专利名称：用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液及制备方法
技术领域：
本发明属于超硬材料抛光技术领域，特别涉及一种用于大尺寸金 刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液及制备方法。
背景技术：
金刚石晶圆不仅具有高的硬度和耐磨性，而且具有优良的电绝缘
性、导热性、透光性和声学及力学特性，被视为21世纪最有发展前途 的新材料，在高新技术领域和国防尖端技术领域都有广泛的应用。但 由于受晶体相生长机理的制约，随着晶圆厚度的增加，其表面粗糙度 和晶粒大小也会增大到几个微米甚至几十个微米，必须采用精密加工 方法将其表面粗糙度降低到纳米量级，并达到一定的面型精度，才能 投入使用。特别在高新技术领域应用时，不仅要求金刚石晶圆具有极 小的表面粗糙度，同时还对其面型精度和表面完整性提出了很高的要 求。目前金刚石晶圆抛光平坦化技术的相对滞后，尤其是大尺寸CVD 金刚石晶圆的超精密无损伤抛光平坦化技术己成为金刚石晶圆在高新 技术领域得到广泛应用的瓶颈问题。
由于金刚石是目前已知的硬度最高且高化学惰性的材料，使得现 有的抛光技术很难实现大尺寸金刚石晶圆的超精密无损伤表面加工。 例如，激光束抛光、离子束抛光等抛光技术，目前主要针对小尺寸(小 《l英寸)的金刚石晶圆，而且设备复杂、成本高，很难用于产业化生产；热化学抛光技术和电火花抛光技术，虽然目前己能够实现大尺寸
金刚石晶圆抛光平坦化，但其抛光表面粗糙度Ra仅能达到几百纳米水
平，而且对加工表面带来损伤和污染；传统的机械抛光技术虽然能够 实现纳米级抛光，但抛光效率极低，而且容易在加工表面留下划痕等
损伤。化学机械抛光(CMP)作为一种基于化学与机械复合作用原理
的超精密加工技术，是目前实现大尺寸硅片超光滑无损伤表面加工的
最理想的加工方法，在IC制造领域得到广泛应用。
虽然目前也有针对金刚石膜的化学机械抛光方法，但由于采用
KN0:,+K0H或NaN03+KN03+LiNO:,等混合熔融物作为氧化剂，所需抛光温度达 324 360°C，存在能源消耗大、抛光液蒸发损失大、难以保证抛光液成 分的稳定性等问题，尤其随着金刚石晶圆尺寸的增大，高温引起的抛 光盘变形和金刚石晶圆翘曲变形等问题更加突出。另外，由于现有抛 光液不含添加催化剂、稳定剂、分散剂等抛光液常用成分，存在抛光速率低， 抛光液的稳定性差等问题。现有的抛光工艺与设备无法满足对大尺寸金刚 石晶圆的高效低成本超精密加工要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于大尺寸金刚石晶圆超精 密低损伤抛光的抛光液及其制备方法，解决目前金刚石晶圆的化学机 械抛光中由于采用以混合熔融物为氧化剂的抛光液而存在的抛光温度高、 设备成本大、加工效率低、抛光质量差等问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是
一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液，其特征 在于，它包括磨料、氧化剂、催化剂、分散剂、稳定剂和去离子水，各原料所占质量百分比为 磨料4 20%; 氧化剂5 30%;
稳定剂1 5 % ; ' 分散剂0.1 10%; 催化剂1 5%;
去离子水42 65%;各原料质量百分比之和为100% ;
所述的磨料纯度为98% 100%;粒度分布为50nm 14 u m。
上述抛光液的制备方法，包括如下步骤
1) 选取磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料
备用，各原料所占质量百分比为磨料4 20%;氧化剂5 30%; 稳定剂1 5%;分散剂0.1 10%;催化剂1 5%;去离子水 42 65%;各原料质量百分比之和为100% ;
2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌10
30min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；
3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入氧化剂和催化剂，进行加热 的同时超声波搅拌10 15min，以使各种溶剂充分溶解和分散。
4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅 拌10 15min，即可制得拋光液。
所述的磨料为二氧化钛、二氧化硅、碳化硼、碳化硅、立方氮化 硼、金刚石等磨料中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上 混合时，为任意配比。
所述的氧化剂为三氧化铬、过硫酸铵、高锰酸钾、重铬酸钾、双氧水、高铁酸钾、高氯酸钾等中的任意一种或者两种以上的混合，任 意两种以上混合时，为任意配比。所述的催化剂为硫酸、磷酸、硝酸、硫酸亚铁、站酸铁中的任意 一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。所述的稳定剂为酒石酸、磷酸二氢钾、柠檬酸、马来酸、硅酸钠 中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配 比。所述的分散剂为硅溶胶、六偏磷酸钠、活性磷酸钙、硅酸钠中的 任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。本发明的效果和益处是本发明釆用可在低温条件下对金刚石晶 圆具有较强氧化剂作用的试剂作为主要成分，可使所需抛光温度降至50 15(TC，有效地解决闵抛光温度高而导致的能源消耗大、抛光液蒸发损失大、难以保证抛光液成分的稳定性等问题，尤其对于大尺寸金 刚石晶圆的加工中，可有效解决高温引起的大尺寸抛光盘变形和金刚 石晶圆翘曲变形等难题，提高金刚石晶圆的面型精度和表面质量，抛光后金 刚石晶圆的表面粗糙度可达纳米级。此外，通过采用分散剂和吸附性较强的 稳定剂等添加剂，提高抛光液的分散稳定性。
图1是抛光前金刚石晶圆表面的500倍扫描电镜照片。 图2是抛光后金刚石晶圆表面的500倍扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。 本发明的方法中所使用的氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂等药品均为常见药品。本发明的方法所用的设备均为常用的己知设备。 实施例l:
