專利名稱：一種藍(lán)寶石襯底化學(xué)機械拋光漿液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種化學(xué)機械拋光漿液，可有效應(yīng)用于藍(lán)寶石襯底的化學(xué)機械拋光，屬于化學(xué)機械拋光漿液領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
藍(lán)寶石，又稱白寶石，組成為α-Al2O3，透明，與天然寶石具有相同的光學(xué)特性和力學(xué)性能，有很好的熱特性，極好的電氣特性和介電特性，并且防化學(xué)腐蝕，對紅外線透過率高，耐磨性好，硬度僅次于金剛石，達莫氏9級，在高溫下仍具有較好的穩(wěn)定性，熔點為2030℃，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、科研、民用等領(lǐng)域，越來越多地用作固體激光、紅外窗口、半導(dǎo)體芯片的襯底片、發(fā)光二極管襯底片、精密耐磨軸承等高技術(shù)領(lǐng)域中零件的制造材料。藍(lán)寶石由于其硬度高且脆性大，機械加工困難。尤其對用于GaN生長的藍(lán)寶石襯底片精密加工技術(shù)更加復(fù)雜，是目前重點研究的難題。隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，光電產(chǎn)品對藍(lán)寶石襯底材料需求量的日益增加，同時隨著LED元件的不斷拓展，藍(lán)寶石已經(jīng)成為最重要的襯底材料之一，具有極大的國內(nèi)外市場需求。
目前國內(nèi)藍(lán)寶石批量生產(chǎn)的技術(shù)很不成熟，生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底片時產(chǎn)生裂痕和崩邊現(xiàn)象的比例比較高，占總數(shù)的5％～8％，其后的研磨和拋光工序中速率很低，加工常需數(shù)小時，并且加工后的藍(lán)寶石片表面劃痕較重，有20％左右的寶石片表面有粗深劃痕，需返工，重新研磨拋光，這樣就大大提高了藍(lán)寶石襯底片加工的成本。
因此，如何在提高藍(lán)寶石表面光潔度和全局平坦化質(zhì)量的同時并保證一定的藍(lán)寶石的拋光速率，是藍(lán)寶石加工處理中的一大難題。為此，提出了各種方案。
CN92100529.6公開的藍(lán)寶石加工工藝主要涉及到的是藍(lán)寶石的切割方法，切割后得到的特定結(jié)構(gòu)易于滿足藍(lán)寶石的光學(xué)要求，；CN03146936.1公開的藍(lán)寶石襯底減薄方法是一種通過對減薄過程包括粘片、粗磨、拋光、去蠟、清洗等各個步驟的優(yōu)化的方法，從而提高產(chǎn)品的成品率；但它們均未涉及到加工過程中藍(lán)寶石的加工速率以及表面情況。CN03114350.4公開的納米級藍(lán)寶石襯底的加工方法及其專用的由納米硅粉、乙二醇、甘油、乙醇氨以及去離子水構(gòu)成的拋光液，精拋后表面的粗糙度降到了20nm以下，達到了鏡面拋光效果；CN03141638.1公開的光學(xué)藍(lán)寶石晶體基片的研磨工藝，采用金剛石拋光液，并通過粗磨、精磨和拋光等工藝步驟，將產(chǎn)品合格率提高到了大于98.5％，基片的表面粗糙度降低到了小于0.3納米。雖然這些報道均涉及產(chǎn)品成品率的提高，并得到了較好的表面，但均未提及拋光速率，且前者表面粗糙度仍偏大。另外，Honglin Zhu等在Applied Surface Science 236(2004)120-130中提到了用α-Al2O3在堿性條件下對藍(lán)寶石進行拋光，得到了極好的表面，雖然表面粗糙度僅為0.3nm，但拋光速度卻僅為1.0mg/h(約為14.8nm/min)，拋光效率較低；王娟等在《電子工藝技術(shù)》26(2005)228-231中利用膠體SiO2，在優(yōu)化工藝條件后將拋光速率提高到了5μm/h(約為83.3nm/min)，但表面質(zhì)量未提及。
本申請發(fā)明人經(jīng)廣泛研究發(fā)現(xiàn)，采用基材粒子表面包覆工藝，在碳化硼表面包覆一層粒子構(gòu)成復(fù)合研磨粒子，利用該復(fù)合研磨粒子制成的化學(xué)機械拋光漿液，不僅可以得到極好的藍(lán)寶石表面光潔度和全局平坦化的質(zhì)量，而且擁有一定的拋光速率，有望可以有效地提高藍(lán)寶石的表面質(zhì)量和加工效率。從而引出本發(fā)明的目的和構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于拋光藍(lán)寶石的化學(xué)機械拋光漿液，其特征在于所述的化學(xué)機械拋光漿液包含一種復(fù)合研磨粒子、陰離子型表面活性劑、水性介質(zhì)及pH調(diào)節(jié)劑。
