单晶蓝宝石晶体材料加工技术

宇昊业务范围：蓝宝石抛光液,硅材料抛光液,CMP抛光液,衬底抛光液,窗口抛光液,铝合金抛光液,不锈钢抛光液,玻璃抛光液,蓝宝石清洗剂,硅材料清洗剂,窗口清洗剂,衬底清洗剂,蓝宝石材料清洗剂,光学电子清洗剂等。同时还可以根据客户的标准开发特异型抛光液产品。
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蓝宝石加工技术简介

　　因为蓝宝石硬度仅次于金刚石，采用研磨抛光方法对蓝宝石进行加工，加工效率低，而且易产生表面/亚表面损伤。机械抛光是蓝宝石传统的抛光方法，它采用人造金刚石微粉研磨膏进行抛光。由于金刚石硬度比蓝宝石高，且现有微粉分选工艺较落后使得微粉颗粒尺寸分布范围广，因而不可避免在蓝宝石单晶抛光表面产生划痕。

　　目前主要的抛光方法有：机械研磨抛光、化学辅助机械抛光、纯化学抛光、热化学抛光、离子束抛光、激光束抛光、磨料水射流抛光、电火花抛光等。但是每种抛光方法都有一定的缺点, 都是局部平面化技术, 不能做到全局平面化。

　　我国在蓝宝石镜面加工中，普遍采用如图2所示工艺路线。实际使用中的各种晶片，都是由晶棒切割加工制成，在用内圆切片机或线切割机将晶棒切割成晶片时，因切割条件总会有变化，切割片在厚度和平整度等方面都存在偏差。如果切割条件不合适，还会造成较深的损伤层。晶片抛光过程中表面去除量很小，还需要用研磨来有效改善晶片的弯曲度、平整度与平行度的偏差，并降低损伤层厚度。

　　目前我国蓝宝石镜面加工工艺在批量生产中有如下不足之处：1）在生产蓝宝石衬底片时，产生裂痕和崩边现象的衬底片占总数比例比较高，占总数的5~8%；2）研磨及抛光后, 宝石片表面划痕较重, 有20%左右的宝石片表面有粗深痕迹, 需要重新研磨抛光, 这样就有部分宝石片厚度偏薄致废, 且影响生产节奏；3）因返工及报废, 这样就大大提高了蓝宝石衬底片加工的成本，在国际市场上缺乏竞争力。目前在蓝宝石晶体的研磨抛光中使用强酸强碱等化学试剂，后续的废液处理成本高。

　　要进行蓝宝石抛光的全局平面化，必须发展新的全局平面化技术, 化学机械抛光可以真正使蓝宝石衬底，实现全局平面化。此方法在国外已广泛应用, 但在国内仍有一定的局限性。因此，今后国内的研究重点在于通过分析和总结蓝宝石晶片化学机械抛光工艺( CMP)中的抛光液配置及影响因素, 以研究出能够稳定地制备出无损伤层的超光滑蓝宝石晶片的抛光艺。

机械抛光

2.2.1机械抛光工序

　　机械抛光是蓝宝石传统的抛光方法，它采用人造金刚石微粉研磨膏进行抛光。由于金刚石硬度（莫氏10级）比蓝宝石（莫氏9级）高，且现有微粉分选工艺较落后使得微粉颗粒尺寸分布范围广，因而不可避免在蓝宝石单晶抛光表面产生划痕。蓝宝石机械抛光表面分为三个阶段：微破碎层去除阶段、过渡阶段、抛光表面形成阶段。

2.2.2研磨液

　　常用的是色拉油、矿物油、基础油与磨料的混合物。磨料主要有金刚石微粉等。

2.3化学抛光

　　化学抛光主要采用对工件材料具有腐蚀作用的抛光液对工件进行化学腐蚀去除材料。化学腐蚀的目的是除去机械抛光过程中在表面上产生的机械损伤层，并清除各种沾污，从而得到平整光亮、晶格完整的清洁表面。

