抛光蓝宝石表面的组合物和方法

专利名称：抛光蓝宝石表面的组合物和方法
技术领域：
本发明涉及改进的组合物和抛光蓝宝石表面的方法。更具体地说，本发 明涉及通过将盐化合物加入浆液中，以增强蓝宝石抛光方法中研磨材料例如 胶体二氧化硅的蓝宝石去除效率的方法。
背景技术：
二氧化硅研磨材料通常用于金属、金属氧化物、硅材料的化学机械抛光。 在这种应用中，在液体介质例如水中悬浮研磨剂二氧化硅颗粒，有时借助于 表面活性剂作为分散剂。Choi等人在Journal of the Electrochemical Society, 151(3) G185-G189(2004)已经报道，向在碱性含水介质中的二氧化硅悬浮液 加入氯化钠、氯化锂和氯化钾，当加入悬浮液的含量为约0.01至约0.1摩尔 时可以增强二氧化硅的除去速度。Choi等人还报道说，对于钠盐和锂盐，随 着盐浓度升高超过O.l摩尔至1摩尔，除去速度开始下降至控制水平，而且 随着盐浓度接近1摩尔，每种盐的表面粗糙度增力o，表面破坏的深度也增加。
蓝宝石是氧化铝(八1203)单晶材料的通称。蓝宝石特别可用作红外和;微波 系统窗口、紫外线至近红外光用光透射窗口、发光二极管、红宝石激光器、 激光二极管、用于微型电子集成电路应用的支持材料以及超导化合物和氮化 镓的生长等的材料。蓝宝石具有优异的化学稳定性、光学透明性和合乎需要 的机械性能，例如抗碎裂性(chipresistance)、耐久性、抗刮擦性、抗辐射性、 与砷化镓热膨胀系数良好的匹配和在高温的挠曲强度。
通常沿着许多结晶轴切割蓝宝石晶片，例如C面(OOOl方向，也称为0 度平面或基面)、A面(ll-20方向，也称为90度蓝宝石)和R面(1-102方向， 与C面成57.6度)。R面蓝宝石(特别优选用于半导体、微波和压力传感器应用中蓝宝石硅材料)的耐抛光性比C面蓝宝石高约4倍，其中C面蓝宝 石通常用于光学系统、红外探测器以及用于发光二极管应用的氮化镓的生 长。
抛光和切割蓝宝石晶片是非常緩慢和费力的过程。通常，必须使用侵蚀 性(aggressive)研磨剂例如金刚石，以获得可接受的抛光速度。这种侵蚀性研 磨材料可以对晶片表面产生严重的表面破坏和污染。典型的蓝宝石抛光包括 连续施加研磨剂浆液至要抛光的蓝宝石晶片表面，同时用旋转抛光垫抛光该 得到的研磨剂涂布表面，该垫横跨晶片表面移动，并在通常为约5至20磅/ 平方英寸(psi)的恒定的向下的力下，保持该垫靠着晶片表面。因为金刚石研 磨剂的侵蚀性，并且用其它研磨材料通常可获得緩慢的抛光速度， 一直需要 用常规的、侵蚀性较小的研磨剂例如胶体二氧化硅增强蓝宝石抛光效率的方 法。本发明方法实现该需要。

发明内容
本发明提供了 一种改进的组合物和抛光蓝宝石表面的方法。该方法包括 用抛光浆液研磨蓝宝石表面，例如蓝宝石晶片的C面或R面表面，其中抛 光浆液包含悬浮在含水介质中的研磨量的无机研磨材料例如胶体二氧化硅。 该含水介质具有碱性pH,并包含足够量的溶解的盐化合物作为添加剂，以 使蓝宝石除去速度高于在相同抛光条件下使用相同量的相同无机研磨材料 在没有盐化合物的情况下可获得的速度。该盐化合物优选是无机酸、有机酸 或其组合的碱金属盐和/或碱土金属盐。
优选的盐化合物的非限定性实例包括酸例如无^L酸或有4几酸的-威金属 和碱土金属盐。氯化钠是特别优选的盐化合物。
优选的抛光蓝宝石表面的方法包括将抛光浆液施加至固定在旋转载体 上的蓝宝石晶片表面上，并用旋转抛光垫研磨蓝宝石表面，同时在垫的抛光 表面和蓝宝石晶片表面之间保持至少一部分抛光浆液。该抛光浆液包括悬浮 在pH优选至少约9的含水介质中的研磨量的无机研磨材料，并且包括溶解 在其中的蓝宝石除去速度增强量的盐化合物。抛光垫具有平面抛光表面，其 以选定的转速围绕垂直于蓝宝石表面的旋转轴旋转。以选定的垂直于蓝宝石 表面的向下的力，将垫的旋转抛光表面压在蓝宝石表面上。
