一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法；属于蓝宝石加工工艺【技术领域】；其技术要点包括下述步骤：（1）机械快速粗磨；（2）干法化学蚀刻去应力；（3）机械精磨；（4）干法化学蚀刻提高平整；（5）机械抛光。本发明旨在提供一种工艺合理、生产效率高且可有效降低碎片率的提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法；用于衬底片的表面处理。
【专利说明】一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种蓝宝石衬底片表面处理工艺，更具体地说，尤其涉及一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法。
【背景技术】
[0002]LED外延用蓝宝石衬底片对表面质量要求很高，2英寸抛光片的TTV，BOW, WARP的要求分别为=TTV < 5 μ m, BOff < 10 μ m, WARP < IOym0蓝宝石衬底片目前的工艺为机械研磨，机械抛光，退火等。由于蓝宝石材料本身的高硬度物理特性，一般采用钻石液对其进行加工，加工效率低且每次研磨完后衬底片会产生较大应力导致翘曲，金刚石液研磨蓝宝石表面后会对在其表面产生一定深度的表面损伤层，碎片率较高。机械研磨工艺为了降低研磨应力，需要在加工过程中进行多次高温退火，一般退火温度1500度以上，每次退火从升温到降温要持续48— 72小时，严重影响生产效率。机械研磨为了降低损伤层，往往采取在加工快结束时逐渐降低研磨速率以较小表面损伤层深度，工艺复杂且效率低。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种工艺合理、生产效率高且可有效降低碎片率的提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法。
[0004]本发明的技术方案是这样实现的:一种提闻监宝石衬底片表面质量和广品良率的加工方法，其中该方法包括下述步骤:(I)机械快速粗磨，将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备进行研磨，研磨去除量为90?110 μ m，研磨后的衬底片通过超声波进行清洗；(2)干法化学蚀刻去应力，将清洗后的衬底片进行烘干,烘干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为卤素气体，流量为50?300SCCm，辅助气体为氩气或氮气，流量为5?90sCCm，蚀刻时间为2?5分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
(3)机械精磨，将烘干后的衬底片摆放入研磨设备进行研磨，研磨去除量为5?10 μ m，研磨后的衬底片通过超声波进行清洗；(4)干法化学蚀刻提高平整，将清洗后的衬底片进行烘干，烘干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体,其中，蚀刻气体为卤素气体，流量为50?200sccm，辅助气体为氩气或氮气，流量为5?90sccm，蚀刻时间为2?5分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；(5)机械抛光，将烘干的衬底片放入研磨设备中研磨，研磨去除量为30?50 μ m。
[0005]上述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法中，步骤(I)具体为:将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用250#?280#号碳化硼粉按照30?50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分?1000转/分，研磨时间20?30分钟，去除量为90?110 μ m，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗。
[0006]上述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法中，步骤(2)和步骤(4)所述的抽真空压力均为抽至真空度小于0.0OlTor ;所述蚀刻时的偏压设定均为:-200V ?-800V。[0007]上述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法中，步骤(2)和步骤(4)所述的烘干均具体为:将超声清洗后的衬底片放80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干。
[0008]上述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法中，步骤(3)具体为:将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用300#?350#号碳化硼粉按照30?50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分?1000转/分，研磨时间20?30分钟，去除量为5?10 iim，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗。
[0009]上述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法中，步骤(2)和步骤(4)所述的卤素气体均为氯基或溴基或氟基气体中的一种。
[0010]上述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法中，步骤(5)所述的研磨工艺参数为:用粒度为30?50nm的二氧化硅抛光液，抛光液ph值为9?12，抛光盘压力为0.1Mpa?0.15Mpa，抛光时间为3?5小时，抛光头转速为100?200转/分钟。
