蓝宝石晶片加工中的技术关键

蓝宝石晶片加工中的技术关键

姜京福

山东新升实业发展有限责任公司

摘要：蓝宝石晶体应用用于军用红外设备、导弹、潜艇、卫星技术、高速检测、激光等。此外，还提供微光电子、半导体、光通信和信息显示方面的窗口材料，特别是在蓝(白色)LED照明行业。传统的粗磨工艺在蓝宝石薄片加工中面临着巨大的困难。有崩边、隐裂和碎片等问题。这些问题可以通过新技术来解决，例如金刚石双面、单侧和双向研磨解决。细粒碳化硼和金刚石颗粒镶嵌的陶瓷研磨盘配合，在蓝宝石精磨过程中，通过粗磨损减少了表面损伤。使用细粒金刚石

单面铜盘技术也是一种有效精磨技术。

关键词:蓝宝石薄片;金刚石研磨盘;蓝宝石精磨

Al2O3，又称蓝宝石及刚玉，是一种简单的氧化物。蓝宝石晶体通常是蓝色的，因为它们含有钛(Ti4+)或铁(Fe2+)成分。随着技术的迅速变化，它们已成为现代工业的重要来源，特别是在微电子和光电领域。蓝宝石是许多领域中由于其光度和物理特性而使用的最坚硬的氧化晶体。无线电射频电路是基底和蓝宝石硅，基底和蓝宝石硅钛蓝宝石是一种重要的激光材料。

一、粗磨工艺

1.传统的双面研磨技术。由于蓝宝石的硬度，磨料对蓝宝石没有切削力。碳化硅和碳化硼磨料可用于研磨蓝宝石。但碳化硅的耐磨性明显降低。因此，磨料碳化硅在工业中得到广泛应用。蓝宝石底面的粗糙度一般为0.8-1.2μm，晶粒室颗粒(D50)的平均直径为60.65μm。颗粒的组成和直径见表1。尽管平均粒子直径有一些要求，但粒子分布更为重要。磨料的分布不均匀时，磨料具体化过程中可能会出现崩边、隐裂和碎片。研磨过程中，如果最终产品是双抛片，碳化硼粒的平均直径可能会减小。研磨片表面粗糙度相应降低，受损层厚度变薄，精磨缩短，抛光时间缩短。请注意，碳化硼和研磨浆料的使用寿命也会相应缩短。近年来，蓝宝石在各种领域的应用越来越多，对超薄片的要求也提高。

表1碳化硼颗粒(240目)的成份和粒度分布特性

2.双面金刚石盘研磨新技术。近年来，其研磨技术有所发展。该工艺旨在使固定磨削颗粒的金刚石嵌入研磨盘内，整盘由一个小型金刚石成形模块组成。研磨过程只需进入冷却水，不需要磨料。该工艺的最大特点是大量磨削磨损，这对磨削砂轮特别有利。减少等离子体循环中由厚颗粒引起的晶片隐裂、崩边及碎片。环保且易于使用。但是，对设备的要求比较高，需要一定的速度和压力。

3.单面金刚石砂轮磨削方法。该技术主要用于大型集成电路硅片的尺寸调整和LED蓝片的减薄。此方法类似于非固体磨料。磨削厚度小于300μm的蓝宝石层具有独特的优势，因为机械强度低、易碎。主要原因是蓝宝石芯片用液晶或固体蜡固定在陶瓷上，用单面金刚石研磨砂轮研磨，膜侧面负荷不大，蓝宝石的频率大大降低。金刚石圆盘独立旋转，蓝宝石工件不仅围绕自身旋转，而且能够前后摆动。因此，蓝宝石的表面质量和加工效率大大提高。

4.双面金刚石研磨垫加工的新技术。开发的TDT金刚石工艺链(2 mm×2 mm的小正方形)可用于研磨蓝宝石。与传统的磨削方法相比，金刚石研磨固定在磨削垫上，不需要额外的磨削颗粒。对于6英寸蓝宝石晶片，将精度为80μm的TDT金刚石磨垫轮与60μm的CO2半导体技术进行了比较，从而降低了粗糙度为0.6~0.65m的TDT磨料的表面张力。用碳化硅研磨的蓝宝石的值为0.8~0.9μm。直径101的c晶片的研究，采用Trizact 677 XA金刚石研磨垫。

二、精磨工艺

1.采用细粒碳化硼的双面研磨工艺。通常使用铸铁盘，但是，使用W 10、7、5、3.5等细碳化硼研磨颗粒时，由于铸铁盘的材料，划伤蓝宝石表面，特别是开槽处、内外圈。是近年来发展起来的一种新型研磨盘。是由W7氧化陶瓷颗粒中金刚石颗粒的分布和烧结产生的盘。该方法通过有效地去除由粗加工产生的深孔深度来降低蓝宝石的粗糙度。蓝宝石的表面稍显透明，带有划痕。研磨率可为0.2~0.5μm/min。

