二氧化矽PK氧化鋁!究竟誰是藍寶石拋光液的主流?

2020-12-06 雷蒙機

藍寶石具有良好的光學、熱學、介電性能和優良的力學性能,同時具有優良的化學穩定性和熱穩定性能以及抗輻射性能,是一種綜合性能優良的多功能晶體材料,廣泛應用於半導體外延襯底材料包括氮化鎵襯底、SOI襯底(SOS),光學窗口以及雷射基質材料等。

(圖片來源:網絡)

正因為藍寶石具有特別穩定的化學性質和很高的硬度,這就增加了藍寶石材料的加工難度。藍寶石晶片加工過程面臨許多技術挑戰,其中就包括拋光這一工藝過程。

藍寶石拋光液中的主要成分有磨料、pH調節劑、表面活性劑、螯合劑等,拋光液是影響CMP(化學機械拋光)效果最重要的因素之一。評價拋光液性能好壞的指標是流動性好,分散均勻,在規定時間內不能產生團聚、沉澱、分層等問題,磨料懸浮性能好,拋光速率快,易清洗且綠色環保等。

其中,磨料主要影響化學機械拋光中的機械作用。磨料的選用主要從磨料的種類、濃度以及粒徑三個方面來考慮。目前CMP拋光液中常用的磨料主要有金剛石、氧化鋁、氧化矽等單一磨料,也有氧化矽/氧化鋁混合磨料以及核殼型的複合磨料等。

氧化鋁磨料表面細膩,質地堅硬,耐磨性好,耐腐蝕,適用於多種材料的表面研磨拋光處理,市面上最常用的就是性能優良的α-Al2O3磨料。氧化鋁磨料的缺點是分散性和選擇性較差,拋光液的粘度大,不易清洗。並且由於α-Al2O3磨料的硬度與藍寶石相近,在拋光過程中容易對工件表面造成新的損傷。但由於氧化鋁磨料的拋光速率優於二氧化矽磨料,LED產業的市場前景廣闊,未來Al2O3拋光液在CMP中的作用會更加重要,近些年來氧化鋁拋光液的研究方向主要集中在納米磨料製備,氧化鋁表面改性以及氧化鋁拋光液混合應用等方面。

二氧化矽磨粒硬度適中、顆粒大小可控,拋光選擇性好,可製備成分散性能優良的矽溶膠,廣泛應用於單晶矽、SiO2介質層、碲鋅鎘晶體、鈦合金、鎳基合金、銅、藍寶石晶體等材料的精密拋光。納米級的二氧化矽表面活性高,能夠與藍寶石(α-Al2O3)表面發生固相化學反應生成質地較軟的反應層。二氧化矽的莫氏硬度為7,其硬度高於反應層的硬度且低於基體材料的硬度,因而在拋光過程中既能去除反應層,又不會對基體表面造成新的損傷。

基於以上的分析,有研究者認為,目前藍寶石拋光行業主流採用的仍是納米二氧化矽作為拋光液,最後得到拋光表面的粗糙度(Ra,原子力顯微鏡測試)均在0.3nm以下。在拋光過程中,二氧化矽拋光液與藍寶石表面反應生成矽酸鋁的二水化合物。

儘管三氧化二鋁磨料可以作為藍寶石拋光液,但由於現在生產的三氧化二鋁磨料一般是通過煅燒、研磨、篩選而得,要想得到均勻一致性好、粒徑達到納米級的三氧化二鋁很困難。最致命的是三氧化二鋁硬度大,拋光表面劃傷嚴重;粘度大,拋光表面不易清洗乾淨,很難保證拋光材料的表面平整度。

儘管也有報導三氧化二鋁作為拋光液,但目前大多在試驗階段,主要存在的問題有:

(a)對設備的轉速要求較高;(b)藍寶石表面粗糙度相對較大;(c)表面缺陷稍多;(d)成本較高。

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