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(shè)備制造有限公司）

　　摘要：本文介紹了用國產(chǎn)設(shè)備和國產(chǎn)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(guān)鍵詞：白寶石（Al2O3）晶體基片
　　　　物理研磨、化學(xué)拋光、拋光液

1 引 言
　　 白寶石（Al2O3）晶體基片是生產(chǎn)蘭色發(fā)光體及蘭色激光器的基礎(chǔ)材料。他的襯底表面質(zhì)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(shù)，如同其他半導(dǎo)體晶片一樣，經(jīng)歷了不斷發(fā)展和完善而成為晶體基片加工的一個(gè)新亮點(diǎn)。國內(nèi)隨著晶體襯底加工設(shè)備的引進(jìn)，也引進(jìn)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(chǎn)設(shè)備和國產(chǎn)材料，加工出合格的Al2O3晶體基片，成為一個(gè)新的課題。
　　 本文就這一課題，將介紹（Al2O3）晶體基片的加工設(shè)備的選擇、工藝特點(diǎn)、工藝流程、核心技術(shù)及原理，拋光液和Al2O3晶體基片加工工藝的實(shí)際使用效果和推廣應(yīng)用前景。

2 設(shè)備選擇
　　設(shè)備選擇是非常關(guān)鍵的，其本身的技術(shù)指標(biāo)，制造質(zhì)量以及運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對(duì)晶體加工質(zhì)量是有很大影響的。對(duì)研磨而言，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的平整度是至關(guān)重要的，它直接影響到加工基片的質(zhì)量好壞。對(duì)拋光來說，轉(zhuǎn)速慢，速率底，易腐蝕，所加工的晶片化學(xué)速率大于機(jī)械速率。轉(zhuǎn)速快，機(jī)械作用太強(qiáng)，易掉片，表面損傷層很大，質(zhì)量也不好。相對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)100～120轉(zhuǎn)/分之間是合適的。經(jīng)考查和實(shí)驗(yàn)，沈陽科晶設(shè)備制造有限公司研制生產(chǎn)的UNPOL -1501型、UNPOL-1502型，以及UNPOL-801型和UNPOL-802型精密研磨拋光機(jī)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(chǎn)線上的理想加工設(shè)備。

3 工藝特點(diǎn)
　　 白寶石（Al2O3）晶體基片由于硬度高及本身結(jié)構(gòu)的原因，以及引進(jìn)加工設(shè)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(jìn)口的。從顆粒較大的金剛石研磨料開始研磨，經(jīng)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(fèi)時(shí)，所需的設(shè)備及研磨材料的成本也是昂貴的。
　　 使用國產(chǎn)設(shè)備和國產(chǎn)磨料，白寶石（Al2O3）晶體基片加工工藝采用物理研磨和化學(xué)拋光的加工工藝方法，全部國產(chǎn)化，從而降低了加工成本。其特點(diǎn)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(xué)拋光工藝（分別為粗拋和精拋）。

4 工藝流程
　　 根據(jù)白寶石（Al2O3）的本身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及硬度，根據(jù)國內(nèi)設(shè)備及研磨材料，以及在此基礎(chǔ)上研制的白寶石晶體基片拋光液的本身特點(diǎn)，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(shù)，加工時(shí)間大致8小時(shí)。研磨5小時(shí)，每道研磨工序大致1小時(shí)左右。粗磨時(shí)可減少時(shí)間。精磨時(shí)，可適當(dāng)增加時(shí)間。拋光3小時(shí)，其中：粗拋光工序2小時(shí)，精拋光工序1小時(shí)。

5 核心技術(shù)及原理
　　本工藝的核心就是采用了化學(xué)機(jī)械拋光的方法。在精磨白寶石（Al2O3）晶體基片的基礎(chǔ)上，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光來取代引進(jìn)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(jié)合方式，以去除精磨時(shí)研磨料對(duì)白寶石（Al2O3）晶體基片表面的機(jī)械損傷層，進(jìn)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(jù)白寶石（Al2O3）的化學(xué)物理性質(zhì)以及有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)原理為依據(jù)，精選數(shù)種試劑，經(jīng)再配制及有關(guān)化學(xué)反應(yīng)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(yùn)輸。使用時(shí)，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(yīng)符合下列設(shè)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(jī)械條件作用下，這些離子進(jìn)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(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶沉淀，這些結(jié)晶沉淀反過來又參與拋光。以上過程反復(fù)進(jìn)行，使白寶石（Al2O3）晶體基片表面的平整度和光潔度達(dá)到工藝要求。

6 工藝效果
　　利用該工藝進(jìn)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(dá)到了工藝要求。
　　在國產(chǎn)的設(shè)備上，采用國產(chǎn)研磨拋光材料來加工白寶石（Al2O3）晶體基片是國內(nèi)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(gè)可行工藝流程，并得到了初步的認(rèn)可。
　　深圳某制造蘭色發(fā)光二級(jí)管的公司。在Al2O3晶片上制好二級(jí)管的管芯后，要對(duì)AlL2O3基片背后進(jìn)行減薄處理和拋光。利用該工藝流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先進(jìn)行研磨，然后進(jìn)行拋光，達(dá)到了減薄、拋光的目的，符合zui終的工藝要求。
　　天津某半導(dǎo)體研究所進(jìn)行白寶石（Al2O3）晶體基片的加工，采用沈陽科晶設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的拋光研磨設(shè)備，使用以上介紹的工藝流程，生產(chǎn)出合格的（Al2O3）晶體基片，達(dá)到了工藝要求。

7 應(yīng)用背景
　　 白寶石（Al2O3）晶體基片加工工藝和拋光液研制基礎(chǔ)就是在于用國產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)口設(shè)備，采用國產(chǎn)的研磨料和拋光液替換進(jìn)口的研磨料和拋光液，也就是所謂的全部國產(chǎn)化。做到了這一點(diǎn)，應(yīng)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(zhì)量不變的前提下，使用國產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備本身價(jià)格下降幾倍甚至更多，降低了加工成本和培訓(xùn)費(fèi)用。而設(shè)備的維修保養(yǎng)、更換易損部件，不但方便，而且又節(jié)省了一大筆開支。
　　 其次，研磨料和拋光液的國產(chǎn)化，代替了昂貴的進(jìn)口研磨料和拋光液，價(jià)格也是成倍的降低，采用易得的國產(chǎn)原料，不但降低了成本，同時(shí)也提高了加工廠家的經(jīng)濟(jì)效益。
　　 以上兩點(diǎn)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(chǎn)設(shè)備，利用國產(chǎn)原料，加工出的晶體基片符合工藝要求，滿足了國內(nèi)加工白寶石晶體基片廠家的要求。
　　 由于設(shè)備國產(chǎn)化，研磨原料、拋光液原料的國產(chǎn)化，加工成本會(huì)成倍降低，成本的降低，會(huì)產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益，提高了加工廠家的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，本工藝的推廣是樂觀的。