[0011]本发明采用上述结构后，采用机械物理加工与干法化学蚀刻相结合的加工工艺，在加工过程中，通过化学蚀刻的方法使衬底表面应力得到有效释放，并且可以蚀刻掉表面损伤层，从而降低碎片率，降低加工过程中表面缺陷率(例如划伤等)提高良率，由于应力和表面损伤层得到去除，可加快研磨效率，提高生产率降低成本。另外，采用本发明的工艺后，无需耗时较长的退火步骤，相比于单纯的物理加工方法提高了蓝宝石衬底片的表面质量，可有效降低碎片率，提高生产效率。采用本工艺后蓝宝石抛光片的TTV、B0W、WAPR等关键指标可优化20%到50%。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
[0013]图1是本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0014]参阅图1所不，本发明的一种提闻监宝石衬底片表面质量和广品良率的加工方法，该方法包括下述步骤:
[0015](I)机械快速粗磨，将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用250#?280#号碳化硼粉按照30?50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分?1000转/分，研磨时间20?30分钟，去除量为90?110 ii m，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0016](2)干法化学蚀刻去应力，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空至直空度小于0.0OlTor后，通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为卤素气体，所述的卤素气体均为氯基或溴基或氟基气体中的一种，流量为50?300sCCm，辅助气体为氩气或氮气，流量为5?90sccm，偏压设定均为:-200V?-800V，蚀刻时间为2?5分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
[0017](3)机械精磨，将烘干后的衬底片放入研磨设备，用300#?350#号碳化硼粉按照30?50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分?1000转/分，研磨时间20?30分钟，去除量为5?10 μ m，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0018](4)干法化学蚀刻提高平整，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体,其中，蚀刻气体为卤素气体,所述的卤素气体均为氯基或溴基或氟基气体中的一种，流量为50?200sccm,辅助气体为気气或氮气，流量为5?90sccm，偏压设定均为:-200V?-800V，蚀刻时间为2?5分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
[0019](5)机械抛光，将烘干的衬底片放入研磨设备中研磨，用粒度为30?50nm的二氧化硅抛光液，抛光液ph值为9?12，抛光盘压力为0.1Mpa?0.15Mpa，抛光时间为3?5小时，抛光头转速为100?200转/分钟，研磨去除量为30?50 μ m。
[0020]本发明的加工工艺，第一次粗磨是为了对衬底快速减薄去除晶片在多线切割过程中广生的线痕等表面缺陷，粗磨后厚度TTV提闻，表面粗糖度提闻为精磨做准备，粗磨后TTV < IOym,表面粗糙度< 5 μ m，精磨的速率小于粗磨大于抛光，精磨可以进一步提高表面质量，精磨后TTV和表面粗糙度进一步提高TTV < 7 μ m,表面粗糙度< 0.5 μ m，但要达到最终使用要求必须进行抛光，抛光后TTV < 5 μ m,表面粗糙度< 0.01 μ m。TTV,指晶片表面平整度。
[0021]本发明工艺在精磨之前和抛光之前加工化学蚀刻步骤，可以通过化学蚀刻的方法去除研磨过程中产生的应力和蚀刻掉表面损伤层，去除应力和表面损伤层可降低碎片率，降低加工过程中表面缺陷率(例如划伤等)提高良率，由于应力和表面损伤层得到去除，可加快研磨效率，提高生产率降低成本。
[0022]干法蚀刻是是指采用气体等离子体进行蚀刻的方法，气体通过放电电离成等离子体，等离子体含有可以与被蚀刻体发生化学反应的原子基团。等离子体中一般含有，正，负及中性三种基团，等离子体中的带电基团在一定的偏压下发生定向移动，最终撞击在被蚀刻体蓝宝石衬底表面，而具有反应活性的中性基团通过扩散作用达到被是蚀刻物质蓝宝石衬底表面，与之发生化学反应，带电体的不断对表面撞击可以活化表面促进蚀刻反应的进行，最终反应产物为挥发性气体，通过抽真空排到反应腔外。干法蚀刻中的具有反应活性的原子基团与蓝宝石表面分子发生的化学反应速度一致，从而均匀的去除蓝宝石衬底片在机械研磨过程中累积的应力和表面损伤层。化学蚀刻同时也可以将表面层沉积的化学切血液残留衬底清除，有效的提高衬底面在加工过程中的洁净度，有利于最后的抛光工艺。
[0023]本发明工艺中采用的蚀刻方法为:电感耦合反应等离子蚀刻法(ICP-RIE:1nductively Coupled Plasma Reactive 1n Etching),电感稱合反应等离子蚀刻主要采用的气体有为氯(Cl)基气体、溴(Br)基与氟(F)基气体。典型设备供应商及型号如:牛津仪器所生产的PlasmaPro? Systeml00ICP180等离子蚀刻机；北方微电子的ELEDE330ICP等离子蚀刻机等。
[0024]实施例1
[0025]将多线切后的200片4英寸蓝宝石衬底片清洗后进行粗磨，分成2组，每组100片，一组采用传统工艺，一组采用本发明工艺进行加工，将最终结果进行对比。
