蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺研究

蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺研究
徐晓明;周海;黄传锦;王晨宇
【摘要】重点探讨了蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺方案,并开展了表面平整加工工艺的实验研究.采用形状测量激光显微系统、接触式测厚仪等,对平整加工工艺各阶段的表面形貌、表面粗糙度Ra、翘曲度、平整度及加工去除量等进行测量和对比分析.结果表明:随着本实验平整加工工艺方案的进行,蓝宝石衬底基片的表面质量不断提高,最终获得了超光滑无损伤镜面表面,化学机械抛光后的衬底表面粗糙度Ra达0.3nm,翘曲度为3.8 μm,平整度为1.5μm,符合蓝宝石衬底基片超精密加工的表面质量要求.%This paper focused on the planarization process of sapphire substrate surface,and carried out the experimental research about the planarization process. The surface morphology, surface roughness Ra, warpage, flatness and processing removal of each stage were measured and compared by using the shape measurement laser microscopy system and the contact thickness gauge. The results showthat sapphire substrate surface quality continues to increase by the planarization process, The super smooth mirror surface without damage be got at last,after chemical mechanical polishing,the surface roughness Ra was 0.3nm,the warpage was 3.8μm,and the flatness was 1.5μm,which conformed to the sapphire substrate processed by,the flattening process.All of these meet the surface quality requirements for ultra-precision machining.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2018(000)006
【总页数】4页(P236-238,242)
【关键词】蓝宝石;衬底基片;平整加工;工艺方案;实验研究;表面质量
【作者】徐晓明;周海;黄传锦;王晨宇
【作者单位】盐城工学院机械工程学院,江苏盐城224051;盐城工学院机械工程
学院,江苏盐城224051;盐城工学院机械工程学院,江苏盐城224051;江苏吉星新
材料有限公司,江苏镇江212200
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TG74;TQ164
1 引言
蓝宝石是三氧化二铝（Al2O3）的单晶形态，六方晶系，晶格常数为
a=b=0.4758nm，c=1.2991nm，俗称“刚玉”，又称白宝石[1]。

莫氏硬度9级，仅次于金刚石，在（300～500）nm波段透过率达85%，熔点2055℃，具有良
好的力学性能、光学性能和热学性能，同时具备较强的耐腐蚀性和抗辐射性，是一种自身综合性能优良的多功能晶体材料，被广泛应用于半导体外延衬底、军事光学窗口以及激光基质材料等[2-3]。

国内外学者从多方面对蓝宝石单晶材料生长、超
精密加工等关键技术进行了探索和研究，物化性能的持续改善及生产成本的大幅度降低，使其成为当前最适合制作LED（Light Emitting Diode）的衬底材料[4-6]。

随着半导体照明市场的高速成长，技术较为成熟的蓝宝石衬底将迈向亚纳米级表面质量、大尺寸时代，对蓝宝石衬底基片切、磨、抛等工艺提出了新的要求。

2 平整加工工艺方案
蓝宝石衬底基片的表面平整加工旨在去除线切割产生的线痕、裂纹和残余应力等表
面/亚表面损伤层，提升表面质量，从而达到LED芯片制备的表面质量要求[7-8]。

平整加工工艺方案，如图1所示。

双面研磨可实现晶片上、下两个平面的实时同
步加工，有效减小两个平面之间因加工引起的应力应变差，具有较好的表面翘曲度和平整度修正效果；但双面研磨后晶片表面仍然存在着厚度为（0～25）μm 的表面/亚表面损伤层[9]，而化学机械抛光（CMP）的材料去除厚度只有（3～5）μm，显然不能够满足去除双面研磨加工损伤层的要求。

单面精研磨即铜盘研磨，其加工精度和材料去除厚度介于双面研磨和化学机械抛光两者之间，因此采用单面精研磨作为过渡工艺，对晶片表面做进一步处理，从而满足化学机械抛光对晶片表面前处理的质量要求；晶片经铜盘研磨后，表面损伤层厚度降至数微米，但其内在微观质量仍需进一步提高，采用化学机械粗抛光去除铜盘研磨过程中残留的损伤层；最后通过化学机械精抛光完成晶片超光滑无损伤镜面表面的加工，使晶片表面粗糙度降低至亚纳米级[10]。

