白寶石（Al2O3）晶體基片的拋光液的研制及加工工藝

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張向東1 趙海法1 江曉平2 張 革2
　　　　　　 （1.東北微電子研究所 2.沈陽科晶設備制造有限公司）

　　摘要：本文介紹了用國產設備和國產原料加工白寶石（Al2O3）晶體基片的工藝流程，并著重介紹了用于拋光白寶石晶體基片的拋光液的原理和使用效果。
關鍵詞：白寶石（Al2O3）晶體基片
　　　　物理研磨、化學拋光、拋光液

1 引 言
　　 白寶石（Al2O3）晶體基片是生產蘭色發光體及蘭色激光器的基礎材料。他的襯底表面質量好壞，直接影響器件的性能和成品率。因此、（Al2O3）晶體基片襯底加工技術，如同其他半導體晶片一樣，經歷了不斷發展和*而成為晶體基片加工的一個新亮點。國內隨著晶體襯底加工設備的引進，也引進了（Al2O3）晶體基片的加工工藝。但是，其成本很高，受控于人。是否能夠用國產設備和國產材料，加工出合格的Al2O3晶體基片，成為一個新的課題。
　　 本文就這一課題，將介紹（Al2O3）晶體基片的加工設備的選擇、工藝特點、工藝流程、核心技術及原理，拋光液和Al2O3晶體基片加工工藝的實際使用效果和推廣應用前景。

2 設備選擇
　　設備選擇是非常關鍵的，其本身的技術指標，制造質量以及運轉情況，對晶體加工質量是有很大影響的。對研磨而言，設備運轉的平整度是至關重要的，它直接影響到加工基片的質量好壞。對拋光來說，轉速慢，速率底，易腐蝕，所加工的晶片化學速率大于機械速率。轉速快，機械作用太強，易掉片，表面損傷層很大，質量也不好。相對轉數100～120轉/分之間是合適的。經考查和實驗，沈陽科晶設備制造有限公司研制生產的UNPOL -1501型、UNPOL-1502型，以及UNPOL-801型和UNPOL-802型精密研磨拋光機符合各種晶體基片加工的要求，適用于白寶石晶體基片的加工工藝。是較好的小型生產線上的理想加工設備。

3 工藝特點
　　 白寶石（Al2O3）晶體基片由于硬度高及本身結構的原因，以及引進加工設備所附帶工藝的影響，基本是以物理研磨為主的加工工藝，各種磨料是進口的。從顆粒較大的金剛石研磨料開始研磨，經多次研磨，每次都遞減金剛石的顆粒度，直至到合適于工藝要求的微粒金剛石粉，將白寶石晶體基片加工成符合工藝要求的襯底晶片來，也就是所謂的物理拋光工藝。很費時，所需的設備及研磨材料的成本也是昂貴的。
　　 使用國產設備和國產磨料，白寶石（Al2O3）晶體基片加工工藝采用物理研磨和化學拋光的加工工藝方法，全部國產化，從而降低了加工成本。其特點是：前半部工藝為物理研磨工藝（分別為粗磨和精磨），而后半部工藝為化學拋光工藝（分別為粗拋和精拋）。

4 工藝流程
　　 根據白寶石（Al2O3）的本身結構、性質及硬度，根據國內設備及研磨材料，以及在此基礎上研制的白寶石晶體基片拋光液的本身特點，白寶石晶體基片的加工工藝流程如下：

選 片 → 粘 片 → 粗磨1 → 粗 磨2 → 粗磨3
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↓
合格片 ← 精拋光 ← 粗拋光 ← 精磨2 ← 　精磨1

　

以上工藝視白寶石（Al2O3）晶體基片本身的情況，可減少研磨工序的次數，加工時間大致8小時。研磨5小時，每道研磨工序大致1小時左右。粗磨時可減少時間。精磨時，可適當增加時間。拋光3小時，其中：粗拋光工序2小時，精拋光工序1小時。