与用相同的垫、以相同的转速，在相同的向下的力、利用没有盐化合物且包含基本上相同量的相同无机研磨材料的抛光浆液对蓝宝石表面进行研 磨可获得的蓝宝石除去速度相比，该旋转抛光垫和抛光浆液的联合作用以更 高的除去速度来除去来自蓝宝石表面的蓝宝石。优选，通过连续提供浆液到 蓝宝石表面上，同时将旋转抛光垫压在蓝宝石表面上，将抛光浆液施加至蓝 宝石表面。
具体实施例方式
抛光蓝宝石表面的改进方法包括用包含悬浮在含水介质中的研磨量的
无机研磨材料的抛光浆液研磨表面，其中含水介质具有碱性pH,优选pH至 少约9,更优选约10至约11。含水介质包括溶解的盐化合物，其增强蓝宝 石除去速度，相对于在基本上相同的抛光条件下评估时(例如基本上相同的 温度、向下压力、抛光垫、垫旋转速度、载体旋转速度和研磨剂浓度)、用 基本上包含相同浓度的相同研磨材料、但是没有盐化合物的浆液可获得的除 去速度而言。存在足够量的盐化合物，以增强除去速度，优选增强至少约 45%,相对于使用不包含盐化合物的抛光浆液得到的速度。优选，浆液中存 在的盐化合物量为约0.1至约1.5重量％，更优选约0.2至约1重量％,基于 浆液的重量。
用于本发明方法的合适的无机研磨材料的非限定性实例包括氧化铝、胶 体二氧化硅和热解二氧化硅研磨材料。优选，无机研磨材料是二氧化硅材料， 更优选胶体二氧化硅。研磨材料优选具有约20至约200的平均粒径，更优 选50至约150。优选，无机研磨材料以约1至约50重量％,更优选约20至 约40重量％的浓度悬浮在含水介质中。可以使用一种或多种表面活性剂， 例如阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、或非离子表面活性剂与阳离子 或阴离子表面活性剂的混合物，以使无机研磨材料保持在含水介质中的悬浮 液内。优选，无机研磨材料的浆液基本上不含表面活性剂。
可用于本发明方法的合适的胶体二氧化硅材料的非限定性实例包括由 Akzo Nobel的EKA Chemicals部门销售的BINDZIL⑧商标胶体二氧化硅浆 液，例如BINDZIL CJ2-0(约40重量％的二氧化硅，约llOnm的平均粒径)， 由Nalco Chemical Company销售的胶体二氧化硅材料，例如TX11005(约30 重量％的二氧化硅，约50nm的平均粒径)等。如有必要，可以通过用去离子 水稀释来调节胶体二氧化硅的浓度至所需水平(例如约20至约40%固体)。优选的盐化合物包括酸例如无机酸或有机酸的i威金属和》威土金属盐。优 选的无机酸包括盐酸、氢溴酸、氢碘酸、硫酸和硝酸。优选的有机酸包括抗 坏血酸、草酸和吡啶曱酸。优选的碱金属盐包括锂、钠和钾盐，更优选钠和 锂盐。优选的碱土金属盐包括4丐和镁盐，更优选钩盐。其它优选的盐化合物 是铁盐和铝盐。优选的铁和铝盐包括卣化铁(例如氯化铁)和卣化铝(例如氯化
铝)，当将其加到^4性含水介质中时，分别产生铁的氢氧化物(iron hydroxide)(例如氢氧化铁(ferric hydroxide))和氢氧化铝。优选的盐化合物的实 例包括但不限于氯化锂、氯化钠、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、氯化钙、氯化 铁和其混合物。氯化钠是特别优选的盐化合物。
用于抛光蓝宝石表面的本发明方法和提供的材料除去速度明显高于在 没有盐化合物的情况下用常规研磨剂浆液可获得的除去速度。