平整加工工艺方案主要工艺参数，如表1所示。

图1 平整加工工艺方案流程图Fig.1 Crafts Program Flow Chart of Planarization Process
表1 平整加工工艺方案主要工艺参数Tab.1 The Main Parameters of Planarization Process双面研磨磨粒：320#碳化硼（B4C）研磨压力：（30～110）g/cm2行星轮与外齿圈转速比：1：1研磨去除率：1.5μm/min研磨盘转速：13r/min行星轮数量/晶片数：5/25溶剂：煤油研磨时间：（45～60）min铜盘
研磨（精研磨）磨粒：W1.5金刚石研磨压力：130kg研磨时间：60min研磨去
除率：0.7μm/min研磨盘转速：40r/min陶瓷盘数量/晶片数：4/16研磨液型号：DSC-106/3S陶瓷盘转速：35r/min中心温度：（37～70）℃化学机械粗抛光研
磨液型号：MS2000+纯净水抛光压力：180kg抛光时间：45min比例：1：10
抛光盘转速：45r/min陶瓷盘数量/晶片数：4/16研磨去除率：50nm/min陶瓷
盘转速：40r/min抛光垫：无纺布化学机械精抛光研磨液型号：SI050A+纯净水
抛光压力：180kg抛光时间：30min比例：1：3抛光盘转速：60r/min陶瓷盘数量/晶片数：4/16研磨去除率：30nm/min陶瓷盘转速：45r/min抛光垫：沥青
抛光布
3 实验
3.1 实验试件
实验试件选用Φ（101.6×0.55）mm（4英寸）的单晶蓝宝石线切割毛坯片，定
位平边长度为（32±1）mm，晶向为C-axis［0001］，主定位边A-axis［1120］±0.25°，位错密度D＜1000/cm2，原始蓝宝石单晶晶锭重170kg，直径430cm，由江苏吉星新材料有限公司提供。

3.2 平整加工实验设备
双面研磨采用兰州瑞德X61/2 930B2M-6型双面研磨机，该研磨机具有自动称重功能，可有效避免研磨盘磨损引起的压力波动现象，通过上、下研磨盘和中心齿轮三个转动部分的组合搭配，载片行星轮的公转和自转可以在一定范围内按照加工要求进行调节变换，有利于提高工件的研磨精度和研磨效率。

铜盘研磨采用韩国某公司生产的ASL-910F型精密单面研磨机，该抛光机研磨盘的材质有金刚石、铸铁、铜、锡、不锈钢五种，本实验采用铜盘，四个陶瓷载物盘拥有独立的压力控制、转速调节机构，有利于提高晶面平面度，自带的修盘机构可根据实际需要对抛光盘进行适当修整。

化学机械粗抛光和化学机械精抛光分别采用两台韩国AM公司生产
的ASP-910型精密单面抛光机，区别在于两台抛光机的抛光垫材料、抛光液成分、抛光工艺参数选择不同，工作性能参数与ASL-910F型精密单面研磨机相似，但
抛光机不自带修盘机构，可以根据需要更换抛光垫。

4 结果与讨论
4.1 表面形貌的变化规律
采用VK-X100/X200形状测量激光显微系统（精度为1nm），对蓝宝石衬底基片
平整加工各阶段表面形貌进行测量，如图2所示。

从图中可以看出线切割后表面形成明显的线痕、桔皮、凹坑和麻点等表面缺陷；经双面研磨后，表面线痕消失，桔皮、凹坑、麻点等表面缺陷显著改善；铜盘研磨后，表面已相当平整光滑，除少数几条划痕外，观察不到其它明显缺陷；化学机械抛光后晶片表面达到超光滑无损伤镜面状态，从表面形貌图中看不出任何缺陷的迹象，符合衬底基片表面平整加工的形貌要求。

结果比较表明：平整加工过程中双面研磨和铜盘研磨具有较大的表面材料去除量，对表面形貌的改善作用最为突出，化学机械抛光的表面材料去除量有限，但却是超光滑无损伤表面加工的关键。

因此在平整加工工艺结构调整中，表面形貌的修整改善以双面研磨和铜盘研磨两道工艺为主，表面质量的提升要注重化学机械抛光工艺参数的调整。

图2 平整加工表面形貌图Fig.2 Surface Topography of Planarization Process
4.2 表面粗糙度Ra的变化规律
表面粗糙度Ra的变化曲线，如图3所示。

从图中可以看出衬底基片表面粗糙度Ra的大小随着平整加工工艺的推进基本呈减小趋势。

但双面研磨对线切割晶片的表面粗糙度Ra并没有起到很好的改善，表面粗糙度Ra高达102纳米数量级，且实际值反而从350nm左右增加到约700nm，原因在于双面研磨为了增加材料的去除速率，缩短晶片表面翘曲度和平整度的修复时间，提高加工效率，采用了大粒径磨粒和较高的研磨压力。

铜盘研磨后表面粗糙度Ra降至6nm，再经粗/精化学机械抛光进一步减小至0.3nm。

因此，平整加工中表面粗糙度Ra的改善主要体现在铜盘研磨、粗/精化学机械抛光三道工艺当中，且同一加工阶段高的去除效率和低的表面粗糙度Ra很难同时获得。

4.3 翘曲度的变化规律
蓝宝石衬底基片的翘曲度（Warp）本质上是由平整加工过程中晶片两个表面残留
的机械应力差等造成的，平整加工和去应力退火可大幅度改善晶片的翘曲度。

