藍寶石拋光液配方分析

booreen 2015-04-24

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藍寶石拋光液配方分析

一.背景

LED產品具有小型化、省電、低發熱、耐震、使用壽命長、光電轉換效能高、單色發光及反應速度快等優點，廣泛見于日常生活中，如家用電器的指示燈，汽車后防霧燈等。LED的發光顏色和發光效率與制作LED的材料和工藝有關，目前廣泛使用的有紅、綠、藍三種。半導體材料GaN的應用使半導體發光二極管與激光器上了一個新臺階，由于GaN很難制備體材料，必須在其它襯底材料上生長薄膜，作為GaN的襯底材料有多種，包括藍寶石、碳化硅、硅、氧化鎂、氧化鋅等，因單晶藍寶石基片與GaN晶格能相匹配且單晶藍寶石基片在可見光范圍內其透光性較好，所以藍寶石是最主要的襯底材料，目前己能在藍寶石上外延出高質量的GaN材料，并己研制出GaN基藍色發光二極管及激光二極管。

1.1藍寶石概述

人工生長的藍寶石是單晶α-Al₂O₃，透明，與天然寶石具有相同的光學特性和力學性能, 對紅外線透過率高, 有很好的耐磨性, 硬度僅次于金剛石達莫氏9 級, 在高溫下仍具有較好的穩定性, 熔點為2030℃，所以它已越來越多地用作固體激光、紅外窗口、半導體芯片的襯底片、精密耐磨軸承等高技術領域中零件的制造材料, 同時還被制成永不磨損表鏡及各種精美華貴的飾品。

藍寶石為α-Al₂O₃，其構造如圖1所示，為六方最密堆積氧原子層所構成，氧原子間的八面體配位的2/3空隙是Al³⁺離子所填充α-Al₂O₃是由六層的氧原子，以ARAB的方式所構成的單位晶格，其中每層各含3個氧，如果以單位晶格來算、氧原子共18個。而鋁原子在第一層、第四層各為2個鋁原子，其余4層各有3個鋁原子，以單位晶格來算，鋁原子共12個，以此方式所構成的a相氧化鋁結構為八面體，此八面體可形成共點、共棱、共面的構造。

單晶藍寶石的機械性質與其本身密度有關，單晶藍寶石密度越大則機械性質越佳，理論上純度100%單晶藍寶石的理論密度為 3.9869/cm3，其相對的機械性質也為最佳。單晶藍寶石的熱性質和其純度有關，一般而言，純度越高，則其熱傳導系數及熱擴散系數也會越高，但熱膨脹系數則不一定。

圖1 藍寶石晶體構造圖

1.2藍寶石的固相機理

單晶藍寶石與二氧化硅在無外加能量情況下兩者之間很難產生固相化學反應，而在外加能量情況下(如拋光、燒結)，且能量超越二氧化硅與單晶藍寶石之間所需的活化能而產生固相化學反應。藍寶石與SiO₂的接觸界面上的真實接觸點產生的壓力取決于SiO₂的硬度，1070K時為3.8GPa，1207Ｋ時為2.4Gpa，兩者在大氣壓下生成富鋁紅柱石（也稱為莫來石，3α-Al₂O₃·2SiO₂），高壓下生成藍晶石（Al₂O₃·２SiO₂）。

其反應式如下：

3α-Al₂O₃+6SiO₂——3α-Al₂O₃·2SiO₂（富鋁紅柱石）（1-1）

α-Al₂O₃+SiO₂——α-Al₂O₃·SiO₂（藍晶石）（1-2）

α-Al₂O₃·SiO₂硬度為6.5~7.0，利用SiO₂磨料可以去除固相反應生成的富鋁紅柱石軟質層，而對母體藍寶石不會產生劃痕等表面損傷。為加快上述固相反應的反應速率，除提高界面溫度和增加壓力外，還可以通過添加催化劑的方式，向藍寶石添加熔點低的MgF₂在煅燒6h的條件下可實現莫來石的低溫合成。

二.單晶藍寶石晶體材料加工技術

5）絡合劑

由于藍寶石為兩性氧化物, 可以通過加入適當的絡合劑, 使其轉化為易溶解于水的絡合物, 通過增加化學作用來提高拋光速率。

2.4.2 拋光性能的影響因素

1）pH 值

堿性拋光液中, 拋光速率與拋光液的pH值成指數關系, 隨pH 值的增加, 拋光速率不斷增大, 這是由于藍寶石為兩性氧化物, 隨著堿性的增加, 化學反應加快, 促使反應平衡向右方移動。可是, 當pH 值超過11. 7 時, 拋光速率反而呈下降的趨勢。

Al2O3 + 2OH^-——2AlO2^-+ H2O

2）溫度

溫度在拋光中起著非常重要的作用, 它對CMP 工藝的影響體現在拋光的各個環節, 其中, 在CMP 工藝的兩個環節即化學反應過程和機械去除過程中, 都受著溫度的強烈影響。一般來說, 溫度越高, 拋光速率越高, 表面平整度也越好, 但化學腐蝕嚴重, 表面完美性差。所以, 溫度必須控制在合適的范圍內, 這樣才能滿足圓晶片的平整化要求, 而得到完美的圓晶片表面。實驗表明, 在40℃左右的時候, 拋光速率達到了最大值, 之后隨著溫度繼續升高, 拋光速率的上升趨于平緩, 并且產生拋光液蒸騰現象。這是由于當溫度過高時, 拋光液的蒸騰使部分水分被蒸發出來, 從而增大了拋光液的濃度, 并使其粘性增加, 且在拋光墊上的擴展度變小, 阻礙了系統內的物質傳輸, 從而阻礙了拋光速率的增高; 同時, 較高的溫度使化學反應速率加快, 令藍寶石晶片表面出現不均勻霧狀腐蝕等過腐蝕現象, 從而影響晶片的表面完美性。

3）壓力

壓力對藍寶石拋光速率有很大的影響隨著壓力的增加, 拋光速率迅速增高,這是因為壓力的增加導致拋光布和晶片間摩擦力的增加, 在加強了系統的機械作用的同時也使系統的溫度升高, 增強了系統的化學作用, 從而提高了拋光速率。

研究發現，當壓力在0. 12Mpa 至0. 15Mpa時, 藍寶石片表面完美性比較好, 沒有明顯缺陷; 當壓力高于0. 15Mpa 以后, 晶片的表面就開始出現少量的劃痕并出現了較多的應力缺陷。

4）磨料粒徑、濃度及流速的影響

研究表明，在其它條件相同情況下, 隨著漿料濃度的增大, 拋光速率增大。對于粒徑為80 nm 的研磨料: 漿料的質量分數為10% 時, CMP去除速率為572. 2 nm /m in; 而隨著質量分數增大至15% 時,CMP去除速率增大至598. 8 nm /m in; 質量分數繼續增大至20% 時, CMP去除速率則增大至643. 3 nm /m in。這主要是因為漿料濃度的增大, 使得拋光過程中參與機械磨削的粒子數增多, 相應的有效粒子數也增多, 粒徑一定的情況下, 有效粒子數的增多增強了機械磨削作用力, 進而提高了拋光速率, 研究還表明, 在CMP過程中適當增加漿料濃度, 有利于拋光表面的平整度, 即濃度越高, 平整度越好。