2.采用单面铜盘细粒金刚石颗粒工艺。树脂铜盘由铜粉、树脂和固化剂组成。盘表面要求：硬度适中，无气孔，耐磨性好，性能稳定。蓝宝石晶片用蜡粘附在陶瓷板上，然后单面研磨。研磨速度通常设定在μm/min。蓝宝石研磨金刚石是一种多晶颗粒，也称为聚晶或多晶钻石。与单晶金刚石相比，聚晶金刚石具有更大的晶棱和磨削表面，且晶棱的每一面都具有切削能力，因此对于蓝宝石磨削具有更高的去除率。聚晶金刚石在磨削过程中具有自控性和耐久性，将粗颗粒破碎成细颗粒，避免在工件表面划伤。相比之下，新的裂纹表面具有更尖锐的切削边，从而提高了磨削效率，并在加工蓝宝石材料时具有特殊优势。铜抛精磨和树脂铜盘，铜盘精磨工艺消除了深微米粗糙度工艺造成的危害，在蓝宝石LED衬底片加工中起着不可或缺的作用。对于具有透明蓝光学产品的应用，可以使用铜盘磨损研磨，但不如双面精加工有效。注意加工厚度小于260μm超薄的蓝宝石晶片具有独特的加工优势。

3.电解在线修整磨削技术(ELID)。采用电化学反应方法，始终释放出新鲜的金刚石颗粒表面。用较细钻石颗粒圆盘在表面上产生光滑的蓝宝石。#2000号金刚石砂轮，粗糙度为3.6nm；#8000号金刚石砂轮，粗糙度为1.6nm。砂轮速度为1000 r/min，工件速度为300 r/min。去除速率将根据实际情况进行调整。

4.单面加工化学机械磨削（CMG）。蓝宝石的化学机械磨削已取得显著进展。磨削盘由600#二氧化硅、三氧化二铁、氧化镁树脂制成。以碳酸氢钠和氧化钙为添加剂，可以调整盘孔隙率，提高蓝宝石的表面活性。蓝宝石的化学和机械研磨特性是：磨料的硬度一般低于蓝宝石；研磨过程中，磨料与蓝宝石发生化学反应；添加剂直接或间接与蓝宝石发生反应，蓝宝石的最佳表面粗糙度约为2nm。氧化镁是最佳的磨削蓝宝石的粗糙度其去除率最高。

三、清洗工艺

光学级蓝宝石抛光后的清洗工艺相对简单，表面质量只能满足光学要求，但半导体行业对蓝宝石表面有很大的需求。在惰性气体（N2）介质中抛光后，必须完成几个阶段的清洁、干燥和包装。随时硅抛光中蓝宝石的表面抛光产物为Al2SiO5，硅蓝宝石的表面厚度约为20.5nm。蓝宝石抛光后的清洗过程比较复杂，但湿法清洗在工业上得到了广泛的应用，化学试剂也有很多机会。大多数标准净化工艺使用SC1（氨、双氧水、水）、SC2（盐酸、双氧水、水）、硫酸和磷酸SC1和SC2基团这个比例可以根据实际情况进行调整。硫酸与磷酸的比例通常为3:1。

清洗后效果主要体现在两个方面：一是用Candela测定蓝宝石的表面缺陷；其次，用TXRF法测定蓝宝石表面的金属离子含量。目前多片清洗，通常25片SC1清洗槽配有超声波清洗，频率分别为40、80、120和200kHz。随着半导体技术的发展，对表面缺陷的要求越来越高，清洗工艺需要进一步改进。目前蓝宝石表面缺陷设定为0.3μm，未来的要求可能是0.2或0.1μm，甚至低于0.1μm。因此，清洗槽应配备兆声，以进一步提高表面清洗效率，消除小缺陷。此外，超声波清洗喷嘴技术在刷片技术修复小缺陷方面非常有效。近年来，为了消除微缺陷，新的超声波清洗技术被应用于单片兆声清洗；由于其兆声发生器与晶体表面之间的距离很短，因此其振荡能量很高。超声波发生器为扇形，声能分布更加均匀。因此，其表面损伤小，交叉污染减少，清洁表面更均匀。

为应对传统粗抛光技术面临的各种挑战，新技术如金刚石板的双面单面石盘磨削和双面金刚石研磨垫的磨削速度慢、加工薄片破碎率高，预计能解决污染等问题。细硬质合金的双面研磨方法和铜盘精磨方法各有优缺点。前者在平整度和曲率方面有利，后者去除速率速度快对于薄片加工来说快。在清洗中，兆声清洗与传统的超声波清洁相比可以有效地减少表面缺陷。兆声单片技术是一种有效的方法。

参考文献：

［1］程瑞．超精密磨削蓝宝石基片的软磨料砂轮磨削性能［Ｄ］．大连：大连理工大学，2020．

［2］文滔．蓝宝石衬底的超光滑表面加工进展：磨粒加工法［Ｊ］．机械工程学报，2020（２）：２４７－２５０．

［3］赵东．蓝宝石衬底纳米级超光滑表面加工工艺研究［Ｊ］．新技术新工艺，2020（２）：２７－２９．

［4］袁文．功能陶瓷的超精密加工技术［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2020：１０４－１０６．

［5］古言．干式机械化学抛光在单晶蓝宝石晶圆之平坦化加工研究［Ｄ］．台北：国立台湾科技大学，2020．

［6］朱亮洪．低温固相反应合成莫来石的研究［Ｊ］．中国粉末技术，2020（１０）：１１８－１２１．