本發(fā)明提供的藍(lán)寶石襯底化學(xué)機械拋光漿液包含至少一種復(fù)合研磨粒子。藍(lán)寶石的組成為α-Al2O3，莫式硬度達到了9級，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐酸耐堿，在拋光時難以得到一定的拋光速率。在拋光時若僅使用單一傳統(tǒng)的研磨顆粒如SiO2、Al2O3、CeO2、ZrO2等雖然在各自不同的條件下，擁有很高的化學(xué)活性，在拋光時能夠很容易地與藍(lán)寶石表面的水化層形成化學(xué)交聯(lián)，但因為這些顆粒的莫式硬度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于藍(lán)寶石或者僅僅與其相當(dāng)，在拋光過程中形成的化學(xué)交聯(lián)產(chǎn)物難以及時地從藍(lán)寶石表面脫離下來，使拋光過程難以很順利地連續(xù)進行，因而難以得到一定的拋光速率；另外，如果使用的單一B4C(莫式硬度9.3)或者金剛石(莫式硬度10)等研磨顆粒，其硬度大于藍(lán)寶石本身的硬度，雖然在拋光過程中因為研磨顆粒的硬度較大，在研磨顆粒和藍(lán)寶石表面間有較強的物理作用，可以得到較高的拋光速率，但這種情況下拋光速率主要來源于研磨顆粒與襯底表面間強烈的物理切削作用，襯底常常很容易產(chǎn)生較深的劃痕，也即這種情況下的拋光速率是犧牲了襯底的表面質(zhì)量而得到的。因此為了在保證表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，同時得到一定的加工效率，本發(fā)明采用基材粒子表面包覆工藝，在碳化硼表面包覆一層粒子構(gòu)成復(fù)合研磨粒子，利用該復(fù)合研磨粒子制成的化學(xué)機械拋光漿液，使用了至少一種復(fù)合研磨粒子。復(fù)合研磨顆粒的包覆工藝包括在一個溶液體系中懸浮基質(zhì)粒子碳化硼，強力攪拌下引入第二種及以上包覆粒子，第二種包覆粒子可以原位生成或直接加入小粒子進行復(fù)合包覆，包覆工藝是在一定溫度攪拌條件下進行。
復(fù)合研磨粒子基于B4C顆粒的高硬度以及表面復(fù)合小顆粒的獨特的化學(xué)活性，在拋光過程中，復(fù)合粒子的表面小顆粒易于與藍(lán)寶石表面進行交聯(lián)，同時復(fù)合粒子的高硬度的B4C核能夠間接地對襯底施加物理作用，使交聯(lián)產(chǎn)物能及時地脫離襯底的表面，因此不僅能夠保證藍(lán)寶石在化學(xué)機械拋光時具有一定的拋光速率，還能有效地避免對襯底的劃痕，提高藍(lán)寶石拋后的表面質(zhì)量。所述的復(fù)合研磨粒子是由基材粒子碳化硼表面包覆一層粒子所構(gòu)成。其基材粒子為B4C，包覆的粒子選自SiO2、γ-Al2O3、α-Al2O3、CeO2或其混合物。
本發(fā)明提供的藍(lán)寶石襯底化學(xué)機械拋光漿液中復(fù)合研磨顆粒的含量為0.2-30wt％，優(yōu)選復(fù)合研磨粒子的含量為1wt％-10wt％。
本發(fā)明提供的藍(lán)寶石襯底化學(xué)機械拋光漿液包含至少一種表面活性劑。表面活性劑以其特有的結(jié)構(gòu)和一定的帶電情況，可以改善拋光漿液的穩(wěn)定性，從而利于藍(lán)寶石的化學(xué)機械拋光。所述的表面活性劑為陰離子型表面活性劑，選自聚氧乙烯硫酸鈉(AES)、聚丙烯酸鈉或聚氧乙烯醚磷酸酯。
所述的陰離子型表面活性劑的含量為0.01-5wt％，優(yōu)選陰離子型表面活性劑的含量為0.01-2wt％。
本發(fā)明提供的藍(lán)寶石襯底化學(xué)機械拋光漿液中所使用的溶劑為去離子水。
本發(fā)明提供的藍(lán)寶石襯底化學(xué)機械拋光漿液至少包含一種pH值調(diào)節(jié)劑。pH值調(diào)節(jié)劑有利于穩(wěn)定拋光漿液，并使得拋光效果更佳。所述的pH值調(diào)節(jié)劑為0.1M-2M的H3PO4和KOH，最終拋光漿液的pH值范圍為1-7，優(yōu)選3-5。
具體實施例方式
本發(fā)明將通過下列實施例進一步加以詳細(xì)描述，下列實施例僅用以舉例說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步，而不對本發(fā)明的范圍作任何限制，任何熟悉此項技術(shù)的人員可以輕易實現(xiàn)的修改和變化均包括在本發(fā)明及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
下述實施例的對象為2寸藍(lán)寶石片，使用設(shè)備及試驗條件如下A.儀器CMP tester(CETR CP-4)B.條件壓力(Down Force)10psi拋光墊轉(zhuǎn)速(Pad Speed)150rpm
拋光頭轉(zhuǎn)速(Carrier Speed)150rpm溫度25℃拋光液流速(Feed Rate)150ml/minC.漿液取實施例所得的拋光漿液進行測試。
采用美國CETR公司的CP-4拋光機對藍(lán)寶石進行拋光后，利用AFM原子力顯微鏡測試藍(lán)寶石表面10μm×10μm區(qū)域的粗糙度RMS(Root MeanSquare)。
