專利名稱：一種用于led用藍寶石襯底片精密拋光的拋光液的制作方法
技術領域：
本發明涉及LED用藍寶石襯底片精密拋光所用的拋光液。
背景技術：
半導體材料GaN的應用使LED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，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，目前已能在藍寶石上外延出高質量的GaN材料，并已研制出高亮度的LED。藍寶石作為襯底片，對其加工質量有著非常高要求。作為襯底片的藍寶石基片，要求其在金屬有機物化學氣相淀積(MOVCD)后的表面是超光滑、無損傷表面。當前國內藍寶石襯底片的水平，普遍存在以下問題:
(1)拋光面的粗糙度較大(Ra彡5nm)；
(2)晶片表層存在劃痕較重，有20%左右的晶片表面有粗、深痕跡，需要重新拋光。部分經過返工的藍寶石片容易出現由于研磨拋光過度而導致藍寶石厚度過薄而報廢的現象。(3)拋光液配制不當不僅加工成本高而且廢液處理易引環境污染。晶體材料的拋光方法主要有:機械拋光、化學拋光、離子束拋光、激光拋光等。根據藍寶石晶片的物理和化學特性，藍寶石襯底片精密拋光采用機械拋光和化學拋光相結合，以化學方式為主的化學機械拋光技術(CMP)，它借助于拋光液中超微粒子的研磨作用及漿料的化學腐蝕作用，實現超光滑無損傷精密拋光。CMP是半導體制造控術領域中的核心技術之一，可以有效地兼顧加工表面的全局和局部平整度，已成為當前最廣泛使用的平坦化技術，是一種真正意義上的原子分子級的極限加工技術。它在機械拋光過程中加入了化學反應，大大提高了拋光精度和拋光速率，從而極大的提高了拋光的質量和生產效率，降低了生產成本。拋光液是影響CMP質量的決定性因素。它既影響CMP化學作用過程，又影響到機械作用過程。拋光液中的化學成分，能夠調節溶液的PH值，影響氧化物表面的帶電類型和電荷量，決定表面的水合等化學反應過程。拋光液中的磨料，在壓力作用下與基片表面摩擦，影響著反應產物的去除速率。拋光液的配方是決定化學機械拋光效果的關鍵。合適配比的拋光液，可以使拋光液和晶片發生化學反應，將不溶物質，變成易溶物，再通過機械摩擦將這些易溶物從晶片表面去掉，相互促進形成良性循環，使拋光片表面實現全局光滑平面化，加工效率高，精度高，而且還可以降低設備成本和加工成本， 在配制拋光液中要避免使用強酸強堿等化學試劑。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于LED用藍寶石襯底片在精密拋光時所用的拋光液。本發明采用的技術方案是:一種用于LED用藍寶石襯底片精密拋光的拋光液，其特征是它包括由粒徑為50 70nm含量25 35wt%的納米磨料、0.7 1.0 wt%的PH值調節劑、添加0.4 0.7 wt%分散劑及0.1% 0.3%表面活性劑混合而成，PH值要求調節在9 13范圍內，常溫下黏度為0.80 1.1mm2 / s。上述納米磨料為磨料粒徑為50 70nm的Si02納米微粉含量為25 35wt%的硅溶膠。上述PH值調節劑為含量為0.7 1.0 wt%的有機堿二乙醇胺。上述分散劑為含量為0.4 0.7wt%的乙二胺。上述表面活性劑為含有0.1% 0.3%活性劑壬基酚聚氧乙烯醚。
