[发明专利]一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法

说明书

本发明提供了一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法，属于超精密加工技术领域。采用磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂和去离子水配制成抛光液，实现蓝宝石衬底超光滑低损伤化学机械抛光，使用抛光液对蓝宝石衬底进行化学机械抛光，抛光垫材料为无纺布，压力为20‑40kPa，主盘转速为50‑70rpm，抛光液流量为10‑30ml/min。材料去除率达到8.1μm/h，表面粗糙度R_a可达0.4‑0.7nm。本发明实现了蓝宝石衬底的超光滑超低损伤化学机械抛光。

技术领域

本发明属于硬脆材料超精密加工技术领域，特别涉及一种蓝宝石衬底化学机械抛光方法。

背景技术

单晶蓝宝石(主要成分为α-Al₂O₃)，因其优良的机械性能、介电性能、化学稳定性、热传导性和高表面平滑度等特点而被广泛应用于军事、航天、信息、光学、超导等技术领域，成为制备高温超导薄膜、红外光学材料、微电子器件等的最优质基片和衬底材料。现如今，无论是军用高性能红外探测器的蓝宝石窗口，还是氮化镓基蓝色LED及激光二极管的衬底，其表面加工质量(如表面粗糙度、微裂纹、划痕、位错)和加工精度，对材料外延生长质量和器件性能都有至关重要的影响。由于蓝宝石材料硬度极高(莫氏硬度达到9，仅次于金刚石)、脆性大，是典型的难加工材料。因此，为了满足国防尖端技术和电子信息制造业的重大需求，实现蓝宝石高效超精密加工制造便显得至关重要。

目前工业化生产蓝宝石的加工工序为晶棒切割，双面研磨，单面研磨，铜抛，化学机械抛光(CMP)等，其中CMP作为衬底加工的最后一道工序，其抛光质量的好坏将决定产品的性能和寿命。CMP广泛应用于半导体、微电子和光电子等领域，通过机械去除和化学腐蚀的协同作用来实现晶片超光滑的表面，是目前唯一能够实现全局平坦化的超精密加工技术。其中抛光液是影响CMP质量的决定性因素，它既影响CMP化学作用，又影响机械作用。在抛光效率和质量方面，国产的抛光液相比国外的仍具有一定的差距，国外生产的蓝宝石抛光液的价格也高出国产抛光液的数倍。另外抛光液中含有的强酸强碱等化学成分对环境和操作者构成潜在的危害。因此，研究性能优良的蓝宝石衬底抛光液对半导体产业具有重要的实际意义。

发明内容

本发明给出一个新型的蓝宝石衬底化学机械抛光方法，其中抛光液的成分对环境和实验者均无潜在的危害，流动性好，分散均匀，容易清洗且无毒无污染，实现了蓝宝石衬底超光滑低损伤的表面。

本发明的技术方案：

一种新型的蓝宝石衬底抛光化学机械抛光方法，采用磨料、表面活性剂、螯合剂、pH调节剂配制成抛光液。磨料为二氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化铈中的一种或几种，磨料平均粒径为60-110nm，重量百分比为抛光液的4-8％。表面活性剂为聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚氧乙烯月桂醚中的一种或几种，重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％。螯合剂为山梨醇、柠檬酸钠、六偏磷酸钠中的一种或几种，重量百分比为抛光液的0.1％-0.5％。pH调节剂为氨甲基丙醇(AMP-95)、二乙醇胺、乙二胺中的一种或几种，将抛光液的pH值调节至9-13。使用自主研制的抛光液对蓝宝石衬底进行化学机械抛光，抛光垫材料为带绒毛结构的无纺布，抛光压力为20-40kPa，主盘转速为50-70rpm，抛光液流量为10-30ml/min。抛光后的蓝宝石衬底达到超光滑的表面，材料去除率达到8.1μm/h，用zygo白光干涉仪测得其表面粗糙度R_a可达0.4-0.7nm(测量范围为70×50μm²)。本发明获得了蓝宝石衬底超光滑、无损的加工表面。