典型的復(fù)合研磨顆粒包覆工藝如下將碳化硼顆粒懸浮于水分散介質(zhì)中，升溫至80～100℃，在攪拌狀態(tài)下不斷將需要包覆的小粒子加入，在攪拌和保溫作用下形成小粒子包覆大顆粒的復(fù)合研磨顆粒。
實施例1采用復(fù)合研磨顆粒表面包覆工藝，以SiO2包覆B4C為復(fù)合研磨顆粒拋光漿液組成如下復(fù)合研磨顆粒含量5wt％；聚丙烯酸鈉1wt％；pH值3；其余為調(diào)節(jié)pH值的磷酸及去離子水。
拋光測試結(jié)果如表1所示。
實施例2采用復(fù)合研磨顆粒表面包覆工藝，以α-Al2O3包覆B4C為復(fù)合研磨顆粒拋光漿液組成如下復(fù)合研磨顆粒含量3wt％；聚氧乙烯硫酸鈉0.5wt％；pH值5；其余為調(diào)節(jié)pH值的磷酸及去離子水。
拋光測試結(jié)果如表1所示。
實施例3
采用復(fù)合研磨顆粒表面包覆工藝，以γ-Al2O3包覆B4C為復(fù)合研磨顆粒拋光漿液組成如下復(fù)合研磨顆粒含量2wt％；聚氧乙烯硫酸鈉0.5wt％；pH值5；其余為調(diào)節(jié)pH值的磷酸及去離子水。
拋光測試結(jié)果如表1所示。
實施例4采用復(fù)合研磨顆粒表面包覆工藝，以CeO2包覆B4C為復(fù)合研磨顆粒拋光漿液組成如下復(fù)合研磨顆粒含量3wt％；聚氧乙烯醚磷酸酯0.3wt％；pH值3；其余為調(diào)節(jié)pH值的磷酸及去離子水。
拋光測試結(jié)果如表1所示。
表1

由表1可以看出，本發(fā)明提供的化學(xué)機械拋光漿液對藍(lán)寶石進行拋光后，表面粗糙度RMS降到了7.5以下，同時也具有一定的拋光速率(60-180nm/min)，可以有效地提高藍(lán)寶石的表面質(zhì)量和加工效率。
權(quán)利要求
1.一種藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光漿液，其特征在于所述的化學(xué)機械拋光漿液由一種復(fù)合研磨顆粒，表面活性劑，pH值調(diào)節(jié)劑和水性介質(zhì)組成，其中(a)所述的復(fù)合研磨顆粒為碳化硼表面包覆一層小粒子，包覆粒子為SiO2、γ-Al2O3、α-Al2O3，CeO2或其混合物；(b)所述的表面活性劑為陰離子型表面活性劑，選自聚氧乙烯硫酸鈉、聚丙烯酸鈉和或聚氧醚磷酸酯；(c)pH調(diào)節(jié)劑是濃度為0.1～2摩爾/升的H3PO4或KOH溶液；(d)復(fù)合研磨顆粒的質(zhì)量百分含量為0.2～30％，表面活性劑的質(zhì)量百分含量為0.01～5％，化學(xué)機械拋光漿液的pH值為1.0～7.0，余量為去離子水。
2.按權(quán)利要求1所述的藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光漿液，其特征在于復(fù)合研磨顆粒的質(zhì)量百分含量為1～10％。
3.按權(quán)利要求1所述的藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光漿液，其特征在于所述的陰離子表面活性劑的質(zhì)量百分含量為0.01～2.0％。
4.按權(quán)利要求1所述的藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光漿液，其特征在于所述的pH值為3.0～5.0。
5.按權(quán)利要求1～4所述的藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光漿液，其特征在于拋光速率達60～180nm/min，拋光表面粗糙度降低至7.5以下。
6.按權(quán)利要求1所述的藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光漿液，其特征在于所述的碳化硼表面包覆一層小粒子工藝是先將B4C顆粒懸浮于水分散介質(zhì)中，升溫至80-100℃，攪拌狀態(tài)下將需包覆的小粒子加入，使之形成小粒子包覆大顆粒的復(fù)合研磨顆粒。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于藍(lán)寶石襯底的化學(xué)機械拋光漿液，此漿液包含pH調(diào)節(jié)劑、表面活性劑、水性介質(zhì)及一種復(fù)合研磨顆粒。該復(fù)合研磨粒子是由基材顆粒碳化硼表面包覆一層粒子所構(gòu)成。通過本發(fā)明提供的化學(xué)機械拋光漿液，藍(lán)寶石襯底的拋光速率達到了180nm/min，表面粗糙度降低到了7.5以下，藍(lán)寶石的表面質(zhì)量和加工效率得到了有效的提高。
文檔編號B28D5/00GK101016439SQ20071003716
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者王良詠, 張楷亮, 宋志棠, 封松林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所