本發明用于藍寶石襯底片精密拋的拋光液，對拋光液的基本要求是:流動性好、分散均勻、磨粒懸浮性能好 、拋光速率快、基片表面質量好、容易清洗及無毒無污染。據資料介紹的藍寶石拋光液存在的主要問題及綜合酸性和堿性拋光液的優缺點，本發明定位于配制堿性拋光液。在拋光液中對拋光效果影響較大的成分主要是磨料、PH值調節劑、添加劑等。對金剛石、二氧化硅(Si02)和氧化鋁(A1203)三種能作為藍寶石CMP所使用的主要納米磨料進行了實驗比較結果是:金剛石硬度大，能保證拋光速率，但最大的缺點是拋光面損傷嚴重，且拋光表面不易清洗干凈。A1203作為磨料時，由于在堿性條件下易生成溶于水的產物，降低磨料的體積分數，影響去除速率，還會給表面造成損傷。納米級膠體型Si02磨料硬度適中，不會因硬度對基片造成劃傷，粘度較小，粘附性弱，拋光后易清洗，且在堿性條件下穩定性較好，所以擬定選取硅溶膠做為磨料配制拋光液。在試驗中發現,磨料粒徑越大,去除速率越高,粒徑大的磨料分散度較大；磨料粒徑越小，去除速率越低。但較大粒徑的磨料會對表面產生劃傷，使表面粗糙度變差。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。實驗表明采用Si02粒徑為50 70nm的硅溶膠。不僅提高了去除速率，而且片子的表面狀態較好。黏度是拋光液的重要參數之一，黏度低，流動性好，去除速率低；隨著黏度的增加去除速率會逐漸增加，黏度較大的拋光液流動性差，不但影響了磨料粒子的均勻分布，而且容易造成管道堵塞，降低去除速率。影響拋光液黏度的因素較多，其中磨料的含量與性能最為重要。本發明人通過試驗證明:Si02含量為25 35wt%的溶膠磨料，常溫下黏度為0.80 1.1 mm2/ s時，拋光液流動性較好，有助于磨料粒子在工件及拋光布之間均勻的平鋪，達到去除速率高，表面無劃傷、缺陷的效果。在調節拋光液的PH值時，調節劑先后試驗采用無機堿、氨水和有機堿。實驗證明無機堿中有金屬離子，容易對基片的應用構成很大的影響，而且含無機堿的拋光廢液處理不好會污染環境。氨水雖然顯堿性，但氨水易揮發，對超凈間環境污染嚴重，也給操作人員帶來危害。為了避免以上缺點，所以本發明有針對性地選擇了有機堿作拋光液的PH值調節齊U，它可以提供氨離子，使拋光液的絡合能力大大增強，另外有機堿與藍寶石發生化學反應可以大大促進表面膜的生成，有利于磨料去除材料。本發明人試驗證明，PH值調節在9 13范圍內的硅溶膠堿性拋光液可以達到較好的藍寶石襯底片拋光效果。本發明人了解到分散劑和活性劑等添加劑對改善拋光液的性能有著重要作用，可以平衡晶片表面各處的反應速率，保證并提高CMP的拋光質量。拋光液以膠體二氧化硅為磨粒，但由于其粒徑小，表面積和表面能都很大，易于凝聚，直接影響其性能的發揮，因此提高其分散性和穩定性是提高和穩定拋光質量的關鍵。為了提高CMP的材料去除率和降低表面粗糙度，拋光液中磨料組份的比例不斷提高，磨粒的粒徑希望能夠減小，納米級的磨料粒子非常容易在水或空氣中團聚成大顆粒，使其在拋光液中分散性差。一些化學組份的加入，更加劇了納米磨料顆粒的團聚作用。納米磨料粒子的團聚作用成了影響拋光表面質量的一個重要因素，可以造成平整度差、活性不好、沉降、表面的劃傷和難以清洗。本發明人在選用分散度較高的磨粒溶膠的同時加入含有胺基、羥基或離子型分散劑，借以來提高拋光液中納米磨料粒子的分散穩定性，以減少表面因磨料粒子團聚作用引起的各種表面缺陷。藍寶石為兩性氧化物，活性劑在化學機械拋光中起著非常重要的作用，在拋光液配料中加入適當的活性劑，使其生成易溶解于水的絡合物，反應產物在摩擦和壓力作用下更易脫離氧化物表面，提高拋光速率。它可以對被拋光基片表面進行充分的浸濕和潤滑，從而提高拋光表面質量。此外，它還對拋光液的分散性、顆粒吸附后清洗的難易程度以及金屬離子污染等性能有著重要影響。總之，本發明就 是通過對拋光液中各成分在定性分析基礎上再進行定分析，找出適合對藍寶石進行機械拋光的拋光液成分配方。拋光液性能評價指標
