且成本高。奈米級磨粒之材質包括金屬氧化物。金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁或三氧化二鐵。在一實施例中，奈米級磨粒為矽溶膠。

微米級磨粒的作用是藉由硬度與尺寸較大的磨粒，有效率的將所形成的質地較為鬆軟的反應層移除。在一實施例中，微米級磨粒之一次粒徑範圍為0.5微米(μm)至50μm。在另一實施例中，微米級磨粒之一次粒徑範圍為1μm至6μm。當微米級磨粒之一次粒徑太大時(例如：大於50μm)，會在晶圓表面產生刮痕。當微米級磨粒之一次粒徑小於0.5μm時，則反應層的移除率會較低。

在一實施例中，微米級磨粒之含量範圍為5至40重量百分比(wt%)。當微米級磨粒之含量範圍低於5時，則移除率之改善會不顯著。當微米級磨粒之含量範圍高於40重量百分比時，則移除率之提升不會進一步地改善，且可能造成晶圓表面刮傷。微米級磨粒之材質包括金屬氧化物、碳化物或氮化物。金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁、三氧化二鐵；碳化物包括鑽石、碳化矽、碳化硼、碳化鎢、碳化鈦、碳化鋯或碳化釩；氮化物包括氮化矽、氮化硼、氮化碳、氮化鈦或氮化鋯。在一實施例中，微米級磨粒為三氧化二鋁、鑽石、碳化矽或氮化硼。

在一實施例中，微米級磨粒之莫氏硬度大於二氧化矽的莫氏硬度。在另一實施例中，微米級磨粒之莫氏硬度大於8。在又一實施例中，微米級磨粒之莫氏硬度大於8。當微米級磨粒之莫氏硬度小於二氧化矽的莫氏硬度時，移除效果不佳。

在一實施例中，微米級磨粒為等軸(equiaxed)粒子。在另一實施例中，微米級磨粒的形狀為次粒狀或次圓狀。當微米級磨粒具有上述形狀時，可降低磨粒在晶圓表面產生深刮痕的機率。

界面活性劑可幫助拋光時之盤面降溫。在一實施例中，界面活性劑含量範圍為10至1000ppm。含量低於10ppm時，所能降的盤面溫度非常有限。當界面活性劑含量高於1000ppm時，會產生泡沫，導致移除率下降。界面活性劑包括非離子型界面活性劑，例如是烷芳基聚醚醇(alkylaryl polyether alcohol)、胺聚乙二醇聚縮合物(amine polyglycol condensate)、聚乙氧加成物(polyethoxy adduct)、改質之聚乙氧化醇類(modified polyethoxylated alcohol)或是改質的乙氧基化合物(modified ethoxylate)。

分散劑有助於奈米級磨粒之懸浮穩定性，且有助於移除量之均勻性。分散劑的含量為10至1000ppm。當分散劑的含量低於10ppm時，會造成奈米級磨粒之懸浮穩定性不足。當分散劑的含量高於1000ppm時，會導致移除率下降。分散劑包括三乙醇胺(triethanolamine)、丙烯酸聚合物(acrylic polymer)或其鹽類、乙醇乙氧基化物(alcohol ethoxylate，AE)、或是其混合物。

吸熱劑則可進一步幫助拋光時之盤面降溫。吸熱劑的含量為5至50重量百分比。吸熱劑含量低於5重量百分比時，所能降的盤面溫度非常有限。當界面活性劑含量高於50重量百分比時，不會進一步協助降低盤面溫度。吸熱劑包括醇類如乙二醇(ethylene glycol)、甲醇(methanol)、聚乙二醇(polyethylene glycol)、丙二醇(propylene glycol)。

pH調整劑用來調整組成物的pH值，當組成物之pH調整在9至12左右的話，則可以提供有效、且可控制之移除速率。pH調整劑包括胺化合物、鹼金族金屬之氫氧化物或氨水。在一實施例中，pH調整劑為四甲基氫氧化銨(tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH)或氫氧化鉀。

水可以是去離子水或是純水等。

在進行藍寶石晶圓片的拋光時，可以以上述之組成物作為拋光液，或是藉由水稀釋。在進行拋光時。拋光液流量約為30~50毫升/分鐘(ml/min)。拋光台轉速約為120至200rpm。拋光的時間約為120分鐘。

【實例】

將藍寶石晶圓片以習知的硬拋光製程加上細拋光製程進行研拋。並將藍寶石晶圓片以本發明的細拋光製程進行研拋。其中拋光製程的參數設定如表1所示，拋光至預定時間的移除量如表2所示。表3所示為本實例所使用之拋光液的基本物理性質。

由以上表2的結果可知，雖然本發明的細拋光製程的移除量略小於習知硬拋光製程加細拋光製程的移除量，但是兩者之間的差異量並不大，在時間方面則能看見明顯的縮減，並且本發明可以省卻硬拋光製程，因此能夠省卻與硬拋光製程相關的各種成本。

