一種用于藍寶石化學機械平坦化的拋光液的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于藍寶石化學機械平坦化拋光液，本發(fā)明屬于化學機械拋光(CMP)領(lǐng)域，特別涉及藍寶石的CMP。本發(fā)明的拋光液包含磨料、水、促進劑、螯合劑和拋光穩(wěn)定劑，其特征在于還包含一種碳載非貴金屬催化劑。本發(fā)明的拋光液成功地解決了藍寶石超硬晶體材料平坦化去除速率低的技術(shù)難點，并獲得晶片的超光滑表面，表面粗糙度Ra可達亞納米級。
【專利說明】-種用于藍寶石化學機械平坦化的拋光液

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于化學機械拋光（CM巧領(lǐng)域，特別涉及藍寶石的CMP。

【背景技術(shù)】
[0002] 藍寶石（a -A1203)，因為具有透明性好，防化學腐蝕、對紅外線透過率高和耐磨性 好等優(yōu)點，被廣泛應用于國防、科研、工業(yè)和民用等領(lǐng)域，尤其是被廣泛應用于半導體芯片 襯底、發(fā)光二極管（LED)襯底、精密儀器儀表窗口、精密耐磨軸承等高【技術(shù)領(lǐng)域】中零件的制 造材料。但是，藍寶石由于硬度高（其硬度僅次于金剛石，莫氏硬度為9)、脆性大、化學性 質(zhì)穩(wěn)定，加工困難。尤其是基于對LED產(chǎn)品發(fā)光效率和使用壽命的提高，氮化嫁外延生長 對藍寶石晶片襯底表面加工質(zhì)量更加嚴格，是目前重點研究的難題。化學機械拋光（CMP) 技術(shù)是實現(xiàn)藍寶石表面亞納米級加工最有效的方法，但是CMP對藍寶石晶片表面進行加工 時，拋光工序速率低，加工常需數(shù)小時，因此，如何在提高藍寶石的拋光速率的同時保證藍 寶石表面光滑、無缺陷的全局平坦化質(zhì)量，是藍寶石化學機械拋光過程中的一大難題?；疷 等人用a -A1203作磨料，在堿性條件下對藍寶石進行拋光處理，得到了很好的表面，其表 面粗趟度為〇.3皿，但是其拋光速率僅為lmg/h[Applied Surface Science 236(2004): 120-130]。儲秀峰等人在《人工晶體學報》[42 (2013) :1064-1069]中報道利用粒徑為80皿 的Si02膠體為磨料對藍寶石晶片化學機械拋光后，材料的去除率為36. 5nm/min，晶體表面 的粗趟度為1. 2nm，而改用llOnm粒徑的Si02磨料后，晶片去除速率提高了 13. 97%，但是 表面粗趟度為2. 3皿。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于藍寶石化學機械平坦化的拋光液，其 特點在于在保證藍寶石表面質(zhì)量的前提下提高藍寶石化學機械拋光速率。本發(fā)明通過在拋 光液中添加活性碳負載的非貴金屬復合催化劑構(gòu)成一種新型的化學機械拋光液漿料，不僅 可W得到更好的藍寶石表面平坦化質(zhì)量，而且還提高了拋光速率。
[0004] 本發(fā)明的一種用于藍寶石化學機械平坦化的拋光液，該拋光液包含磨料、去離子 水、穩(wěn)定劑、馨合劑，其特征在于還包含碳載非貴金屬催化劑。
[0005] 所述各組分的配比如下：
[0006] 磨粒 10-40wt% 碳載非貴金屬催化劑 0 7x10-3 -1.4x10-3 wt% 穩(wěn)定劑 0.1-8wt% 藝合劑 0.05-lOwt% 去寓子水 余量。
[0007] 所述磨料為氧化娃、氧化鐵、氧化鉛、氧化鋪、氧化錯和氧化鉛中的一種或幾種。
[0008] 所述馨合劑為巧樣酸鹽、氨基H亞甲基麟酸鹽、己二胺四己酸鹽、丙二胺四己酸 鹽、H己基四胺六己酸鹽、二己基H胺五己酸鹽、己二胺四亞甲基領(lǐng)酸鹽、己二胺四亞己基 領(lǐng)酸鹽、2-麟酸下焼-1，2, 4- H駿酸鹽、2-輕基麟酸基己酸鹽、雙1，6-亞己基H胺五亞甲 基麟酸鹽、1,2-環(huán)己二胺四己酸鹽、多氨基多離基亞甲基磯酸鹽、H己帰四胺六亞己基磯酸 鹽、丙二胺斯亞甲基磯酸鹽、己二胺四亞甲基磯酸鹽、二己帰H胺五亞己基磯酸鹽或輕基亞 己基二磯酸鹽中的一種或多種。
[0009] 所述穩(wěn)定劑為氨氧化鐘、氨氧化軸、四甲基氨氧化饋、甲基胺、己基胺、二甲基胺、 二己基胺、H甲基胺、H己基胺、氨水、己二胺、H己醇胺、碳酸饋、碳酸氨饋、碳酸軸、碳酸氨 軸、碳酸氨鐘、碳酸鐘、六水脈嗦、立己醇胺、氨基丙醇、己醇胺、異丙醇胺、己二胺、氨氧化四 甲基中的一種或多種。
[0010] 所述拋光液的PH值為8-10。
[0011] 所述催化劑為碳載過渡金屬復合物。
[0012] 所述碳載過渡金屬復合物的過渡金屬復合物包括化，Co、Ni、W、V、Ce、Mo、Ti、Al、 Mn、化、5(3、1'1、1'(3、化及其混合物；所述碳載過渡金屬復合物的碳載體為碳黑、碳納米管、石 墨帰、介孔碳、納米碳纖維、碳納米微球、碳納米籠中的任一種。
