纳米SiO2抛光液的制备及在蓝宝石抛光中的应用

２０１３年７月　第３８卷第７期　润滑与密封　ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｊｕｌｙ　２０１３　Ｖ０１．３８　Ｎｏ．７　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１３．０７．０１９　纳米ＳｉＯ２抛光液的制备及在蓝宝石抛光中的应用　张泽芳　，　侯营　闫未霞　刘卫丽　宋志棠　上海２０１５０６）　（１．中国科学院上海微系统与信息技术研究所，信息功能材料国家重点实验室　上海２０００５０；２．上海新安纳电子科技有限公司摘要：制备一种纳米氧化硅抛光液，采用扫描电子显微镜、激光粒度仪、颗粒计数仪等对其物性参数进行表征；　使用该抛光液对ＬＥＤ蓝宝石衬底进行机械化学抛光，采用轮廓仪、表面缺陷检测设备、原子力显微镜等对抛光后的蓝　宝石衬底表面进行表征。结果表明，制备的纳米氧化硅抛光液对ＬＥＤ蓝宝石衬底具有优异的抛光性能，抛光后的表面　无划伤、无腐蚀坑，且粗糙度小于０．２　ｎｍ。　关键词：蓝宝石；氧化硅；抛光；ＬＥＤ；抛光液　中图分类号：ＴＨ１１７文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１３）７—０８８—４　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃａ・ｂａｓｅｄ　Ｓｌｕｒｒｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｎ　Ｓａｐｐｈｉｒｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｚｈａｎｇ　Ｚｅｆａｎｇ　，　Ｈｏｕ　Ｌｅｉ　，　Ｙａｎ　Ｗｅｉｘｉａ　，　Ｌｉｕ　Ｗｅｉｌｉ　，。　Ｓｏｎｇ　Ｚｈｉｔａｎｇ　，　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，Ｓｈａｎｇｈｍ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００５０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｘｉｎａｎｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１５０６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｕｈｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ－ｃｒｙｓｔａｌ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｆｏｒ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ＬＥＤ，ｏｎｅ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃａ－ｂａｓｅｄ　ｓｌｕｒｒｉｅｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ），Ｌａｓｅｒ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｓ－ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｓｌｕｒｒｙ　ｏｎ　ＬＥＤ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｌｉｓｈｅｄ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｓ　ｉｎｓｐｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ＦＲＴ　ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ，Ｃａｎｄｅｌａ　ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎａｌｙｚｅｒ（ＯＳＡ），ａｎｄ　ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ａｓ—ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｓｌｕｒｒｙ　ｅｘｈｉｂｉｔｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｓｃｒａｔｃｈ　ａｎｄ　ｐｉｔ　ｉｓ　ｂｅｌｏｗ　０．２　ｎｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｐｐｈｉｒｅ；ｓｉｌｉｃａ；ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＬＥＤ；ｓｌｕｒｒｙ　在光电子领域，发光二极管（ＬＥＤ）具有低工作　电压、低功耗、高效率、长寿命、固体化、快响应速　度和驱动电路简单等优点，被公认是２１世纪最具发　展前景的高技术领域之一。