一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤拋光的抛光液的制备方 法，它包括如下步骤
1) 按各原料所占质量百分比为磨料18%、氧化剂25%、稳 定剂3%;分散剂1%;催化剂2.5%;去离子水50.5%;选取 磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用；
所述的磨料为碳化硼，纯度为98%,粒度为2um;所述的氧化 剂为高锰酸钾；所述的稳定剂为酒石酸；所述的分散剂为硅酸钠；所 述的催化剂为磷酸。
2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌 15min，使磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；
3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入上述的氧化剂、催化剂，进 行加热同时超声波搅拌10min，促进各种溶剂的溶解和分散。
4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅 拌10min，即可制抛光液。
实施例2:
一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液的制备方 法，它包括如下步骤
1)按各原料所占质量百分比为磨料10%、氧化剂30%、稳 定剂3%;分散剂1%;催化剂4.5%;去离子水51.5%;选取 磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用；
所述的磨料为二氧化钛，纯度为99%，粒度为10wm;所述的氧化剂为过硫酸铵和双氧水；所述的稳定剂为酒石酸和硅酸钠，酒石酸、 硅酸钠所占质量百分比各占1.5%;所述的分散剂为六偏磷酸钠；所述 的催化剂为硫酸和硫酸亚铁，硫酸、硫酸亚铁所占质量百分比各占2.25/b o2 )按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌 30min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入上述的氧化剂、催化剂，进 行加热同时超声波搅拌10min，促进各种溶剂的溶解和分散。4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅 拌10min，即可制得抛光液。实施例3:一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液的制备方 法，它包括如下步骤1) 按各原料所占质量百分比为磨料15%、氧化剂23%、稳 定剂5%;分散剂1%;催化剂3.5%;去离子水52.5%;选取 磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用；所述的磨料为碳化硅，纯度为99%,粒度为2um;所述的氧化 剂为重铬酸钾；所述的稳定剂为柠檬酸；所述的分散剂为六偏磷酸钠； 所述的催化剂为磷酸和硝酸铁。2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌 15min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入上述的氧化剂、催化剂，进 行加热同时超声波搅拌10min，促进各种溶剂的溶解和分散。4)在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅拌10min，即可制得抛光液。 实施例4:一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液的制备方 法，它包括如下步骤1) 按各原料所占质量百分比为磨料20%、氧化剂10%、稳 定剂3%;分散剂10%;催化剂5%;去离子水52%;选取磨 料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用；所述的磨料为碳化硼，纯度为98%，粒度为2um;所述的氧化 剂为三氧化铬；所述的稳定剂为柠檬酸，柠檬酸所占质量百分比各占 1.5%;所述的分散剂为硅酸钠；所述的催化剂为硫酸。2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌 30min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入上述的氧化剂、催化剂，进 行加热同时超声波搅拌10min，促进各种溶剂的溶解和分散。4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅 拌10min，即可制得抛光液。实施例5:一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液的制备方 法，它包括如下步骤1)按各原料所占质量百分比为磨料6%、氧化剂30%、稳 定剂2%;分散剂8%;催化剂20%;去离子水34%;选取磨 料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用；所述的磨料为金刚石颗粒，纯度为99%，粒度为0.5"m;所述的
氧化剂为高锰酸钾；所述的稳定剂为柠檬酸；所述的催化剂为磷酸。
2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌 20min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；
3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入上述的氧化剂、催化剂，进 行加热同时超声波搅拌10min，促进各种溶剂的溶解和分散。
4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅 拌15min，即可制得抛光液。
实施例6:
一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液的制备方 法，它包括如下步骤
