蓝宝石晶片抛光活性磨粒设计及其化学机械抛光机理

To meet the machining requests of atom-order planarization and high polishing rate for Light Emitting Diode (LED) sapphire wafer substrate, and to solve the problems existed in the present chemical mechanical polishing (CMP) abrasive technology, a kind of novel multi-functional active abrasive with nanostructure, special shape and polishing active elements and organic groups, is put forward. Active nano-abrasives can greatly enhance the polishing rate through a series of chemistry and tribo-chemistry reactions between sapphire and abrasive under the polishing (friction)conditions.Through studying the polishing properties and CMP machanisms of the active nano-abrasives, and investigating the interactions between sapphire and pad as well as polishing parameters,atom-order precision polishing technology with high polishing rate for LED sapphire wafer substrate will be developed. This study will provide the manufacturing of next generation LED sapphire substrate with technology and theory.

针对目前高亮度LED衬底蓝宝石晶片"高速率、高精度"的加工要求，以及现有化学机械抛光（CMP）磨粒存在的功能、种类单一等问题，提出研制具有纳米结构、特殊形貌、含有抛光活性元素和有机活性基团、"机械性能适中、抛光活性高"的新型多功能活性磨粒。纳米活性磨粒在抛光（摩擦）条件下，可通过在蓝宝石表面引发和促进一系列化学和摩擦化学反应生成易去除的固体反应层、螯合水化层，同时提高抛光速率和表面质量。通过研究纳米活性磨粒CMP特性及其化学机械抛光机理，以及研究纳米活性磨粒物理化学及机械等特性、被抛光蓝宝石材料特性、抛光垫特性、抛光工艺参数等CMP要素之间相互作用的关系规律，探索实现蓝宝石晶片表面"高效率、原子级、无损伤"抛光的方法与途径，并建立纳米活性磨粒设计的数学模型。为下一代LED蓝宝石晶片的原子级精度制造提供技术与理论支持。

针对目前高亮度LED衬底蓝宝石晶片“高速率、高精度”的加工要求，以及现有化学机械抛光（CMP）磨粒存在的功能、种类单一等问题，研制了一系列含有Ti、La、Ce、Cu、Fe、Zn、Mg、Co、Ni、Zr、Mn、Ag、Nd、Sm等活性元素的球形纳米氧化硅，不规则形貌的α-Al2O3/TiO(OH)2、α-Al2O3/SiO2、聚电解质改性氧化铝等新型多功能活性磨粒，并研究了其抛光特性。.通过调控纳米活性磨粒中活性元素含量、类型、表面电荷、颗粒结构、硬度、形貌等机械物化特性，优化设计的纳米活性磨粒抛光液可实现对CMP中颗粒与蓝宝石表面间机械、物理化学作用的最佳匹配。在企业工业抛光机上，可达到抛光速率4.1µm/H，抛光后表面粗糙度Ra=0.16nm，达到或优于日本FUJIMI同类商品抛光液（COMPOL80）的水平，实现了蓝宝石表面的“原子级、无损伤、高速率”抛光。.采用微区测试结合理论分析，研究了纳米活性磨粒在蓝宝石晶片中的化学机械抛光机理。表明，纳米活性磨粒通过提高化学或摩擦化学作用（活性元素在CMP中与表面发生固相化学反应生成一系列包含功能元素与Al2O3的复合物）、提高CMP中颗粒/表面接触面积（增加粘着磨损）、提高CMP微区有效颗粒数等多种机制，实现CMP材料去除。该研究为LED蓝宝石晶片的原子级精度制造提供了技术与理论支持，为CMP技术水平提高探索了一条有效的新途径。