一文了解氧化铝抛光液磨料及其稳定性

※发布时间:2020-1-5 13:32:25   ※发布作者:habao   ※出自何处: 

  欲女经化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)技术是提供全局平坦化的表面精加工技术,其中抛光液是CMP技术中的关键因素。抛光液主要由磨料、溶剂和添加剂组成,其种类、性质、粒径大小、颗粒分散度及稳定性等与最终抛光效果密切相关。

  目前市场上使用最为广泛的几种磨料是SiO2、CeO2、Al2O3。其中,SiO2抛光液选择性、分散性好,机械磨损性能较好,化学性质活泼,并且后清洗过程处理较容易;缺点为在抛光过程中易产生凝胶,对硬底材料抛光速率低。CeO2抛光液的优点是抛光速率高,材料去除速率高;缺点是黏度大、易划伤,且选择性不好,后续清洗困难。Al2O3抛光液的缺点在于选择性低、分散稳定性不好、易团聚等,但对于硬底材料蓝宝石衬底等却具有优良的去除速率。

  α-氧化铝(刚玉)的硬度高,稳定性好,纳米级的氧化铝适用于光学镜头、单芯光纤连接器、微晶玻璃基板、晶体表面等的精密抛光,应用相当广泛。当前,以高亮度GaN基蓝光LED为核心的半导体照明技术在照明领域引起了很大的轰动,并成为全球半导体领域研究的热点。但GaN很难制备,必须在其它衬底晶片上外延生长薄膜,如蓝宝石晶片或碳化硅晶片,因此晶片的抛光也成为关注的焦点。

  近年来,国际上采用了一种新的工艺,即用Al2O3抛光液一次完成蓝宝石、碳化硅晶片的研磨和抛光,大大提高抛光效率。不过,由于纳米α-氧化铝的硬度很高,因此抛光时易对工件表面造成严重的损伤;而且纳米氧化铝的表面能比较高,粒子易团聚,也会造成抛光工件的划痕、凹坑等表面缺陷。近年来对氧化铝抛光液的研究主要集中在纳米磨料制备、氧化铝颗粒表面改性、氧化铝抛光液混合应用等方面。

  在化学机械抛光中使用的氧化铝磨料,常选用硬度大、性能稳定、不溶于水、不溶于酸碱的纳米α-Al2O3。作为化学机械抛光磨料,氧化铝颗粒的大小、形状、粒度分布都影响抛光效果。在LED行业,CMP抛光液中常选用粒径50∼200 nm、粒径分布均匀的纳米α-Al2O3。近年来对α-Al2O3磨料颗粒的研究主要集中在纳米级球形颗粒的制备上。常见制备方法有以下几种。

  固相法。其中的硫酸铝铵热解法、改良拜尔法、爆炸法等是比较成熟的制备方法。固相法制备超细粉体的流程简单,无需溶剂,产率较高,但生成的粉体易产生团聚,且粒度不易控制,难以得到分布均匀的小粒径的高质量纳米粉体。

  气相法。主要有化学气相沉淀法,通过加热等方式改变物质形态,在气体状态下发生反应,之后在冷却过程中形成颗粒。气相法的优点是反应条件可以控制、产物易精制,颗粒分散性好、粒径小、分布窄,但产出率低,粉末难收集。

  液相法。常见的有水解、喷雾干燥、溶胶凝胶、乳化等几种方法。液相法的优点体现在:可精确控制产物的化学组成,纳米粒子的表面活性高,形状容易控制分散均匀,生产成本比较低,容易实现工业化生产。

  近年来随着LED产业的发展、宝石衬底需求量的增大,氧化铝抛光液凭借较高的抛光速率在蓝宝石抛光液中有很好的应用前景。然而氧化铝抛光液在抛光过程中存在分散稳定性差、抛光过程容易出现凝聚现象使抛光面出现划痕的问题。有许多研究者对提高氧化铝抛光液稳定性进行了研究。

  纳米氧化铝颗粒在极性的水溶液中,氧化铝颗粒由于受静电力等作用发生团聚,容易出现絮凝分层等现象,抛光液的分散性、稳定性。由磨料颗粒的团聚现象产生的大颗粒胶团,是化学机械抛光过程中衬底表面出现划痕的主要原因。氧化铝颗粒的粒径大小及分布、Zeta电位,以及抛光液添加稳定剂、分散剂的种类和质量对抛光液稳定性有较大的影响。

  对纳米氧化铝表面改性可提高颗粒表面规则度,减少抛光划痕和凹坑,同时提高氧化铝磨料分散度和抛光液稳定性。常见的处理方法为利用偶联剂、有机物、无机物等在硬度较高的氧化铝粒子表面包覆一层较软的物质以减少抛光划痕和凹坑等缺陷,进而改善氧化铝抛光液的稳定性和分散性,同时能有效提高抛光磨料的耐磨性能。此外,还可以通过改变氧化铝颗粒Zeta电位来提高抛光液的稳定性。

  磨料粒子的分散问题。目前,国内外常用超声波、机械搅拌、表面处理等机械化学方法对纳米磨料粒子进行分散,但是往往达不到效果,因此,纳米磨料粒子的分散稳定性需要进一步的研究。

  抛光液对的影响。化学机械抛光液中的化学成分,如氨、酸等有毒成分对和人体的很大。为此,在进一步研究抛光液制备工艺的同时,抛光液的循环利用技术也应进一步完善,做到经济发展与相协调。

  

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