[0026]本发明的工艺流程:(I)机械快速粗磨，将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用250#号碳化硼粉按照30%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分，研磨时间30分钟，去除量为90 u m，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0027](2)干法化学蚀刻去应力，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空至直空度小于0.0OlTor后，通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为氯气，流量为50sCCm，辅助气体为氩气，流量为5sCCm，偏压设定均为:_200V，等离子射频频率:13.5M，蚀刻时间为2分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
[0028](3)机械精磨，将烘干后的衬底片放入研磨设备，用300#号碳化硼粉按照30%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分，研磨时间30分钟，去除量为5 u m,研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0029](4)干法化学蚀刻提高平整，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为氯气，流量为50SCCm，辅助气体为氩气，流量为5sCCm，偏压设定均为:-200V，等离子射频频率:13.5M，蚀刻时间为2分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
[0030](5)机械抛光，将烘干的衬底片放入研磨设备中研磨，用粒度为30nm的二氧化硅抛光液，抛光液ph值为9,抛光盘压力为0.1Mpa,抛光时间为5小时,抛光头转速为100转/分钟，研磨去除量为30iim。
[0031]结果:本发明工艺碎片率:1%，传统工艺碎片率:5%。表面质量和碎片率优于传统工艺，且加工时间缩短近一半。
[0032]实施例2
[0033]将多线切后的200片4英寸蓝宝石衬底片片清洗后进行粗磨，分成2组，每组100片，一组采用传统工艺，一组采用本发明工艺。
[0034]本发明的工艺流程:(I)机械快速粗磨，将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用260#号碳化硼粉按照40%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为900转/分，研磨时间25分钟，去除量为100 iim，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0035](2)干法化学蚀刻去应力，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空至直空度小于0.0OlTor后，通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为氯气，流量为lOOsccm，辅助气体为氮气，流量为20sCCm，偏压设定均为:_300V，等离子射频频率:13.5M，蚀刻时间为3分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
[0036](3)机械精磨，将烘干后的衬底片放入研磨设备，用320#号碳化硼粉按照40%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为900转/分，研磨时间25分钟，去除量为8 u m,研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0037](4)干法化学蚀刻提高平整，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体,其中，蚀刻气体为氯气,流量为lOOsccm，辅助气体为氮气，流量为20sCCm，偏压设定均为:-300V，等离子射频频率:13.5M，蚀刻时间为3分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；[0038](5)机械抛光，将烘干的衬底片放入研磨设备中研磨，用粒度为40nm的二氧化硅抛光液，抛光液Ph值为10，抛光盘压力为0.12Mpa，抛光时间为4小时，抛光头转速为150转/分钟，研磨去除量为40 μ m。
[0039]结果:本工艺碎片率:2%，传统工艺碎片率:8% ;表面质量优于传统工艺，且加工时间缩短尽超过三分之一。
[0040]实施例3
[0041]将多线切后的200片4英寸蓝宝石衬底片片清洗后进行粗磨，分成2组，每组100片，一组采用传统工艺，一组采用本发明工艺。
[0042]本发明的工艺流程:(I)机械快速粗磨，将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用280#号碳化硼粉按照50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分，研磨时间20分钟，去除量为110 μ m，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0043](2)干法化学蚀刻去应力，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空至直空度小于0.0OlTor后，通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为氯气，流量为300sccm，辅助气体为氩气，流量为90sccm，偏压设定均为:_800V，蚀刻时间为5分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
