藍寶石基片超精密拋光技術研究進展

羅求發,陸 靜,徐西鵬

(1.華僑大學脆性材料加工技術教育部工程研究中心,福建廈門361021; 2.華僑大學制造工程研究院,福建廈門361021)

藍寶石基片超精密拋光技術研究進展

羅求發1,2,陸 靜1,2,徐西鵬1,2

(1.華僑大學脆性材料加工技術教育部工程研究中心,福建廈門361021; 2.華僑大學制造工程研究院,福建廈門361021)

介紹了作為LED襯底材料使用的藍寶石基片拋光方法的進展。通過介紹各種拋光技術所依靠的機械能、化學能、復合能和特種能場等的不同能場形式分析了當前不同藍寶石基片拋光技術,如浮法拋光、磁流變拋光、水合拋光、化學機械拋光和激光拋光等的工藝原理和技術特點,指出當前現有加工方法的優缺點和發展進程。目前藍寶石襯底的拋光質量已達到表面粗糙度為0.1nm、平面度為0.5μm。隨著機械表面界面科學和加工工藝的不斷進步,數字化、全自動和環境友好型的拋光技術是未來藍寶石襯底加工的發展方向。

藍寶石基片;拋光工藝;化學機械拋光

0 前 言

藍寶石以其高硬度、高熔點、透光性好、電絕緣性優良和化學性能穩定的特點而被廣泛應用于機械、光學和信息等高技術領域[1-3]。隨著高新技術的不斷發展,對藍寶石的加工要求也不斷提高。例如在飛速發展的LED產業中就要求對作為襯底的藍寶石進行表面精度和表面粗糙度為亞納米級的加工,但目前國內藍寶石批量生產的加工技術很不成熟,加工的材料易出現裂痕和崩邊現象,或因其表面的劃痕較重而導致返工的比例較高,因此對藍寶石的超精密加工進行研究已刻不容緩[4]。

拋光常作為元件加工的最后一道工序,其加工質量在許多場合直接決定了產品的使用性能和壽命,對于藍寶石基片的拋光更是如此。機械表面界面科學和檢測技術的發展也大大促進了拋光技術的發展。隨著人們對拋光技術的要求不斷提高,藍寶石拋光技術已從單一形式的拋光方法向復合拋光方法,從微米尺度向納米尺度甚至原子尺度的方向發展。機械、光、電、化學、磁場和超聲等不同的能量形式已廣泛用于藍寶石拋光[5]。一般而言,表面材料的去除多是通過切削、耕犁、滑擦、腐蝕、氣化和電子撞擊等方式來實現的,不同形式的加工方法都具有各自的特點和適用范圍。根據不同的去除原理,藍寶石基片也已發展出了不同的拋光方法。

對于作為外延片襯底的藍寶石,在進行超精密加工時,既要求其表面粗糙度實現亞納米級的加工,又要求其表面及次表面不能有或盡量減小損傷層,同時還要兼顧加工效率。由于藍寶石的硬度僅次于金剛石,不易進行研磨拋光,加工時間長,且由于其脆性大,極易形成加工表面缺陷和次表面損傷。本文將根據拋光所運用的不同能量形式,對當前出現的藍寶石超精密拋光技術的加工方式、加工原理及加工特點進行分析。

1 機械能為主的拋光方法

切片是藍寶石單晶材料加工過程中的一個重要步驟,晶棒切割的厚度和優劣直接決定了晶片研磨、拋光工序的加工效率和加工質量。

以機械能為主的拋光方法是出現最早,研究最為深入的一種拋光方法,主要是采用比藍寶石基片更硬的物質作為磨粒,在外界力的作用下使磨粒在晶片表面產生磨削和滾壓,依靠磨粒產生的犁削和滑擦作用將晶片表面材料去除。根據對磨粒施加的作用力的不同,常見的以機械能為主的拋光方法主要有浮法拋光、超聲波拋光、磁流變拋光、流體濺射拋光等。

浮法拋光[6]主要是依靠含有硬質磨粒的拋光劑在工件和轉動磨具之間的空隙高速流動,使磨粒與工件表面產生碰撞從而實現拋光,如圖1所示。由于浮法拋光采取非接觸的方式,其材料去除量小,拋光磨損也非常小,當對面形精度要求較高時,對所用錫盤的面形精度要求也較高。

圖1 浮法拋光原理圖Fig.1 Schematic diagram of float polishing

超聲波拋光是將超聲電信號通過換能器和變幅桿使磨粒產生振動,向晶片表面高速沖擊并拋磨工件表面。通過調節加工參數可方便控制加工效果,適用于窄小部位、復雜型腔等部位的加工。

