[发明专利]蓝宝石抛光液的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于蓝宝石加工技术领域，具体涉及一种蓝宝石抛光液的制备方法。

背景技术

蓝宝石晶体硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于金刚石。它具有很好的透光性，热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风蚀的特点。蓝宝石晶体的熔点为2050℃，沸点3500℃，最高工作温度可达1900℃。蓝宝石晶体在高温下仍具有较好的稳定性，在可见与红外光范围内，有很好的透过率，因此在LED，手机等光电子、通讯、国防领域都具有广泛的应用。上述应用领域均要求蓝宝石有很好的表面加工精度和表面完整性。

由于蓝宝石晶体的高硬度，高化学稳定性，导致蓝宝石的高效低损伤加工技术成为阻碍蓝宝石广泛应用的主要障碍。目前，单体在100kg以上大小的蓝宝石晶体的生长技术趋于成熟，为了获得可以作为蓝光LED芯片的衬底片，或作为其他应用的蓝宝石窗口片，蓝宝石晶体在经过掏棒，切割，研磨过程后，需要进行精密抛光以获得最终的表面粗糙度。目前只有化学机械抛光技术（Chemical Mechanical Polishing，CMP）可以在较低成本下获得较低的表面粗糙度以及较高的材料去除速率，然而，由于蓝宝石晶体的高硬度，高化学稳定性，整个过程非常耗时冗长，耗人力，加工效率低下，严重影响了蓝宝石晶体片的大规模工业应用。

在蓝宝石晶体的化学机械抛光过程中，抛光液无疑是决定其抛光质量抛光效率的关键，其中磨料的种类、粒径的大小及含量对抛光的速率和抛光表面的粗糙度平整度等有很大的影响。目前。蓝宝石抛光液所使用的磨料主要有三种：金刚石粉体、二氧化硅溶胶和α-Al₂O₃（刚玉氧化铝）的纳米分散液。金刚石的硬度大，能保证高的抛光速率，但即使颗粒大小达到纳米级的金刚石粉体，也会造成蓝宝石的抛光表面损伤严重，因为金刚石的硬度过高，在蓝宝石的表面的抛光过程中，基本上是机械过程，另外，金刚石的使用成本比所有的其他磨料都要高，目前，金刚石液体主要作为蓝宝石的粗抛或研磨使用。蓝宝石的最终化学机械抛光过程中使用最广泛的是碱性二氧化硅溶胶溶液，蓝宝石化学机械抛光用硅溶胶中的二氧化硅粒子一般是在100℃左右的低温合成，硬度远远低于蓝宝石晶体，颗粒大小一般在100nm左右，抛光使用浓度一般在10-20%的范围。由于是低温合成，该抛光液一般不含有超大颗粒，不易划伤蓝宝石晶体的被抛光表面，另外它的悬浮性好，使用方便，抛光液本身的价格便宜，但硅溶胶抛光液的最大缺点是抛光效率低下，抛光时间冗长；另外，硅溶胶抛光液在抛光工艺过程中受热容易凝胶，并容易在蓝宝石表面风干，不宜于后续的清洗工艺，虽然硅溶胶抛光液本身的价格较低，但其综合的加工成本仍然高，效率低是氧化硅溶胶抛光液的最大缺点。

α-氧化铝（Al₂O₃）是众多氧化铝晶相中的最稳定的晶体相，它由其他晶相的氧化铝在高温下转变而成，是天然氧化物晶体中硬度最高的物质，硬度仅次于金刚石，远远大于二氧化硅溶胶颗粒，它是一种常用的抛光用磨料，被广泛用于许多硬质材料的抛光上。α-氧化铝（Al₂O₃）其实与蓝宝石是同一种物质或材料，材料结构中的原子排列模式完全相同，所不同的是多晶体与单晶体的区别。所以，从硬度上讲，α-氧化铝（Al₂O₃）纳米粉体与蓝宝石晶体的硬度相当，可以用于抛光蓝宝石晶体。蓝宝石晶体的抛光一般是在碱性条件下进行，在碱性条件下的高压摩擦可以使蓝宝石的表面发生一定的化学反应，从而使CMP有效进行，所以磨料在碱性水溶液中的稳定性很重要，α-氧化铝颗粒在碱性条件下它比二氧化硅溶胶更加稳定，可以经受更高的温度而不变质，以α-Al₂O₃为磨料的抛光液比硅溶胶可以调整到更高的pH区域，具有更高的抛光速度，同时，可以在抛光过程中反复循环使用，成本低，可以大规模推广使用。α-Al₂O₃粉体可以制备成平均颗粒大小从100nm到1000nm以上的不同的抛光液，用于蓝宝石晶体的粗抛，精抛的不同工序中。