　　常见的化学抛光提示是用H2SO4：H3PO3=3:1，温度在220℃，时间为15min下，对0001晶面蓝宝石衬底腐蚀的较好条件。化学抛光产生的破坏层深度较浅，但抛光时需要的温度较高，容易导致抛光雾斑. 一般化学腐蚀用于生长前衬底的抛光。

2.4化学机械抛光技术

　　化学机械抛光( Chemical Mechanical Polishing, 简称CMP) 技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术, 它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦平面, 现己成为半导体加工行业的主导技术。是集成电路( IC) 向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。是圆片向200mm、300mm 乃至更大直径过渡, 提高生产效率, 降低制造成本, 衬底全局化平坦化必备的工艺技术。

2.4.1抛光液

1）磨料

　　在抛光液中, 磨料是重要因素之一。它提供了CMP 工艺的机械作用, 其粒径、浓度以及硬度均是影响抛光效果的重要参数, 其中粒径是影响抛光速率的主要因素之一。一般来说, 磨料粒径越大, 抛光速率就越大; 但粒径过大, 则易凝聚成团, 而使晶片表面划痕严重。分散度过大, 虽然平均粒径不大, 但极个别的大颗粒很容易在被抛材料表面产生划痕。

　　目前, 在蓝宝石的CMP 工艺中, 常用的磨料主要包括金刚石、二氧化硅溶胶、氧化铈和氧化铝、碳化硼等磨料, 其中二氧化硅溶胶具有粒径可控、硬度适中、粘度较小、粘附性低、抛光后易清洗等特点而被广泛应用。文献指出,对于二氧化硅磨料来说, 粒径在80nm 时的去除速率最高。

2）介质

　　在蓝宝石衬底片的CMP工艺中, 介质的选择是非常重要的, 它是化学作用的基础。蓝宝石的化学性质呈两性。在酸性介质中, 反应产物易溶解, 氧化剂的氧化性较强。但是, 过强氧化性的氧化剂易造成非均匀化腐蚀, 影响局部平整度。且一般的抛光设备都是由金属制成的, 酸性介质会腐蚀抛光设备, 产生大量金属离子, 对晶片造成污染。在碱性介质下, 氧化剂的氧化能力较弱, 但是, 由于碱性介质不会腐蚀抛光设备, 并且在碱性条件下二氧化硅溶胶的稳定性好。

3）活性剂

　　加入适量活性剂既改善浆料稳定性, 又抑制反应生成颗粒在被抛光表面的吸附, 加快质量传递过程。活性剂的加入抑制了颗粒在表面的强吸附状态, 而在研磨料作用下容易离开被抛材料表面, 使得抛光进一步进行。研究表明, 在研磨料粒径、浆料浓度等条件相同情况下, 配置抛光浆料时, 不加活性剂的去除速率明显低于加入活性剂的浆料。

4）螯合剂

　　金属离子对半导体芯片危害极大, 可导致器件电特性劣化, 可靠性降低。配制抛光浆料时加入的螯合剂主要是螯合浆料及CMP过程中产生的金属离子, 提高蓝宝石衬底片成品率。目前, 国际上通用的是五元环EDTA二钠盐螯合剂。但是, 大量实验表明, 这种螯合剂会引入钠离子的二次污染。考虑用不含钠离子且具有十三个以上螯合环的水溶性螯合剂, 它对几十种金属离子具有很强的螯合作用且与水互溶, 能够有效去除抛光中的金属离子。

5）络合剂

　　由于蓝宝石为两性氧化物, 可以通过加入适当的络合剂, 使其转化为易溶解于水的络合物, 通过增加化学作用来提高抛光速率。

2.4.2 抛光性能的影响因素

1）pH 值

　　碱性抛光液中, 抛光速率与抛光液的pH值成指数关系, 随pH 值的增加, 抛光速率不断增大, 这是由于蓝宝石为两性氧化物, 随着碱性的增加, 化学反应加快, 促使反应平衡向右方移动。可是, 当pH 值超过11. 7 时, 抛光速率反而呈下降的趋势。

Al2O3 + 2OH-——2AlO2 -+ H2O

2）温度