磁流變拋光[6]是一種新興的進行超光滑表面加工的方法,是電磁學、液體力學和化學等應用于加工光學表面而形成的一種技術,其利用含有磁性磨粒的磁流變液在磁場作用下在工件與運動盤之間形成具有高剪切屈服力的微凸起對工件表面產生較大的剪切力,從而實現基片表面材料的去除,如圖2所示。該方法的拋光效率高、質量好,易于實現計算機控制,但目前在技術實現上仍存在磁流變液的研究和磁流變拋光過程的數字化控制等難題。

圖2 磁流變拋光原理圖Fig.2 Schematic diagram of magneto-rheological polishing

流體濺射拋光是利用壓力泵將拋光液運送到噴嘴處,以高速噴射到工件表面以實現材料的去除的一種拋光方法。通過調節噴射壓力、噴嘴與工件之間的距離及噴嘴軸與工件表面法向之間的夾角可獲得不同形狀的去除。

2 化學能為主的拋光方法

由于藍寶石的硬度較高,在拋光過程中常利用化學作用用以提高加工效率和質量。主要依靠化學能的拋光方法主要有水合拋光等。

最初的化學拋光是將藍寶石晶片直接浸泡在酸堿性的拋光液中,依靠拋光液的酸堿成分在晶片高度不同的表面其化學反應速度也不同從而實現拋光。該方法存在很多缺陷,如加工速度慢,表面不光潔,化學物質消耗量大且污染環境等已不再單純使用。

水合拋光主要是依靠加工過程中高溫水蒸汽與藍寶石基片表面發生水合反應,生成硬度較低的氧化鋁水合物,再通過木質拋光盤與基片的摩擦力將其去除。水合拋光的優點在于不使用任何磨料和化學腐蝕液,拋光無污染,拋光后基片的面形精度高等。

3 復合拋光方法

隨著對藍寶石基片拋光質量的要求越來越高,依靠單一能場的拋光質量已不能滿足。結合不同能場拋光技術的加工特點,逐漸發展出了多種不同能場組合而成的復合拋光方法,其中以機械能與化學能組合成的復合拋光方法在目前應用得最為廣泛。通過與藍寶石發生反應的物質使材料表面生成硬度較低的反應物,再由機械作用將產物去除,從而實現藍寶石晶片拋光,其是化學能與機械能的相互加強和促進的過程。根據化學反應產生的動力源不同可將該復合拋光方法分為化學機械拋光(CMP)和機械化學拋光(MCP)。

單晶藍寶石的化學機械拋光是指在拋光過程中拋光液中的化學物質成分使單晶藍寶石表面產生鈍化層,再在磨料的去除作用下將生成的鈍化層去除以顯露出新的藍寶石表層再由化學物質與其進行反應,如此不斷循環以實現藍寶石的精密拋光的過程,其過程是化學作用與機械作用相互加強和促進的過程,也可將其基本原理概括為拋光液與藍寶石表面產生化學反應,反應生成物由磨粒的切削力進行去除,為新的化學反應創造條件,如圖3所示[7]。

圖3 化學機械拋光原理圖Fig.3 Schematic diagram of CMP

在化學機械拋光的過程中,為了避免在工件表面產生刮痕和次表面破壞,所含細微磨粒多采用硬度不及藍寶石的二氧化硅等。為了避免化學反應引入鋁離子,帶來離子的二次沾污給清洗帶來困難,拋光液多選用堿性拋光液。

單晶藍寶石的化學機械拋光是由化學腐蝕和機械磨削來完成的,具體則是由拋光盤、拋光液、拋光墊及動力系統來實現的,因此影響最終加工質量和效率的因素較多[8-12],如圖4所示。

圖4 化學機械拋光的影響因素Fig.4 Influence factors of CMP

人們通過大量實驗來驗證不同的加工條件對拋光效果的影響,現總結幾個經常進行調控的加工參數進行舉例說明:

拋光液PH值:高PH值的拋光液不僅可以防止沉淀的產生,而且可以增強拋光中的化學作用,使化學作用與機械作用良好結合,從而提高拋光速率。但當PH值超過某一閥值,二氧化硅顆粒在此高堿性環境中會產生自溶解現象,使加工過程中的磨削作用減弱,反而會使拋光速率減弱。同時高的PH值的加工廢液難以進行處理,對環境影響較大。

溫度:溫度在拋光中起著非常重要的作用。一般認為在加工過程中溫度越高,拋光速率越高,表面平整度越好,但高溫又會導致化學腐蝕嚴重,表面完美性差,因此溫度必須在合適的范圍內才能滿足加工要求,例如圓晶片的平整化要求。