本发明方法特别可用于抛光或平面化蓝宝石晶片的C面或R面表面， 并提供了明显高于在没有盐化合物的情况下用常规的研磨剂浆液获得的除 去速度的抛光蓝宝石表面的材料除去速度。与通过没有盐化合物的基本上类 似的浆液可获得的除去速度相比，在基本上相同的抛光条件下易于获得至少 高约45%的除去速度，优选至少高约60%,更优选至少高约70%。
可以利用任何研磨抛光装置进行本发明方法。优选，用固定在旋转载体 上的蓝宝石晶片完成抛光，使用以选定的向下力施加至晶片表面的旋转抛光 垫，优选向下力为约2至约20psi,垫旋转速度为约20至约150转/分钟(rpm)， 固定在载体上的晶片以约20至约150rpm旋转。合适的抛光装置可从多种来 源商购，例如Logitech Ltd， Glasgow, Scotland, UK和SpeedFam-IPEC Corp., Chandler, AZ，这些在本领域中是^^知的。
提供下列非限定性实施例举例说明本发明方法的优选实施方式。
实施例1
在Logitech CDP抛光器上抛光C面蓝宝石晶片(约2英寸直径)约10分 钟。在载体上固定晶片，其以约65rpm的载体速度旋转。以约11.5psi施加 向下的力，使用22.5英寸直径的A100抛光垫，其以约69rpm的压板速度旋 转。用去离子水进行约150次清扫以调节该垫，每次抛光运行之间用去离子 水进行50次清扫。
以约160毫升每分钟(毫升/分钟)的浆液进料速度，将调节至约pH 10(即通过加入氬氧化钠)的20重量。/。胶体二氧化硅浆液(BINDZIL⑧CJ2-0,平均 粒径110纳米)施加至晶片。将盐化合物(氯化钓或氯化钠)加到二氧化硅浆液 中作为除去速度提高添加剂。没有添加剂，得到约250至约400埃每分钟(埃 /分钟)的蓝宝石除去速度。与没有加入盐化合物的对照物的250埃/分钟除去 速度相比，加入O.l重量％氯化钙(基于浆液重量，在水相中约0.11摩尔浓度 的CaCb)提高除去速度至约530埃/分钟。
与没有盐的对照物的约390埃/分钟除去速度相比，将约0.1重量％氯化 钠加入浆液(基于浆液重量；在水相中约0.22摩尔的NaCl浓度)提供约580 埃/分钟的蓝宝石除去速度。增加氯化钠含量至约0.2重量％(约0.44摩尔)提 供690埃/分钟的除去速度。进一步增加氯化钠水平至约0.5重量％和0.7重 量％没有更进一步增加除去速度。加入约1重量％(基于浆液重量)氯化钠以 提供进一步增加除去速度至约740埃/分钟。结果表明，将氯化钠以约0.2重 量％至约1重量％(基于浆液重量)加到胶体二氧化硅浆液中，令人惊讶地提 供蓝宝石除去速度约75%的总体增加，与在相同抛光条件下没有添加剂的对 照物相比。类似地，将0.1重量％氯化钓加到浆液中，令人惊讶地增加除去 速度约100%。由于抛光之前晶片表面质量的变化，有可能观察到对照物除 去速度改变。
以约3和约7 pH值的浆液，使用相同的胶体二氧化硅研磨剂浆液，在 有和没有加入1重量％氯化钠的情况下，进行C面抛光的类似评估。在这些 pH值下，加入NaCl后，观察除去速度的降低直到约200埃/分钟，与没有 添加剂的约300埃/分钟相比。这些结果说明，当盐化合物添加剂与胶体二氧 化硅研磨剂结合使用时，碱性pH对于盐化合物添加剂的提高蓝宝石除去速 度的效果是重要的。
实施例2
在IPEC 472抛光器上抛光R面蓝宝石晶片(约4英寸直径)约10分钟。 将晶片固定在载体上，其以约57rpm的载体速度旋转。利用约16psi的向下 力，以约63rpm的压盘速度旋转22.5英寸直径的A100抛光垫。以约200毫 升每分钟(毫升/分钟)的浆液进料速度，将用氢氧化钠调节至约pH 10的20 重量。/。胶体二氧化硅浆液(BINDZIL⑧CJ2-0，平均粒径110纳米)施加至晶片。 用去离子水进行约150次清扫以调节该垫，每次抛光运行之间用去离子水进行50次清扫。
