[发明专利]一种蓝宝石衬底材料的热化学机械抛光法及抛光液

说明书

技术领域

本发明涉及微电子辅助材料及加工工艺技术领域，特别是一种用于蓝宝石衬底材料的热化学机械抛光法及抛光液。

背景技术

蓝宝石集优良的光学、物理和化学性能于一体，与天然的宝石有着相同的光学性能、力学性能、热学性能、电气性能和介电特性，并且化学性质稳定、防腐蚀，莫氏硬度达到9级，仅次于金刚石的硬度。由于蓝宝石本身具有优良的性质故其已经广泛被应用于国防、科研、工业等领域，在其众多的应用中由于蓝宝石与GaN之间的晶格常数失配率小，所以现阶段是最主要的GaN薄膜外延衬底之一。由于GaN被誉为第三代半导体材料，其有着很广泛的应用，但是GaN很难制作块体材料，必须要在其他的衬底材料上生长GaN薄膜。在众多的衬底材料中蓝宝石被实践证明是最适合GaN生长的衬底材料。目前已经在蓝宝石衬底上外延生长出了GaN薄膜，并且已经研发出GaN基的蓝色发光二极管及激光二极管。

要想外延生长出高质量的GaN薄膜，必须对衬底材料进行抛光以得到平整光亮、晶格完整的清洁表面。衬底表面质量直接影响着外延层的质量，器件的性能参数及产品的成品率。所以应用于制造生产的蓝宝石衬底材料必须经过抛光才能应用到实际的生产中去。蓝宝石的抛光方法一般有机械、化学和机械化学的抛光方法。机械抛光是用硬质磨料对晶片抛光，但是蓝宝石的莫氏硬度为9仅次于金刚石，故机械研磨很难将其表面抛光，而且这种靠机械力抛光的加工方法使衬底表面质量不高而且存在较深的亚表层损伤，导致产品性能和加工成品率的降低；化学抛光其抛光速率低而且抛光的表面形貌的精度会降低；化学机械抛光综合了机械和化学抛光的优势，在抛光速率、抛光精度、表面损伤方面有着明显的提高。以上所述蓝宝石的抛光方法都有其各自的特点，但是对于切割完表面具有较深划痕的蓝宝石晶片其抛光的加工效率较低，要得到较好的表面质量需要较长的时间，且抛光后表面还会出现腐蚀坑和亚表面层有微裂缝等问题。这些问题与抛光过程中所使用的抛光液有着机密切的关系。目前关于蓝宝石抛光方法和抛光液已经有了相关的报道。下面是各种有关蓝宝石抛光的方法。

专利（CN1203965C）掺钛蓝宝石晶体激光棒的表面加工方法介绍一种掺钛蓝宝石晶棒端面的加工方法，能够得到较平整的断面表面，晶格表面完整平滑，而且在这种表面上沉积的薄膜具有很高的激光破坏阈值，因此非常适合用于制作激光器件的衬底。但是抛光过程中涉及到了高温热处理及酸液腐蚀，这使得加工过程能量消耗过大，酸液腐蚀对设备的要求也提高了，蓝宝石晶棒加工完成后的废液处理使加工成本增加。

专利（CN1289261C）光学蓝宝石晶体基片的研磨工艺公开了一种蓝宝石晶体基片的研磨方法，包括粗磨、精磨、抛光三个步骤。此方法能够有效地降低蓝宝石衬底表面的粗糙度，但是采用硬度比蓝宝石大的金刚石磨料在研磨抛光的过程中容易造成蓝宝石衬底亚表层裂缝。

专利（CN100556619C）蓝宝石衬底材料表面粗糙度的控制方法介绍了一种碱性抛光液其磨料为SiO₂。整个抛光过程分为两步第一步粗抛，第二步精抛。由于采用的磨料SiO₂ 莫氏硬度小于蓝宝石，故抛光的速率不是很高，整个衬底材料加工的效率不高。

专利（CN100528480C）蓝宝石衬底材料高去除速率的控制方法介绍了一种利用强化学作用来提高抛光速率的方法，但是此方法抛光后的蓝宝石衬底材料表面粗糙度无法控制，且由于过强的化学方应会在表面出现腐蚀坑。

专利（CN101604666A）蓝宝石衬底及抛光方法与应用介绍了一种蓝宝石衬底材料的抛光方法，此方法抛光后的表面具有随机无序的凹陷的图形结构，且只能实现局部平坦化，不能够实现全局平坦化。

专利（CN100433268C）蓝宝石衬底磨削方法介绍了一种使用砂轮来磨削表面以达到减薄蓝宝石衬底的目的，此方法采用间歇式磨削的方法，使砂轮总是保持在一个比较锋利的状态，所以降低了破裂和掉边的可能性，同时有效地释放了表面的应力，降低了去蜡后衬底的曲翘度。但是此方法减薄后的衬底表面的粗糙度较大，切在磨削的过程中可能会引起压表面层裂缝等问题。

专利（CN101664894A）蓝宝石的抛光装置及抛光方法介绍了一种用激光束去除蓝宝石衬底表面微量物的方法。此方法能够很好的控制表面的去除量及去除速率，同时降低了表面的粗糙度和潜在损伤的可能性，但是此方法的耗能过高，切抛光的设备复杂，操作不便。