拋光壓力:在加工過程中,壓力的選擇要兼顧效率和質量兩方面的要求。增大加工壓力可以提高磨粒的磨削能力,提高拋光效率,但過大的加工壓力又易在藍寶石基片上留下表面劃痕和次表面損傷。

另外還有磨粒、活性劑、加工時間及拋光墊的特性等諸多因素都會對最終的拋光效果產生影響,且各個影響因素之間又存在著相互影響、相互制約的關系。

化學機械拋光技術雖已廣泛應用于藍寶石晶片的大規模拋光加工,但其所使用的酸堿性拋光液由于難于處理,又會給環境帶來污染。

機械化學拋光主要是利用能與藍寶石表面發生固相反應的氧化物軟磨粒,例如Fe2O3、SiO2、Mg O、CeO2和Zn O等,或表面接枝改性、晶格摻雜和核殼結構等復合磨粒[13-16]代替化學機械拋光中的酸堿性拋光液。在拋光壓力作用下氧化物磨粒與工件表面的微凸起產生接觸,使其在瞬間產生的高溫高壓環境下發生固相反應,生成硬度較低的反應物而被磨粒去除。

化學機械拋光和機械化學拋光由于都使用硬度低于藍寶石的軟磨料,故加工表面無亞表面損傷,加工效率高。

4 特種能場的拋光方法

特種能場的拋光方法作為非接觸式的拋光方法主要有激光束拋光和粒子束拋光等。

激光束拋光藍寶石基片是通過含有高能量密度的激光束照射工件表面利用熱作用和光化作用使表面材料熔化、蒸發從而實現材料去除的一種方法。拋光過程主要通過調節激光脈沖能量密度(脈沖能量、聚焦光斑直徑)、激光入射角、掃描速度和激光掃描等方式對激光拋光過程進行控制[17]。

圖5 激光拋光原理圖Fig.5 Schematic diagram of laser polishing

粒子束拋光利用高能粒子束濺射對材料表面進行原子量級的去除,粒子充當磨粒的作用。粒子束拋光時不產生熱量,因此不會引起表面裂紋、應力、變形和表面污染等問題,加工精度高。通過一次加工過程即可實現對工件表面面形(如球面、非球面、非對稱的自由曲面等)誤差的完全修正[18]。由于加工需要在真空環境下進行,因此設備制造費用較大,需要計算機、高真空設備和高精度干涉儀等現代化設備。

圖6 粒子束拋光原理圖Fig.6 Schematic diagram of particle beam polishing

5 結 論

隨著對加工質量的要求越來越高,更多的新型超光滑表面加工技術被應用于外延片襯底的藍寶石基片的拋光。不同加工參數對平面度和表面粗糙度等拋光效果的影響、建立完善的理論模型、最優加工參數的確定和工藝、設備和拋光液的研究等日益成為今后的研究內容。加工機理的探討、復合拋光方法和新型拋光方法的開發是當代拋光技術的主要研究重點。本文總結了依靠不同能場形式形成的不同拋光方法及其加工特點,并重點介紹了已被廣泛應用的化學機械拋光方法,希望能對藍寶石拋光技術進一步的發展具有一定的指定意義。

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Research Progress on Ultra-Precision Polishing Technology for Sapphire Substrate

LUO Qiu-fa1,2,LU Jing1,2*,XU Xi-peng1,2
(1.MOE Engineering Research Center for Brittle Materials Machining,Huaqiao University,Xiamen,Fujian 361021; 2.Institute of Manufacturing Engineering,Huaqiao University,Xiamen,Fujian 361021)

The progress on ultra-precision polishing technology for sapphire substrate used as LED substrate material has been introduced.Technical principles and characteristics of different polishing technologies for sapphire substrate,such as float polishing,magnetorheological polishing,hydration polishing,CMP and laser polishing,have been analyzed through introduction of different forms of energy fields such as mechanical energy,chemical energy,complex energy and special energy on which the various kinds of polishing technologies rely.And the merit and demerit of the current processing methods and development process have been pointed out.At present,the polishing quality of sapphire substrate has reached a surface roughness of 0.1nm and flatness of 0.5um.With the continuous improvement of mechanical surface interface science and the processing technology,the digitalized,automatic and environment friendly polishing technology will be the future development direction of sapphire substrate processing.

sapphire substrate;polishing process;CMP

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0047-05

2016-08-17

羅求發(1989-),男,博士研究生。主要研究方向為碳化硅晶片和藍寶石晶片的超精密加工。E-mail:luoqf1016@163.com。

陸靜E-mail lujing26@hqu.edu.cn。

羅求發,陸靜,徐西鵬.藍寶石基片超精密拋光技術研究進展[J].超硬材料工程,2017,29(1):47-51.