1.材料去除率:檢測材料去除率的方法通常有兩種:直接法和間接法。本發明人采用測量拋光前后的基片質量，根據密度和基片面積間接算出去除的藍寶石層厚度的方法。這種方法的最大特點是測量簡便，可以快速得出去除率的大小。2.表面粗糙度:是用于評價基片表面質量的重要指標。本發明人采用NEWVIEW71003D表面輪廓儀測試，檢測出的結果分別以圖像和數字形式顯示。3.分散性:由于拋光液的分散程度對拋光效果有很大影響，本發明人衡量拋光液分散性目前最簡便的方法，是將拋光液裝入帶刻度的細玻璃管中，直接觀察不同時間段內溶液的沉淀或分層程度，用以衡量分散性的好壞。要求是:分散均勻、透光均一、至少半年內不能出現明顯分層、沉淀或凝膠現象。另外，衡量拋光液性能的指標還有拋光液壽命、環保性、經濟性等其它指標。現階段的拋光液的配制還在起步階段，對上述指標暫不考慮，留在以后的工作中加以改進。采用本發明配制的拋光液用于LED用藍寶石襯底片CMP，平均拋光速率達到28nm/min ； Ra < 0.5nm ;拋光液流動性較好，去除速率一致，達到去除速率高，表面無劃傷、缺陷的效果。
具體實施例方式使用設備:
主要設備和儀器:PG-510單面拋光機、PH試紙、FA1104B型精密天平、NEWVIEW71003D表面輪廓儀、FT-17平坦度測試儀。主要工藝設定:
影響拋光效果的因素有拋光壓力、拋光速度、拋光液的流量等，本發明以拋光設備廠家推薦的工藝參數，確定為適合本發明的實驗藍寶石晶體拋光的實驗工藝條件。工藝條件:工作壓力0.12 0.14MPa/cm2 ;拋光盤轉速100r/min ;拋光墊型號Roder IC 1000，拋光液流出位置:拋光墊中心；流量:180ml/min ;溫度25°C ;拋光時間lh。
拋光材料:
哈爾濱奧瑞德公司生產的藍寶石晶體，經發明人公司加工和研磨后的后的LED襯底用￠2寸藍寶石晶片。實施安排:
1.選取Si02粒徑和含量，去離子水配比并調節到常溫下黏度為0.80 1.1 mm2/ S。2.選擇有機堿，調節拋光液的PH值在9 13范圍內。3.從四種含有有胺基、羥基或離子型分散劑中選擇加入到拋光液中，研究對去除率和拋光表面粗糙度的影響規律。4.加入合適的表面活性劑，研究拋光液穩定性和對拋光表面平整度的影響。實施過程:
1.Si02粒徑和含量試驗
(1)Si02磨料粒徑試驗實例:
分別采用粒徑為:20 50 nm、50 70 nm、70 90 nm的Si02磨料溶膠和去離子水配比成漿料，其它條件相同的情況下上機拋光。試驗表明隨著研磨料粒徑的增大，藍寶石CMP去除速率增大。磨料粒徑由40 nm增大至90nm,相應CMP去除速率由23.8 um / h增大至38.5 um / h。實施實例結果:磨料粒徑越大，去除速率越高；磨料粒徑越小，去除速率越低。觀察CMP后晶片表面，磨料粒徑越大，表面產生劃傷大，表面粗糙度變差；磨料粒徑越小，表面產生劃傷小而少，表面粗糙度較好。采用粒徑為50 70nm的磨料，不僅提高了去除速率，而且片子的表面狀態較好。(2) Si02磨料含量試驗實例:
在相同去離子水中，分別加入粒徑為50 70nm，相同體積，但濃度分別為10 20wt%和20 35 wt%的硅溶膠，在其它條件相同的情況下進行拋光實例試驗。實施實例結果:
女例I桂溶膠濃度 I常溫下黏度I去除速率 I表面粗糙度
實例 I 10 20wt% 0.75 0.85mm2 /s12.6nm/min Ra:4.73nm
實例 2 20 35wt% 0.85 1.0ttitti2 /s15.8nm/min Ra:1.66nm
實例結果20 30wt%硅溶膠磨料，去除速率較高，表面質量相對較好。結論:粒徑為50 70nm，含量為20 30wt%的溶膠磨料，更適合做本發明的藍寶石拋光液的磨料。其常溫下黏度與0.80 1.1 mm2/ s與要求值相近，流動性良好。2.調節拋光液的PH值試驗實例
先將選擇的3種有機堿溶分別解在一定量的去離子水中，攪拌均勻后緩緩加入硅溶膠并攪拌均勻，每種試液用去離子水補充到規定值，測量并調節Ph值在9 13范圍內。在其它條件相同的情況下進行拋光實例試驗。實施實例結果:
實例I有機堿I含量wt% I去除速率I表面粗糙度
實例3 二輕基乙基乙二胺 1.2 3.2 24nm/minRa:4.1Onm
實例 4 乙二胺0.3 0.8 27nm/minRa:4.51nm
實例 5 二乙醇胺0.7 1.0 26nm/minRa:0.921nm
實例結果可知二乙醇胺在拋光中去除率較高，表面粗糙度良好。結論:含量0.7 1.0fft%的二乙醇胺，在本實驗條件下保證較高材料去除率的同時，晶片表面接近于光滑超精表面，可作為藍寶石拋光液的有機堿，調節拋光液的PH值。3.分散劑試驗實例
用0.7 1.0Wt%:乙醇胺溶解在一定量的去離子水中，緩緩加20 30被％硅溶膠，再分別加入四種分散劑并攪拌均勻，拋光液在電磁攪拌狀態下供應，在其它工藝條件相同的情況下進行拋光實例試驗。實施實例結果:
權利要求
1.一種用于LED用藍寶石襯底片精密拋光的拋光液，其特征是它包括由粒徑為50 70nm含量25 35wt%的納米磨料、0.7 1.0 wt%的PH值調節劑、添加0.4 0.7 wt%分散劑及0.1% 0.3%表面活性劑混合而成，PH值要求調節在9 13范圍內，常溫下黏度為0.80 1.1mm2 / s。
2.根據權利要求1所述的用于LED用藍寶石襯底片精密拋光的拋光液，其特征是所述納米磨料為磨料粒徑為50 70nm的Si02納米微粉含量為25 35wt%的硅溶膠。
3.根據權利要求1所述的用于LED用藍寶石襯底片精密拋光的拋光液，其特征是所述PH值調節劑為含量為0.7 1.0 wt%的有機堿二乙醇胺。
4.根據權利要求1所述的藍寶石晶片拋光的拋光液，其特征是所述分散劑為含量為·0.4 0.7wt%的乙二胺。
5.根據權利要求1所述的用于LED用藍寶石襯底片精密拋光的拋光液，其特征是所述表面活性劑為含有0.1% 0.3%活性劑壬基酚聚氧乙烯醚。
全文摘要
本發明涉及一種用于LED用藍寶石襯底片精密拋光的拋光液制備配方。其成分和重量比組成如下有機堿二乙醇胺0.7～1.0wt%，粒徑為50～70nm含量25～35wt%的硅溶膠，分散劑乙二胺0.4～0.7wt%，活性劑壬基酚聚氧乙烯醚0.1～0.3wt%。拋光液去除率可以達到28nm/min左右，表面粗糙度Ra小于0.5nm，能滿足藍寶石襯底片CMP加工主要性能指標要求。本發明具有高去除速率、低表面粗糙度度和成本低、不污染環境、不腐蝕設備的優點。
文檔編號C09G1/02GK103184010SQ20121009668
公開日2013年7月3日 申請日期2012年4月5日 優先權日2012年4月5日
發明者張學炎 申請人:銅陵市琨鵬光電科技有限公司