5 核心技術及原理
　　本工藝的核心就是采用了化學機械拋光的方法。在精磨白寶石（Al2O3）晶體基片的基礎上，進行化學機械拋光來取代引進工藝的后部物理拋光方式。拋光工藝采用粗拋光和精拋光的結合方式，以去除精磨時研磨料對白寶石（Al2O3）晶體基片表面的機械損傷層，進一步提高白寶石晶體基片表面的平整度和光潔度，加工出符合工藝線上要求的合格襯底晶片來。
　　拋光液是根據白寶石（Al2O3）的化學物理性質以及有關的化學反應原理為依據，精選數種試劑，經再配制及有關化學反應而研制成功的。分為兩種劑型，用于粗拋光工藝和精拋光工藝。該拋光液也可做成濃縮母液，便于使用和運輸。使用時，將濃縮母液用高純水稀釋后使用，無毒、無味。
　　 在白寶石（Al2O3）晶體基片的加工工藝中，拋光原理應符合下列設想：首先，該拋光液中的某種成份將Al2O3氧化，使AL2O3表面形成離子形式，在堿性條件下，即有偏鋁酸根離子生成：

　　　　　　 Al+ + + + 3OH－ → H2O + HAlO2 → H + AlO2－

　　 在機械條件作用下，這些離子進入拋光液中，從而使Al2O3晶體基片露出新的表面來，使得拋光液中的某種成份和Al2O3晶體基片表面能夠繼續進行化學反應。進入拋光液中的偏鋁酸根離子與拋光液中的某種金屬離子進行化學反應，生成結晶沉淀，這些結晶沉淀反過來又參與拋光。以上過程反復進行，使白寶石（Al2O3）晶體基片表面的平整度和光潔度達到工藝要求。

6 工藝效果
　　利用該工藝進行白寶石（Al2O3）晶體基片加工，Al2O3晶體基片表面光亮、疏水性好，無劃痕，無凹坑、無云霧狀、無弧坑、波紋和桔皮。在400倍顯微鏡下觀察，晶片襯底良好，達到了工藝要求。
　　在國產的設備上，采用國產研磨拋光材料來加工白寶石（Al2O3）晶體基片是國內一些加工白寶石（Al2O3）晶體基片廠家的要求。該工藝提供了這方面要求的一個可行工藝流程，并得到了初步的認可。
　　深圳某制造蘭色發光二級管的公司。在Al2O3晶片上制好二級管的管芯后，要對AlL2O3基片背后進行減薄處理和拋光。利用該工藝流程進行實驗，先進行研磨，然后進行拋光，達到了減薄、拋光的目的，符合zui終的工藝要求。
　　天津某半導體研究所進行白寶石（Al2O3）晶體基片的加工，采用沈陽科晶設備制造有限公司生產的拋光研磨設備，使用以上介紹的工藝流程，生產出合格的（Al2O3）晶體基片，達到了工藝要求。

7 應用背景
　　 白寶石（Al2O3）晶體基片加工工藝和拋光液研制基礎就是在于用國產設備替代進口設備，采用國產的研磨料和拋光液替換進口的研磨料和拋光液，也就是所謂的全部國產化。做到了這一點，應用前景是樂觀的，是有前途的。
　　 首先，在保證白寶石（Al2O3）晶體基片加工質量不變的前提下，使用國產設備替代進口設備，設備本身價格下降幾倍甚至更多，降低了加工成本和培訓費用。而設備的維修保養、更換易損部件，不但方便，而且又節省了一大筆開支。
　　 其次，研磨料和拋光液的國產化，代替了昂貴的進口研磨料和拋光液，價格也是成倍的降低，采用易得的國產原料，不但降低了成本，同時也提高了加工廠家的經濟效益。
　　 以上兩點正是本文介紹的白寶石（Al2O3）晶體基片加工工藝所要做到的，使用國產設備，利用國產原料，加工出的晶體基片符合工藝要求，滿足了國內加工白寶石晶體基片廠家的要求。
　　 由于設備國產化，研磨原料、拋光液原料的國產化，加工成本會成倍降低，成本的降低，會產生較高的經濟效益，提高了加工廠家的競爭力。因此，本工藝的推廣是樂觀的。