簡而言之，以本發明之組成物或經由稀釋後來作為拋光液以進行拋光的話，可以省卻習知的硬拋光製程，因此拋光製程可以簡化，有助於節省成本。而且本發明的細拋光製程相較於習知的硬拋光製程加細拋光製程可以縮短拋光時間，因此有助於產率的提昇。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種用於拋光藍寶石之組成物，包括：10至60重量百分比的奈米級磨粒；5至40重量百分比的微米級磨粒；10至1000ppm的界面活性劑；10至1000ppm的分散劑；5至50重量百分比的吸熱劑；pH調整劑；以及其餘為水，以前述組成物之總重量為基準。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述奈米級磨粒之材質包括金屬氧化物。
如申請專利範圍第2項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁或三氧化二鐵。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述奈米級磨粒為矽溶膠(colloidal silica)。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述奈米級磨粒之一次粒徑範圍為10 nm至250 nm。
如申請專利範圍第5項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述奈米級磨粒之一次粒徑範圍為60 nm至120 nm。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒之材質包括金屬氧化物、碳化物或氮化物。
如申請專利範圍第7項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁、三氧化二鐵；前述碳化物包括鑽石、碳化矽、碳化硼、碳化鎢、碳化鈦、碳化鋯或碳化釩；前述氮化物包括氮化矽、氮化硼、氮化碳、氮化鈦或氮化鋯。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒包括三氧化二鋁、鑽石、碳化矽或氮化硼。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒的莫氏硬度大於二氧化矽的莫氏硬度。
如申請專利範圍第10項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒的莫氏硬度大於8。
如申請專利範圍第11項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒的莫氏硬度大於9。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒之一次粒徑範圍為0.5 μm至50 μm。
如申請專利範圍第13項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒之一次粒徑範圍為1 μm至6 μm。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述界面活性劑包括非離子型界面活性劑。
如申請專利範圍第15項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述非離子型界面活性劑包括烷芳基聚醚醇(alkylaryl polyether alcohol)、胺聚乙二醇聚縮合物(amine polyglycol condensate)、聚乙氧加成物(polyethoxy adduct)、改質之聚乙氧化醇類(modified polyethoxylated alcohol)或是改質的乙氧基化合物(modified ethoxylate)。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述吸熱劑包括乙二醇(ethylene glycol)l、甲醇(methanol)、聚乙二醇(polyethylene glycol)、丙二醇(propylene glycol)。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述分散劑包括三乙醇胺(triethanolamine)、丙烯酸聚合物(acrylic polymer)或其鹽類、乙醇乙氧基化物(alcohol ethoxylate，AE)、或是其混合物。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述pH調整劑包括胺化合物、鹼金族金屬之氫氧化物或氨水。
如申請專利範圍第1項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述pH調整劑使前述組成物達到pH=9至12。
一種藍寶石的拋光方法，包括：提供一組成物，前述組成物包括：10至60重量百分比的奈米級磨粒； 5至40重量百分比的微米級磨粒；10至1000ppm的界面活性劑；10至1000ppm的分散劑；5至50重量百分比的吸熱劑；pH調整劑；以及其餘為水，以前述組成物之總重量為基準；以及以前述組成物對藍寶石進行拋光。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述奈米級磨粒之材質包括金屬氧化物。
如申請專利範圍第22項之藍寶石的拋光方法，其中前述金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁或三氧化二鐵。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述奈米級磨粒之一次粒徑範圍為10 nm至200 nm。
如申請專利範圍第24項之藍寶石的拋光方法，其中前述奈米級磨粒之一次粒徑範圍為60 nm至120 nm。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述微米級磨粒之材質包括金屬氧化物、碳化物或氮化物。
如申請專利範圍第26項之藍寶石的拋光方法，其中前述金屬氧化物包括二氧化矽、二氧化鈰、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鋅、二氧化錳、三氧化二鋁、三氧化二鐵；前述碳化物包括鑽石、碳化矽、碳化硼、碳化鎢、碳化鈦、碳化鋯或碳化釩；前述氮化物包括氮化矽、氮化硼、氮化碳、氮化鈦或氮化鋯。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述微米級磨粒包括三氧化二鋁、鑽石、碳化矽或氮化硼。
如申請專利範圍第21項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述微米級磨粒的莫氏硬度大於二氧化矽的莫氏硬度。
如申請專利範圍第29項之藍寶石的拋光方法，其中前述微米級磨粒的莫氏硬度大於8。
如申請專利範圍第30項之藍寶石的拋光方法，其中前述微米級磨粒的莫氏硬度大於9。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述微米級磨粒之一次粒徑範圍為0.5 μm至50 μm。
如申請專利範圍第32項之藍寶石的拋光方法，其中前述微米級磨粒之一次粒徑範圍為1 μm至6 μm。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述界面活性劑包括非離子型界面活性劑。
如申請專利範圍第34項之藍寶石的拋光方法，其中前述非離子型界面活性劑包括烷芳基聚醚醇(alkylaryl polyether alcohol)、胺聚乙二醇聚縮合物(amine polyglycol condensate)、聚乙氧加成物(polyethoxy adduct)、改質之聚乙氧化醇類(modified polyethoxylated alcohol)或是改質的乙氧基化合物(modified ethoxylate)。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述吸熱劑包括乙二醇(ethylene glycol)、甲醇(methanol)、聚乙二醇(polyethylene glycol)、丙二醇(propylene glycol)。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述pH調整劑包括胺化合物、鹼金族金屬之氫氧化物或氨水。
如申請專利範圍第21項之用於拋光藍寶石之組成物，其中前述pH調整劑使前述組成物達到pH=9至12。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述分散劑包括三乙醇胺(triethanolamine)、丙烯酸聚合物(acrylic polymer)或其鹽類、乙醇乙氧基化物(alcohol ethoxylate，AE)、或是其混合物。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述藍寶石的轉速為120至200 rpm。
如申請專利範圍第21項之藍寶石的拋光方法，其中前述組成物的流量為30~50毫升/分鐘。