将约1%盐化合物(氯化钠)力口到二氧化硅浆液中；使用约0.5重量％的 DEQUEST 2010(水中约60重量％的1-羟基亚乙基-l,l-二磷酸，可以从 Solutia Inc.获得)作为比较对照物代替氯化钠。该对照除去速度为约160埃/ 分钟，然而在盐化合物的存在下的除去速度是约608埃/分钟。
另 一个运转利用包含约0.5重量。/。DEQUEST⑧2010和约2%过氧化氢的 对照浆液，与包含约1重量％氯化钠和2重量％过氧化氬的浆液相比。对照 物提供约170埃/分钟的除去速度，然而加入盐化合物提供约304埃/分钟的 除去速度。
在相同抛光条件下(即，A100垫、压盘速度约63rpm,载体速度约57rpm， 向下力约16psi，浆液进料约200毫升/分钟)，在四个重复运转中进行另一个 评估。对照浆液(BINDZIL⑧CJ2-0)在四个重复运转中提供约310至约340埃 /分钟的蓝宝石除去速度。在四个重复运转中，加入1重量％氯化钠(基于浆 液重量)后，提供约450至约630埃/分钟的除去速度。再次，与单独的常规 二氧化硅浆液相比，利用本发明方法令人惊讶地观察到蓝宝石除去速度提高 约45至约85%。
实施例3
在Logitech CDP抛光器上抛光C面蓝宝石晶片(约2英寸直径)约10分 钟。将晶片固定在载体上，其以约65rpm的载体速度旋转。利用约11.5psi 的向下力，以约69rpm的压盘速度旋转22.5英寸直径的A100抛光垫。以约 200毫升每分钟(毫升/分钟)的浆液进料速度，将调节至约pH IO(使用氢氧化 钠，除了使用氯化钾作为添加剂的运转，在这种情况下使用氢氧化钾以外) 的20重量。/。胶体二氧化硅浆液(BINDZIL⑧CJ2-0,平均粒径110nm)施加至 晶片。用去离子水进行约150次清扫以调节该垫，每次抛光运行之间用去离 子水进行50次清扫。
将盐化合物(氯化钠、氯化钾、溴化钠、碘化钠、抗坏血酸钠或硫酸钠) 加到二氧化硅浆液中，作为除去速度提高添加剂。没有盐化合物添加剂，得 到约450至约590埃/分钟的蓝宝石除去速度。加入1重量％氯化钠(基于浆 液重量)，使除去速度增加至约880埃/分钟；加入1重量％氯化钾(基于浆液 重量)，使除去速度增加至约740埃/分钟；加入1重量％溴化钠(基于浆液重量)，使除去速度增加至约870埃/分钟；加入1重量％碘化钠(基于浆液重量)， 使除去速度增加至约790埃/分钟；加入1重量％抗坏血酸钠(基于浆液重量)， 使除去速度增加至约720埃/分钟；加入1重量％氯化钾(基于浆液重量)，使 除去速度增加至约920埃/分钟。
用草酸钠(约1重量％)、氯化铁(约0.1重量％,加到碱性浆液中以形成 氢氧化铁)、氯化铝(约0.1重量％，加到碱性浆液中以形成氢氧化铝)、曱基 吡啶钠(sodium picolinate)(约0.1重量％)和氯化锂(约1重量％)得到类似结果。 实施例数据说明，本发明方法提供了出人意料的改善的除去速度，与用 相同研磨剂浆液组合物但是没有盐化合物情况下得到的蓝宝石除去速度相 比。用平均粒径约50nm的胶体二氧化硅(Nalco TX11005)和胶体二氧化硅浓 度约5至约40重量％的浆液获得类似提高。此外，使用调节至pH约10的 40重量％的悬浮在去离子水中的平均粒径约110nm的胶体二氧化硅研磨剂， 并且其包括溶解在去离子水中的约1重量％氯化钠，用本发明方法抛光的蓝 宝石晶片的原子力显微法表现出低表面粗糙度(即，粗糙度数值为约0.2至约 0.4nm，其刚好高于测量的噪声水平)。