[0013] 所述碳載過渡金屬復合物催化劑中，過渡金屬優(yōu)選無機鐵化合物及其有機鐵化合 物。
[0014] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0015] (1)本發(fā)明的拋光液，不僅加速了藍寶石化學機械拋光的拋光速率，還改善了藍寶 石表面的光滑度。
[0016] (2)本發(fā)明的拋光液，成本低，易操控，主要適用于半導體芯片襯底、半導體照明 L邸芯片襯底、精密耐磨軸承、精密儀器儀表窗口等制造中的藍寶石晶片拋光，其具有拋光 速率高，晶片表面質(zhì)量好的特點。拋光10小時后晶片的去除速率仍達到2. 3微米/小時W 上。經(jīng)其拋光后的藍寶石晶片表面光滑，無劃痕、麻點等表面缺陷，表面粗趟度可達到0. 08 納米W下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為采用本發(fā)明實施例2拋光液對藍寶石表面進行化學機械拋光后的原子力顯 微鏡圖。
[0018] 圖2為采用對比例拋光液對藍寶石表面進行化學機械拋光處理后的原子力顯微 鏡圖。

【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明將通過下面實施例進一步加W詳細描述，下列實施例僅W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W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)。
[0020] 下列實施例的對象為2英寸藍寶石片，拋光使用的設備及試驗條件如下：
[00川 （1)拋光儀器；UNIP化-1000S(沈陽科晶自動化設備有限公司）
[00過 似拋光條件；壓力；3. Opsi
[0023] 拋光墊轉(zhuǎn)速；9化pm
[0024] 拋光頭轉(zhuǎn)速；1化pm
[002引 拋光溫度；25 C
[0026] 拋光液流速；60血/min
[0027] 拋光墊；Suba 800 (陶氏化學公司）
[0028] 藍寶石經(jīng)過化學機械拋光后，利用原子力顯微鏡（AFM)測試藍寶石表面的粗趟 度。
[0029] 連施例1 :
[0030] 通過水熱加熱合成法、化學氣相沉積法、浸潰法、金屬蒸汽合成法等方法中的一種 制備方法得到碳載過渡金屬復合催化劑，并將該催化劑超聲分散于去離子水中，得到催化 劑溶液。
[0031] 拋光液包含重量百分比為1.4X10-3wt%的催化劑，20wt%的Ti02磨粒，W及 0. 05%的馨合劑己二胺四己酸鹽，去離子水為溶劑，用氨氧化鐘溶液調(diào)節(jié)pH至8. 6。本發(fā)明 較不含相應催化劑的拋光液時的29. 41nm/min，藍寶石晶片的去除速率達到31. 51nm/min， 去除速率提高了 7. 12 ;表面無劃痕、凹坑等缺陷，AFM所測表面粗趟度Ra為0. 166nm。
[0032] 連施例2 ：
[0033] 拋光液包含重量百分比為1. 4X10-3wt%的催化劑，lOwt%的Si02磨粒，W及 2. 5%的馨合劑氨基H亞甲基麟酸鹽，去離子水為溶劑，用氨氧化鐘溶液調(diào)節(jié)抑為9. 6。本 發(fā)明較不含該催化劑的拋光液時的33. 29nm/min，藍寶石晶片的去除速率達到38. 43nm/ min,去除速率明顯提高了，為15. 42%;表面無劃痕、凹坑等缺陷，AFM所測表面粗趟度Ra為 0? 078nm。
[0034] 連施例3 ：
[0035] 拋光液包含重量百分比為1. 4X10-3wt%的催化劑，40wt%的Ce02磨粒，W及 2. 5%的馨合劑二己基H胺五己酸五軸，去離子水為溶劑，用氨氧化鐘溶液調(diào)節(jié)抑為9.0。 本發(fā)明較不含此催化劑的拋光液時的18. 90nm/min，藍寶石晶片的去除速率達到20. 79nm/ min,去除速率提高了 10.00% ;表面無劃痕、凹坑等缺陷，AFM所測表面粗趟度Ra為 0.147nm。
[0036] 連施例4 ：
[0037] 拋光液包含重量百分比為0. 7X10-3wt%的催化劑，lOwt%的Si02磨粒，W及 10%的馨合劑氨基H亞甲基麟酸鹽，去離子水為溶劑，用氨氧化鐘溶液調(diào)節(jié)pH為9. 6。本發(fā) 明較不含該催化劑的拋光液時的34. 81nm/min，藍寶石晶片的去除速率達到35. 45nm/min, 去除速率提高了 1. 84% ;表面無劃痕、凹坑等缺陷，AFM所測表面粗趟度Ra為0. 182nm。
[0038] 連施例5 ：