实验采用晶片中心点施压法，测量晶片中心面与基准参考平面之间的高度差，即为晶片的翘曲度，为对比分析平整加工各阶段翘曲度的变化情况，对测量数据进行取平均值处理：
式中—翘曲度平均值；Warpi—单个晶片翘曲度值；n—测量晶片数。

计算得到多线切割毛坯片的翘曲度平均值为7.4μm，双面研磨后晶片的翘曲度平
均值为4.1μm，其它工艺阶段晶片的翘曲度平均值在4.0μm左右。

平整加工各阶段晶片的翘曲度变化曲线，如图4所示。

可以看出双面研磨对晶片翘曲度的修正
效果最佳，修正值约为3.5μm。

因此，平整加工过程中控制好多线切割的应力残留、合理优化双面研磨工艺参数，是获得低翘曲度、高质量晶片表面的关键。

图3 表面粗糙度Ra变化曲线Fig.3 Surface Roughness Curve
图4 翘曲度变化曲线Fig.4 Warpage Curve
4.4 平整度的变化规律
平整度（TTV）即总厚度变化，又称平坦度，是鉴别晶片几何参数优良的主要指标之一。

实验采用接触式测厚仪平面五点分立法进行测量五个测量点分别为：晶片中心点、周圆四分点。

周圆四分点要求沿圆周平均分布间隔90°，距离晶片圆周边缘（5～8）mm，其中一组对称点分布在晶片参考面垂线反时针30°方向的直径上，另一组对称点分布在与该直径相垂直的另一条直径上。

所测五点中最大点厚度值减去最小点厚度值的差即为晶片TTV测量值，为对比分析平整加工各阶段工艺TTV
的变化情况，对测量数据进行取平均值处理：
式中：TT V—总厚度变化平均值；δmax—最大点厚度值；δmin—最小点厚度值；n—测量晶片数。

计算获得切割片TTV平均值为7.5μm，双面研磨TTV平均值为4.75μm，铜盘研磨TTV平均值为2.75μm，化学机械粗/精抛光TTV平均值基本一致，约为
1.5μm。

平整加工各阶段晶片TTV测量值及平均值的变化曲线，如图5所示。

可
以看出TTV误差源于切片过程，在双面研磨中基本消除，但在后续又有所反弹，
分析原因在于铜盘精研磨和粗/精化学机械抛光过程中，由于晶片加工轨迹的不均
匀和研磨抛光盘的受热变形引起，可以通过修盘时适当降低盘心的高度来加以改善，一般四个陶瓷盘工作降低30μm，两个陶瓷盘工作降低15μm。

4.5 晶片厚度及加工去除量的变化规律
蓝宝石衬底基片的厚度随着平整加工的进行在不断减小，最终达到成品晶片的厚度标准，加工精度越高，厚度去除量越低。

实验对平整加工各阶段晶片前后的标称厚度进行测量取值，即中心点厚度，测量结果见图6平整加工晶片厚度变化曲线。

比较不同工艺阶段晶片厚度的平均去除量，从图中可以看出晶片厚度在双面研磨和铜盘研磨两道工艺中去除量较大，达到近100μm，其中双面研磨约65μm，铜盘研磨约35μm，而化学机械粗抛光和化学机械精抛光的总去除量缺不到5μm。

由
此可见对晶片厚度去除量要求较高的表面翘曲度、平整度的修整工艺，主要为机械加工去除量较大的双面研磨和铜盘研磨。

图5 TTV的测量结果及平均值分布曲线Fig.5 TTV Measurement Results and Average Curve
图6 晶片厚度及加工去除量的变化曲线Fig.6 Wafer Thickness and Removal Curve
5 结论
（1）采用本实验平整加工工艺方案对蓝宝石衬底基片进行加工，最终获得超光滑无损伤镜面表面，表面粗糙度达0.3nm，翘曲度为3.8μm，平整度为1.5μm，符合蓝宝石衬底基片平整加工的高标准表面质量要求。

（2）实验对平整加工各阶段
晶片表面形貌、表面粗糙度Ra、弯曲度、平整度和加工去除量等关键质量检测指标进行测量，对比分析得出平整加工过程中表面形貌的修整改善以双面研磨和铜盘研磨两道工艺为主，表面质量的提升要注重化学机械抛光工艺参数的调整优化；铜盘研磨和粗/精化学机械抛光三道工艺对表面粗糙度Ra的改善效果明显，同一工
艺阶段高的去除效率和低的表面粗糙度Ra难以兼顾；平整加工过程中控制好多线切割的残余应力应变、合理优化双面研磨工艺参数，是获得低翘曲度、高质量表面的关键。

（3）根据蓝宝石衬底基片应用的表面质量要求，结合实验条件制定了一套适用于其平整加工的工艺方案：双面研磨、铜盘研磨、化学机械粗抛光、化学机械精抛光，并具体介绍了本实验平整加工工艺方案的主要设备及工艺参数，为蓝宝石衬底基片的平整加工高质高效加工提供参考和借鉴。

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