由于离子强度效应，观察到本发明方 法明显并且令人惊讶地使除去速度提高至少约45%，通常大于70%,高于期 待值，例如Choi等人用研磨剂二氧化硅浆液抛光二氧化硅表面的报导。考 虑到蓝宝石表面相对于二氧化硅表面明显更硬的性质，这些结果是特别料想 不到的，且抛光晶片观察到低表面粗糙度。本发明方法提供抛光蓝宝石表面 (例如蓝宝石C面和R面表面)所需的过长抛光时间的良好的解决方案 (elegant solution)。
此处提到的全部参考文献，包括出版物、专利和专利申请在此引入作为 内容一样。
以及类似指示视为包括单数和多数，除非此处另有陈述或同上下文明显矛 盾。术语"包含"、"具有"、"包括"和"含有"被认为是开放式的术语(即意味着" 包括但不限于")，除非另有说明。此处所述的数值范围仅是用作逐一涉及范 围内每个单独数值的简写形式，除非此处另有说明，并且将每个单独数值结 合进本说明书，就好像它逐一公开于此处。可以任何合适的顺序进行此处描 述的各种方法，除非此处另有说明或明显与上下文矛盾。此处所提供使用的任何和全部实例，或示范性语言(例如，"比如"或"例如")仅用于较好地说明本 发明，且没有对本发明范围形成限定，除非另有说明。说明书中的语言不应 该认为是放弃对本发明实践必需的任何要素的保护。
此处描述了本发明的优选实施方式，包括本发明人已知实施本发明的最 佳方式。本领域普通技术人员通过阅读上述说明书，优选实施方式的变化将 变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员根据需要采用各种变化，本发 明人指出本发明能够以与此处具体的描述不同的方式进行实践。因此，本发 明包括适用法律许可的权利要求书中叙述的全部主题改进和等价物。此外， 本发明包括上述要素在各种可能变化中的任何组合，除非此处另有说明或上 下文明显矛盾。
权利要求
1. 一种抛光蓝宝石表面的方法，包括用抛光浆液研磨蓝宝石表面，其中该抛光浆液包含悬浮在具有碱性pH的含水介质中的研磨量的无机研磨材料，并包括溶解在该含水介质中的蓝宝石除去速度提高量的盐化合物。
2. 权利要求1的方法，其中该无机研磨材料包含约1至约50重量％的 该抛光浆液。
3. 权利要求1的方法，其中该无机研磨材料具有约20至约200nm的平均粒径。
4. 权利要求1的方法，其中该无机研磨材料具有约50至约150nm的平均粒径。
5. 权利要求1的方法，其中该无机研磨材料是胶体二氧化硅。
6. 权利要求1的方法，其中该含水介质具有至少约9的pH值。
7. 权利要求1的方法，其中该含水介质具有约10至约11的pH值。
8. 权利要求1的方法，其中该盐化合物是酸的碱金属或碱土金属盐。
9. 权利要求8的方法，其中该碱金属盐是钠盐或锂盐。
10. 权利要求8的方法，其中该碱土金属盐是钙盐。
11. 权利要求8的方法，其中该酸是无机酸。
12. 权利要求ll的方法，其中该无机酸选自盐酸、氢溴酸、氢碘酸、硫 酸和硝'酸。
13. 权利要求8的方法，其中该酸是有机酸。
14. 权利要求13的方法，其中该有机酸是抗坏血酸、草酸、吡啶曱酸或 其混合物。
15. 权利要求1的方法，其中该盐化合物是铁盐。
16. 权利要求l的方法，其中该盐化合物是铝盐。
17. 权利要求l的方法，其中该盐化合物选自氯化锂、氯化钠、溴化钠、 碘化钠、硫酸钠、氯化钩、氢氧化铁和其混合物。
18. 权利要求1的方法，其中该盐化合物的蓝宝石除去速度提高量是足 够提高蓝宝石除去速度至少约45%的量，相对于利用包含相同浓度的相同研 磨材料但没有该盐化合物的抛光浆液、在相同抛光条件下得到的蓝宝石除去 速度。