[0039] 拋光液包含重量百分比為l.lX10-3wt%的催化劑，10wt%的Si02磨粒，W及8% 的馨合劑氨基H亞甲基麟酸鹽，去離子水為溶劑，用氨氧化鐘溶液調(diào)節(jié)抑為9. 6。本發(fā)明較 不含催化劑的拋光液時的34. 27nm/min，藍寶石晶片的去除速率達到36. 04nm/min，去除速 率提高了 5. 16%，藍寶石晶片的表面無劃痕和凹坑等質(zhì)量缺陷，AFM所測表面粗趟度Ra為 0.125nm。
[0040] 對比例;
[0041] 用實施例的制備方法合成一種不含碳載體的過渡金屬復合催化劑，并同樣將該催 化劑超聲分散于去離子水中，得到催化劑溶液。
[0042] 拋光液包含重量百分比為1.4X10-3wt%的不含碳載體的過渡金屬復合催化 齊U，lOwt %的Si02磨粒，W及2. 5 %的馨合劑氨基H亞甲基麟酸鹽，去離子水為溶劑，用 3. Omol/L氨氧化鐘溶液調(diào)節(jié)抑為9. 6。藍寶石晶片的去除速率為30. 75nm/min，相比同拋 光條件下，拋光液中不含催化劑時的去除率30. 74nm/min，去除速率沒有得到提高。雖然是 藍寶石晶片的表面無劃痕和凹坑等質(zhì)量缺陷，但是AFM所測表面粗趟度Ra為0. 276nm。
[0043] 表 1 :
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于藍寶石化學機械平坦化的拋光液，該拋光液包含磨料、去離子水、穩(wěn)定劑、 螯合劑，其特征在于還包含碳載非貴金屬催化劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光液，其特征在于，所述各組分的配比如下： 磨粒 10-40wt% 碳載非貴金屬催化劑 0.7x10-3 -1.4x10-3 wt% 穩(wěn)定劑 0.1-8wt% 螯合劑 0.05-I0wt% 去離子水 余量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的拋光液，其特征在于，所述磨料為氧化硅、氧化鈦、氧化 鋁、氧化鈰、氧化鍺和氧化鋯中的一種或幾種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的拋光液，其特征在于，所述螯合劑為檸檬酸鹽、氨基三亞 甲基膦酸鹽、乙二胺四乙酸鹽、丙二胺四乙酸鹽、三乙基四胺六乙酸鹽、二乙基三胺五乙酸 鹽、乙二胺四亞甲基領(lǐng)酸鹽、乙二胺四亞乙基領(lǐng)酸鹽、2-膦酸丁烷-1，2, 4-三羧酸鹽、2-羥 基膦酸基乙酸鹽、雙1，6-亞乙基三胺五亞甲基膦酸鹽、1，2-環(huán)己二胺四乙酸鹽、多氨基多 醚基亞甲基磷酸鹽、三乙烯四胺六亞乙基磷酸鹽、丙二胺斯亞甲基磷酸鹽、己二胺四亞甲基 磷酸鹽、二乙烯三胺五亞乙基磷酸鹽或羥基亞乙基二磷酸鹽中的一種或多種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的拋光液，其特征在于，所述穩(wěn)定劑為氫氧化鉀、氫氧化鈉、 四甲基氫氧化銨、甲基胺、乙基胺、二甲基胺、二乙基胺、三甲基胺、三乙基胺、氨水、乙二胺、 三乙醇胺、碳酸銨、碳酸氫銨、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、碳酸鉀、六水哌嗪、三乙醇胺、氨 基丙醇、乙醇胺、異丙醇胺、乙二胺、氫氧化四甲基中的一種或多種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的拋光液，其特征在于，所述拋光液的PH值為8-10。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的拋光液，其特征在于，所述催化劑為碳載過渡金屬復合 物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的拋光液，其特征在于，所述碳載過渡金屬復合物的過渡金屬 復合物包括Fe, Co、Ni、W、V、Ce、Mo、Ti、Al、Mn、Cr、Sc、Ti、Tc、Ta及其混合物；所述碳載過 渡金屬復合物的碳載體為碳黑、碳納米管、石墨烯、介孔碳、納米碳纖維、碳納米微球、碳納 米籠中的任一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的拋光液，所述碳載過渡金屬復合物催化劑中，過渡金屬優(yōu)選 無機鐵化合物及其有機鐵化合物。
【文檔編號】C09G1/02GK104513628SQ201410811763
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】潘國順, 徐莉, 鄒春莉, 史曉磊, 周艷, 羅桂海, 龔樺 申請人:清華大學, 深圳清華大學研究院