1) 按各原料所占质量百分比为磨料10%、氧化剂28%、稳 定剂1.4%;分散剂3%;催化剂2.7%;去离子水54.9%;选 取磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用；
所述的磨料为碳化硼，纯度为98%，粒度为2txm;所述的氧化 剂为高铁酸钾；.所述的稳定剂为磷酸二氢钾；所述的分散剂为六偏磷 酸钠；所述的催化剂为磷酸。
2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌 20min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；
3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入上述的氧化剂、催化剂，进 行加热同时超声波搅拌lOmin，促进各种溶剂的溶解和分散。
4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅 拌15min，即可制得抛光液。实施例7:一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液的制备方 法，它包括如下步骤1) 按各原料所占质量百分比为磨料7%、氧化剂15%、稳 定剂3.5%;分散剂8%;催化剂4%;去离子水62.5%;选取 磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用；所述的磨料为金刚石，纯度为99%，粒度为10txm;所述的氧化 剂为高锰酸钾；所述的稳定剂为油石酸；所述的分散剂为六偏磷酸钠； 所述的催化剂为磷酸。2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌 20min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入上述的氧化剂、催化剂，进 行加热同时超声波搅拌10min，促进各种溶剂的溶解和分散。4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅 拌15min，即可制得抛光液。在抛光温度为6(TC的条件下，采用按实施例1制备的抛光液，在精 密研磨抛光机上进行了抛光试验。图2为抛光后得到的金刚石晶圆表 面的扫描电镜照片(放大倍数500倍)，图2中少量黑点为CVD金刚 石晶圆固有的生长缺陷。图1是未抛光金刚石晶圆表面的500倍扫描 电镜照片。
权利要求
1.一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液，其特征在于，它包括磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水，各原料所占质量百分比为磨料4～20％；氧化剂5～30％；稳定剂1～5％；分散剂0.1～10％；催化剂1～5％；去离子水42～65％；各原料质量百分比之和为100％；所述的磨料纯度为98％～100％；粒度分布为50nm～14μm。
2. 权利要求1所述抛光液的制备方法，其特征在于包括如下步骤1) 选取磨料、氧化剂、稳定剂、分散剂、催化剂和去离子水原料备用，各原料所占质量百分比为磨料4 20%;氧化剂5 30%; 稳定剂1 5%;分散剂0.1 10%;催化剂1 5%;去离子水 42 65%;各原料质量百分比之和为100% ;2) 按上述质量百分比将磨料加入到去离子水中，超声波搅拌10 30min，使得磨料在去离子水中充分分散，配制成悬浮液；3) 在悬浮液中按上述质量百分比加入氧化剂和催化剂，进行加热 的同时超声波搅拌10 15min，以使各种溶剂充分溶解和分散；4) 在该溶液中按上述质量百分比加入稳定剂和分散剂，超声波搅拌10 15min，制得抛光液。
3. 根据权利要求1所述的一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液，其特征在于采用在低温条件下对金刚石晶圆具有较强氧化作用的试剂，使所需抛光温度降至50 15(TC 。
4. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的催化剂 为硫酸、磷酸、硝酸、硫酸亚铁、硝酸铁中的任意一种或者两种以上 的混合；任意两种以上混合时，为任意配比。
5. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的氧化剂 为三氧化铬、过硫酸铵、高锰酸钾、重铬酸钾、双氧水、高铁酸钾、 高氯酸钾中的任意一种或者两种以上的混合；任意两种以上混合时， 为任意配比。
6. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的磨料为 二氧化钛、二氧化硅、碳化硼、碳化硅、立方氮化硼、金刚石中的任 意一种或者两种以上的混合；任意两种以上混合时，为任意配比。
7. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的稳定剂 为酒石酸、磷酸二氢钾、柠檬酸、马来酸、硅酸钠中的任意一种或者 两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。
8. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的分散剂 为硅溶胶、六偏磷酸钠、活性磷酸钙、硅酸钠中的任意一种或者两种 以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。
全文摘要
本发明属于超硬材料抛光技术领域，公开了一种用于大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的抛光液及制备方法。其特征是采用氧化能力较强的氧化剂包括三氧化铬、过硫酸铵、高锰酸钾、重铬酸钾、双氧水、高铁酸钾、高氯酸钾等作为主要成分，加入适量的磨料配制抛光液，在常温或较低的温度条件下，借助化学和机械复合作用即可实现金刚石晶圆表面材料的微量去除。此外，还通过添加适量的催化剂、稳定剂、分散剂等以提高抛光液的抛光效果。本发明的效果和益处是所制备的抛光液具有抛光效率高、抛光质量好、稳定性良好等优点，能够在常温或低温条件下实现大尺寸金刚石晶圆的超精密低损伤抛光。
文档编号C09G1/00GK101302403SQ20081001218
公开日2008年11月12日 申请日期2008年7月3日 优先权日2008年7月3日
发明者康仁科, 苑泽伟, 董伯先, 金洙吉 申请人:大连理工大学