19. 权利要求1的方法，其中基于该浆液总重量，该盐化合物的除去速 度提高量是约0.1至约1.5重量％。
20. 权利要求1的方法，其中该蓝宝石表面是蓝宝石C面表面。
21. 权利要求1的方法，其中该蓝宝石表面是蓝宝石R面表面。
22. —种抛光蓝宝石表面的方法，包括用旋转抛光垫和抛光浆液研磨固 定在旋转载体上的蓝宝石晶片表面，该抛光浆液包括悬浮在pH至少约9的 含水介质中的研磨量的二氧化硅材料，并包括溶解在其中的蓝宝石除去速度 提高量的盐化合物，以选定的向下的力将该垫的抛光表面压在该蓝宝石晶片 表面上，在该垫的抛光表面和蓝宝石晶片表面之间具有至少一部分该抛光浆 液。
23. 权利要求22的方法，其中该盐化合物是无机酸的碱金属或碱土金属贝。
24. 权利要求22的方法，其中该盐化合物是有机酸的碱金属或碱土金属补JUL 。
25. 权利要求22的方法，其中该二氧化硅材料是胶体二氧化硅。
26. 权利要求22的方法，其中该二氧化硅材料具有约20至约200nm的 平均粒径。
27. 权利要求22的方法，其中该盐化合物是酸的碱金属或碱土金属盐。
28. 权利要求22的方法，其中该浆液基本上不含表面活性剂。
29. 权利要求22的方法，其中基于该浆液的总重量，该盐化合物的除去 速度提高量是约0.1至约1.5重量％。
30. —种抛光蓝宝石表面的方法，包括(a) 将抛光浆液施加至固定在旋转载体上的蓝宝石晶片表面上，该抛光浆 液包含悬浮在pH约10至约11的含水介质中的约1至约50重量％的研磨剂 胶体二氧化硅，并包括溶解在其中的蓝宝石除去速度提高量的无机酸的碱金 属或;威土金属盐；并且(b) 以选定的旋转速度、用具有围绕垂直于该晶片表面的轴旋转的平面抛 光表面的抛光垫研磨该晶片表面，用选定量的垂直于该晶片表面的向下的力 将该垫的抛光表面压在该晶片表面上，在该垫的抛光表面和蓝宝石晶片表面 之间具有至少一部分该抛光浆液，与用相同的垫、以相同的垫旋转速度、相 同的载体旋转速度和相同的垂直向下力，利用包含相同量的相同胶体二氧化硅但没有酸的碱金属或碱土金属盐的抛光浆液研磨该蓝宝石表面可获得的蓝宝石除去速度相比，该旋转垫以高出至少约45%的除去速度从该晶片表面除去蓝宝石。
31. 权利要求30的方法，其中该浆液中存在的胶体二氧化硅浓度为约 20至约40重量％。
32. 权利要求30的方法，其中该盐化合物是酸的碱金属或碱土金属盐， 其中该酸选自有机酸、无机酸及其组合。
33. —种蓝宝石抛光浆液，包含悬浮在含水载体中的研磨量的胶体二氧 化硅和溶解在其中的蓝宝石除去速度提高量的盐化合物。
34. 权利要求33的抛光浆液，其中该盐化合物是碱金属盐。
35. 权利要求33的抛光浆液，其中该碱金属盐是氯化钠。
36. 权利要求33的抛光浆液，其中该浆液中存在的胶体二氧化硅的浓度 为约20至约40重量％。
全文摘要
本发明公开了一种改进的组合物和抛光蓝宝石表面的方法。该方法包括用抛光浆液研磨蓝宝石表面，例如蓝宝石晶片的C面或R面表面，其中抛光浆液包含悬浮在含水介质中的研磨量的无机研磨材料例如胶体二氧化硅，其中该含水介质中溶解有盐化合物。该含水介质具有碱性pH，并包含足够量的该盐化合物，以便使蓝宝石除去速度高于在相同抛光条件下使用相同无机研磨剂在没有该盐化合物的情况下可获得的速度。
文档编号B24B37/04GK101511532SQ200680007081
公开日2009年8月19日 申请日期2006年3月2日 优先权日2005年3月4日
发明者凯文·莫根博格, 穆凯什·德塞, 艾萨克·谢里安 申请人:卡伯特微电子公司