标题白宝石（Al2O3）晶体基片的抛光液的研制及加工工艺

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张向东1 赵海法1 江晓平2 张 革2
　　　　　　 （1.东北微电子研究所 2.沈阳科晶设备制造有限公司）

　　摘要：本文介绍了用国产设备和国产原料加工白宝石（Al2O3）晶体基片的工艺流程，并着重介绍了用于抛光白宝石晶体基片的抛光液的原理和使用效果。
关键词：白宝石（Al2O3）晶体基片
　　　　物理研磨、化学抛光、抛光液

1 引 言
　　 白宝石（Al2O3）晶体基片是生产兰色发光体及兰色激光器的基础材料。他的衬底表面质量好坏，直接影响器件的性能和成品率。因此、（Al2O3）晶体基片衬底加工技术，如同其他半导体晶片一样，经历了不断发展和完善而成为晶体基片加工的一个新亮点。国内随着晶体衬底加工设备的引进，也引进了（Al2O3）晶体基片的加工工艺。但是，其成本很高，受控于人。是否能够用国产设备和国产材料，加工出合格的Al2O3晶体基片，成为一个新的课题。
　　 本文就这一课题，将介绍（Al2O3）晶体基片的加工设备的选择、工艺特点、工艺流程、核心技术及原理，抛光液和Al2O3晶体基片加工工艺的实际使用效果和推广应用前景。

2 设备选择
　　设备选择是非常关键的，其本身的技术指标，制造质量以及运转情况，对晶体加工质量是有很大影响的。对研磨而言，设备运转的平整度是至关重要的，它直接影响到加工基片的质量好坏。对抛光来说，转速慢，速率底，易腐蚀，所加工的晶片化学速率大于机械速率。转速快，机械作用太强，易掉片，表面损伤层很大，质量也不好。相对转数100～120转/分之间是合适的。经考查和实验，沈阳科晶设备制造有限公司研制生产的UNPOL -1501型、UNPOL-1502型，以及UNPOL-801型和UNPOL-802型精密研磨抛光机符合各种晶体基片加工的要求，适用于白宝石晶体基片的加工工艺。是较好的小型生产线上的理想加工设备。

3 工艺特点
　　 白宝石（Al2O3）晶体基片由于硬度高及本身结构的原因，以及引进加工设备所附带工艺的影响，基本是以物理研磨为主的加工工艺，各种磨料是进口的。从颗粒较大的金刚石研磨料开始研磨，经多次研磨，每次都递减金刚石的颗粒度，直至到合适于工艺要求的微粒金刚石粉，将白宝石晶体基片加工成符合工艺要求的衬底晶片来，也就是所谓的物理抛光工艺。很费时，所需的设备及研磨材料的成本也是昂贵的。
　　 使用国产设备和国产磨料，白宝石（Al2O3）晶体基片加工工艺采用物理研磨和化学抛光的加工工艺方法，全部国产化，从而降低了加工成本。其特点是：前半部工艺为物理研磨工艺（分别为粗磨和精磨），而后半部工艺为化学抛光工艺（分别为粗抛和精抛）。

4 工艺流程
　　 根据白宝石（Al2O3）的本身结构、性质及硬度，根据国内设备及研磨材料，以及在此基础上研制的白宝石晶体基片抛光液的本身特点，白宝石晶体基片的加工工艺流程如下：

选 片 → 粘 片 → 粗磨1 → 粗 磨2 → 粗磨3
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↓
合格片 ← 精抛光 ← 粗抛光 ← 精磨2 ← 　精磨1

　

以上工艺视白宝石（Al2O3）晶体基片本身的情况，可减少研磨工序的次数，加工时间大致8小时。研磨5小时，每道研磨工序大致1小时左右。粗磨时可减少时间。精磨时，可适当增加时间。抛光3小时，其中：粗抛光工序2小时，精抛光工序1小时。