蓝宝石表面质量对ＬＥＤ　抛光、浴法抛光、浮法抛光、机械化学抛光　（ＭＣＰ）、化学机械抛光（ＣＭＰ）和水合抛光等　。　其中，ＣＭＰ是目前惟一可以实现全局平坦化的抛光　方法，也是迄今为止惟一可以在蓝宝石大规模生产中　应用的抛光方法，而且成本相对较低。然而，ＣＭＰ　器件性能和质量有着非常重要的影响，目前要求超光　滑、无缺陷，且粗糙度小于ＲａＯ．２　ｎｍ，因此其最后　一在应用中还存在一些问题：（１）抛光速率低，导致　生产效率低；（２）表面质量有待继续提高，要完全　去除划痕、凹坑、桔皮等缺陷，提高成品率。围绕以　上２个问题，国内外对蓝宝石ＣＭＰ开展了广泛的研　究　。Ｚｈｕ等　研究了不同磨料对蓝宝石抛光速率　道抛光加工的要求很高，成为最重要的制程之一。　蓝宝石晶体材料硬度高、脆性大，是典型的极难　加工材料，其抛光加工随要求的提高相继经历了机械　收稿日期：２０１３—０１—０３　作者简介：张泽芳（１９８２一），男，博士，助理研究员，主要从　事蓝宝石和玻璃的化学机械抛光研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｆａｎｇｚｈａｎｇ＠　１６３．ｔｏｍ．　的影响；Ｍｅｒｒｉｃｋｓ　和Ｓｕｚｕｋｉ　分别用硬质的氧化铝　抛光液和Ｃ６０抛光液对蓝宝石抛光速率进行了改善；　Ｘｕ等　采用超声波振动抛光提高了抛光速率；Ｈｕ　２０１３年第７期　张泽芳等：纳米ＳｉＯ：抛光液的制备及在蓝宝石抛光中的应用　８９　等　和Ｚｈａｎｇ　。　尝试了不同抛光工艺来提高抛光效　率，同时降低表面质量。但上述研究均缺少工业上的　应用。　式中：　为材料去除率，即抛光速率，ｎｍ／ｍｉｎ；Ａｍ　为质量去除量，ｇ；ｔ为抛光时间，ｍｉｎ；Ｐ是蓝宝石　的密度，ｇ／ｃｍ　；蓝宝石晶圆的半径为２．５４ｃｍ。　通过原子力显微镜（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，　本文作者也针对上述２个问题，从工业角度上制　备了一种氧化硅抛光液，并在工业抛光机上研究了其　在ＬＥＤ蓝宝石衬底表面的抛光性能。　１实验部分　１．１　纳米ＳｉＯ，抛光液的制备　ＡＦＭ）表征抛光后蓝宝石的的表面形貌，测试过程　中扫面区域为１Ｏ　ｍ×１０　Ｉｘｍ，抽检２片，每片测６　个点；利用ＦＲＴ（Ｆｒｉｅｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＧｍｂＨ）　ＭｉｃｒｏＰｒｏｆ　１ＴＩ＇Ｖ抽检５片抛光后蓝宝石衬底的面形参　（１）离子交换法制备ＳｉＯ　胶体：即先将一定量　数；采用Ｃａｎｄｅｌａ表面光学测试仪（ＫＬＡ—Ｔｅｎｃｏｒ　的水玻璃溶解于去离子水中，通过离子交换树制得硅　ＣＳ１０Ｒ）对抛光后蓝宝石表面的微缺陷进行分析。　酸，将硅酸加热得到５　ｎｍ左右的ＳｉＯ　晶种，再控制　２结果与讨论　一定的工艺条件，使得纳米ＳｉＯ：粒子长大到１１０　ｎｍ　图１示出了纳米ＳｉＯ，粒子的ＳＥＭ形貌。可以看　左右，产物再经超滤浓缩，得到固含量４５％左右的　出，粒子为球形且以单个粒子存在，分散性非常好，　纳米ＳｉＯ：胶体。　粒径为１００　ｎｍ左右，且粒径分布较窄。　（２）抛光液的配制：在制得的纳米ＳｉＯ　胶体中，　依次加入稳定剂、抛光调节剂、ｐＨ调节剂等功能性　助剂，加去离子水使其固含量保持在４０％，搅拌均　匀，再循环过滤即得到所需抛光液。　１．２纳米ＳｉＯ，抛光液的表征　利用场发射扫描电镜（Ｆｉｅｌｄ—ｅｍｉｓｓｉｏｎ－ｓｃａｎ—　ｅｌｅｃｔｒｏｎ・ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＦＥＳＥＭ，Ｓ－４７００，Ｅｌ本日立生　产）观察制得的抛光液中氧化硅颗粒的形貌、粒度　及其分布；利用激光粒度仪检测制得的抛光液中的氧　图１纳米氧化硅颗粒的ＳＥＭ形貌　化硅颗粒的粒径分布，测试时间为６　ｍｉｎ；利用大颗　Ｆｉｇ　１　ＳＥＭ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　ｎａｎｏ—ｓｉｌｉｃａ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　粒计数仪测试经最终过滤后的抛光液中的大颗粒数　目，测试时间为３　ｒａｉｎ。　图２为激光粒度仪测得的抛光液中氧化硅颗粒的　１．３抛光实验　粒度分布图。可以看出，氧化硅的平均粒径Ｄ５０为　抛光机采用ＳＰＥＥＤＦＡＭ．３６ＧＰＡＷ单面抛光机，　１０８　ｎｍ，且粒度分布较窄，ＰＩ值为０．０６５。　抛光垫采用陶氏化学生产的ｓｕＢＡ６ｏ０平布（无沟　槽），蓝宝石晶圆为５０．８　ｍｍ的蓝宝石衬底片（已经　过铜盘单面研磨）。抛光工艺条件为：压力３９．２　ｋＰａ，　ｒ、　／　ｆ　转速６０　ｒ／ｍｉｎ，抛光液流速１　Ｌ／ｍｉｎ，抛光时间４　ｈ。　／　＼　／　抛光机有４个抛光头，每个抛光头装２４片蓝宝石晶　ｆ　圆，共９６片。　１．４抛光后试样表面表征　｜　＼　｜　ｌ　用分析天平称量抛光前后蓝宝石衬底的质量，其　／，．．　、　差值为去除量，通过式（１）可计算出厚度抛光速　率。　图２纳米氧化硅颗粒的粒度分布　Ｆｉｇ　２　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎａｎｏ—ｓｉｌｉｃａ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　：—　Ｐ×２．５４　×订×ｔ　（１）