[0044](3)机械精磨，将烘干后的衬底片放入研磨设备，用350#号碳化硼粉按照50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分，研磨时间20分钟，去除量为10 μ m,研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗；
[0045](4)干法化学蚀刻提高平整，将清洗后的衬底片放入80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干，吹干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体,其中，蚀刻气体为卤素气体,所述的齒素气体均为氯基或溴基或氟基气体中的一种，流量为200sccm,辅助气体为IS气,流量为90sCCm，偏压设定均为:-800V，蚀刻时间为5分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；
[0046](5)机械抛光，将烘干的衬底片放入研磨设备中研磨，用粒度为50nm的二氧化硅抛光液，抛光液Ph值为12，抛光盘压力为0.15Mpa，抛光时间为5小时，抛光头转速为200转/分钟，研磨去除量为50 μ m。
[0047]结果:本发明工艺碎片率:1.5%，传统工艺碎片率:6%。表面质量和碎片率优于传统工艺，且加工时间缩短一半。
[0048]以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属【技术领域】中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
【权利要求】
1.一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法，其特征在于，该方法包括下述步骤:(I)机械快速粗磨，将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备进行研磨，研磨去除量为90?110 ii m，研磨后的衬底片通过超声波进行清洗；(2)干法化学蚀刻去应力，将清洗后的衬底片进行烘干，烘干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为卤素气体，流量为50?300sccm，辅助气体为氩气或氮气，流量为5?90sccm，蚀刻时间为2?5分钟，蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；(3)机械精磨，将烘干后的衬底片摆放入研磨设备进行研磨，研磨去除量为5?IOy m，研磨后的衬底片通过超声波进行清洗；(4)干法化学蚀刻提高平整，将清洗后的衬底片进行烘干，烘干后放入干法蚀刻机内，抽真空后通入蚀刻气体和辅助气体，其中，蚀刻气体为卤素气体，流量为50?200SCCm，辅助气体为IS气或氮气，流量为5?90sccm,蚀刻时间为2?5分钟,蚀刻完毕后将衬底片进行清洗烘干；(5)机械抛光，将烘干的衬底片放入研磨设备中研磨，研磨去除量为30?50 u m0
2.根据权利要求1所述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法,其特征在于，步骤(I)具体为:将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用250#?280#号碳化硼粉按照30?50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分?1000转/分，研磨时间20?30分钟，去除量为90?110 ii m，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗。
3.根据权利要求1所述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法,其特征在于，步骤(2)和步骤(4)所述的抽真空压力均为抽至真空度小于0.0OlTor ;所述蚀刻时的偏压设定均为:_200V?-800V。
4.根据权利要求1所述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法,其特征在于，步骤(2)和步骤(4)所述的烘干均具体为:将超声清洗后的衬底片放80°C恒温烘箱进行24小时烘干，烘干后浸泡丙酮溶液除去表面残留油污，浸泡后用氮气枪将衬底片吹干。
5.根据权利要求1所述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法，其特征在于，步骤(3)具体为:将清洗干净的衬底片摆放入研磨设备，用300#?350#号碳化硼粉按照30?50%的浓度比例与水混合作为研磨液，研磨转速为800转/分?1000转/分，研磨时间20?30分钟，去除量为5?10 ii m，研磨后的衬底片放超声波清洗槽进行清洗。
6.根据权利要求1所述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(4)所述的卤素气体均为氯基或溴基或氟基气体中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种提高蓝宝石衬底片表面质量和产品良率的加工方法，其特征在于，步骤(5)所述的研磨工艺参数为:用粒度为30?50nm的二氧化硅抛光液，抛光液Ph值为9?12，抛光盘压力为0.1Mpa?0.15Mpa，抛光时间为3?5小时，抛光头转速为100?200转/分钟。
【文档编号】H01L21/306GK103495928SQ201310467696
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】杜彦召 申请人:广东赛翡蓝宝石科技有限公司