5 核心技术及原理
　　本工艺的核心就是采用了化学机械抛光的方法。在精磨白宝石（Al2O3）晶体基片的基础上，进行化学机械抛光来取代引进工艺的后部物理抛光方式。抛光工艺采用粗抛光和精抛光的结合方式，以去除精磨时研磨料对白宝石（Al2O3）晶体基片表面的机械损伤层，进一步提高白宝石晶体基片表面的平整度和光洁度，加工出符合工艺线上要求的合格衬底晶片来。
　　抛光液是根据白宝石（Al2O3）的化学物理性质以及有关的化学反应原理为依据，精选数种试剂，经再配制及有关化学反应而研制成功的。分为两种剂型，用于粗抛光工艺和精抛光工艺。该抛光液也可做成浓缩母液，便于使用和运输。使用时，将浓缩母液用高纯水稀释后使用，无毒、无味。
　　 在白宝石（Al2O3）晶体基片的加工工艺中，抛光原理应符合下列设想：首先，该抛光液中的某种成份将Al2O3氧化，使AL2O3表面形成离子形式，在碱性条件下，即有偏铝酸根离子生成：

　　　　　　 Al+ + + + 3OH－ → H2O + HAlO2 → H + AlO2－

　　 在机械条件作用下，这些离子进入抛光液中，从而使Al2O3晶体基片露出新的表面来，使得抛光液中的某种成份和Al2O3晶体基片表面能够继续进行化学反应。进入抛光液中的偏铝酸根离子与抛光液中的某种金属离子进行化学反应，生成结晶沉淀，这些结晶沉淀反过来又参与抛光。以上过程反复进行，使白宝石（Al2O3）晶体基片表面的平整度和光洁度达到工艺要求。

6 工艺效果
　　利用该工艺进行白宝石（Al2O3）晶体基片加工，Al2O3晶体基片表面光亮、疏水性好，无划痕，无凹坑、无云雾状、无弧坑、波纹和桔皮。在400倍显微镜下观察，晶片衬底良好，达到了工艺要求。
　　在国产的设备上，采用国产研磨抛光材料来加工白宝石（Al2O3）晶体基片是国内一些加工白宝石（Al2O3）晶体基片厂家的要求。该工艺提供了这方面要求的一个可行工艺流程，并得到了初步的认可。
　　深圳某制造兰色发光二级管的公司。在Al2O3晶片上制好二级管的管芯后，要对AlL2O3基片背后进行减薄处理和抛光。利用该工艺流程进行实验，先进行研磨，然后进行抛光，达到了减薄、抛光的目的，符合最终的工艺要求。
　　天津某半导体研究所进行白宝石（Al2O3）晶体基片的加工，采用沈阳科晶设备制造有限公司生产的抛光研磨设备，使用以上介绍的工艺流程，生产出合格的（Al2O3）晶体基片，达到了工艺要求。

7 应用背景
　　 白宝石（Al2O3）晶体基片加工工艺和抛光液研制基础就是在于用国产设备替代进口设备，采用国产的研磨料和抛光液替换进口的研磨料和抛光液，也就是所谓的全部国产化。做到了这一点，应用前景是乐观的，是有前途的。
　　 首先，在保证白宝石（Al2O3）晶体基片加工质量不变的前提下，使用国产设备替代进口设备，设备本身价格下降几倍甚至更多，降低了加工成本和培训费用。而设备的维修保养、更换易损部件，不但方便，而且又节省了一大笔开支。
　　 其次，研磨料和抛光液的国产化，代替了昂贵的进口研磨料和抛光液，价格也是成倍的降低，采用易得的国产原料，不但降低了成本，同时也提高了加工厂家的经济效益。
　　 以上两点正是本文介绍的白宝石（Al2O3）晶体基片加工工艺所要做到的，使用国产设备，利用国产原料，加工出的晶体基片符合工艺要求，满足了国内加工白宝石晶体基片厂家的要求。
　　 由于设备国产化，研磨原料、抛光液原料的国产化，加工成本会成倍降低，成本的降低，会产生较高的经济效益，提高了加工厂家的竞争力。因此，本工艺的推广是乐观的。