拋光藍(lán)寶石表面的方法
【專利說明】拋光藍(lán)寶石表面的方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及包含在含水酸性溶液中的膠體娃侶酸鹽顆粒的組合物、試劑盒和用于 使用拋光組合物拋光藍(lán)寶石表面的方法。
[000引發(fā)明背景
[0003] 藍(lán)寶石是用于氧化侶（Al2〇3)單晶材料的通用術(shù)語。藍(lán)寶石是對于用作用于紅外 和微波系統(tǒng)的窗、用于紫外至近紅外光的光學(xué)透射窗、發(fā)光二極管、紅寶石激光器、激光二 極管、用于微電子集成電路應(yīng)用與超導(dǎo)化合物和氮化嫁的生長的支撐材料、及類似物特別 有用的材料。藍(lán)寶石具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、光學(xué)透明度和合意的機(jī)械性質(zhì)例如抗碎落性、 耐用性、耐刮傷性、耐福射性、對于神化嫁的熱膨脹系數(shù)的良好的匹配、W及高溫下的抗彎 強(qiáng)度。
[0004] 藍(lán)寶石晶片通常沿著許多晶軸切割，例如C-平面（0001方向，也被稱為0度平面 或基面）、A-平面（1120方向，也被稱為90度藍(lán)寶石）和R-平面（1102方向，與C-平面成 57.6度）。R-平面藍(lán)寶石比C-平面藍(lán)寶石更抗拋光，所述R-平面藍(lán)寶石特別適合用于在 半導(dǎo)體、微波和壓力傳感器應(yīng)用中使用的藍(lán)寶石上娃材料，所述C-平面藍(lán)寶石典型地用于 光學(xué)系統(tǒng)、紅外檢測器和用于發(fā)光二極管應(yīng)用的氮化嫁的生長。
[0005] 藍(lán)寶石晶片的拋光和切割可W是極其慢的和費(fèi)力的過程。經(jīng)常，必須使用侵蝕性 的磨料，例如金剛石，來獲得可接受的拋光速率。運(yùn)樣的侵蝕性的磨光材料可對晶片表面賦 予嚴(yán)重的表面損傷和污染。典型的藍(lán)寶石拋光設(shè)及將磨料的漿料連續(xù)地應(yīng)用于待被拋光的 藍(lán)寶石晶片的表面，并同時(shí)采用旋轉(zhuǎn)拋光墊拋光所得的磨料包覆的表面，所述旋轉(zhuǎn)拋光墊 橫跨晶片的表面被移動(dòng)，并且通過恒定的向下力被保持抵靠晶片表面，所述向下力典型地 在約5至20磅每平方英寸（psi)的范圍內(nèi)。
[0006] 已經(jīng)假設(shè)的是，藍(lán)寶石與膠體二氧化娃在拋光墊的溫度和壓力下的 相互作用導(dǎo)致用于形成娃酸侶二水合物物質(zhì)的能量上有利的化學(xué)反應(yīng)（即， AI2O3巧Si化一A12Si2〇7?S&o)。運(yùn)些多種水合物和侶物質(zhì)的硬度被設(shè)想為低于下方的藍(lán)寶 石，導(dǎo)致微小的膜，該膜能夠通過膠體二氧化娃漿料容易地除去而沒有損壞下方的表面。先 前的實(shí)踐還已經(jīng)集中在增加拋光溫度W增加氧化侶水合物膜形成的速率W及由此的除去 速率。還已經(jīng)顯示，增加堿性膠體二氧化娃漿料的鹽濃度對于C和m平面藍(lán)寶石兩者都具 有增加的除去速率。最后，添加侶馨合劑例如邸TA衍生物和酸-醇表面活性劑通過為了更 潔凈的晶片表面縛牢和拿掉表面?zhèn)H物質(zhì)和使?jié){料組分懸浮而改善拋光性能。
[0007] 然而，在藍(lán)寶石拋光方面的運(yùn)些發(fā)展都沒有完全解決由于采用其他磨光材料可獲 得的典型地緩慢的拋光速率的拋光性能。因此，存在對增強(qiáng)藍(lán)寶石表面的拋光效率的組合 物、試劑盒和方法的持續(xù)的需求。
[000引發(fā)明概述
[0009] 本發(fā)明設(shè)及拋光藍(lán)寶石表面的方法，所述方法包括采用含水拋光組合物磨光藍(lán)寶 石表面，其中拋光組合物包含有效量的膠體娃侶酸鹽，并且拋光組合物的抑是約2.0至約 7. 0。
[0010] 本發(fā)明設(shè)及拋光藍(lán)寶石表面的方法，所述方法包括：采用旋轉(zhuǎn)拋光墊和拋光組合 物磨光藍(lán)寶石表面，其中拋光組合物包含有效量的膠體娃侶酸鹽，并且其中所述組合物具 有約2.0至約7.0的抑。在某些實(shí)施方案中，所述組合物具有約3.0至約6. 5的抑。在 某些實(shí)施方案中，膠體娃侶酸鹽構(gòu)成拋光組合物的約Iwt. %至約50wt. %。在某些實(shí)施方 案中，膠體娃侶酸鹽具有約50皿至約150皿的平均粒度。在某些實(shí)施方案中，膠體娃侶酸 鹽具有約75nm至約125nm的平均粒度。在某些實(shí)施方案中，膠體娃侶酸鹽的粒度的標(biāo)準(zhǔn)偏 差（0)與膠體娃侶酸鹽的平均粒度（r)的比率小于約0.3。在某些實(shí)施方案中，拋光組合 物具有小于約-2〇mV的C電勢。在某些實(shí)施方案中，膠體娃侶酸鹽包含基于二氧化娃的約 0.Olwt% 至約 2.Owt% 的侶（A1)。
[0011] 在某些實(shí)施方案中，拋光組合物還包含選自由W下組成的組的另外的組分：堿性 物質(zhì)、無機(jī)拋光顆粒、水溶性的醇、馨合劑和緩沖劑。在某些實(shí)施方案中，采用約5psi至約 25psi的向下力將拋光墊應(yīng)用于藍(lán)寶石表面。在某些實(shí)施方案中，拋光墊W約4化pm至約 120rpm的速率旋轉(zhuǎn)。在某些實(shí)施方案中，拋光墊包含聚氨醋浸潰的聚醋材料。在某些實(shí)施 方案中，拋光墊具有約1 %至約40 %的壓縮率。在某些實(shí)施方案中，拋光墊具有約50至約 60的肖氏D硬度。
[0012] 在某些實(shí)施方案中，藍(lán)寶石表面是藍(lán)寶石C-平面表面。在某些實(shí)施方案中，藍(lán)寶 石表面是藍(lán)寶石R-平面表面。
[0013] 本發(fā)明還設(shè)及用于拋光藍(lán)寶石表面的試劑盒，所述試劑盒包括拋光組合物，所述 拋光組合物包含有效量的膠體娃侶酸鹽，其中所述組合物具有約2. 0至約7. 0的pH。在某些 實(shí)施方案中，試劑盒還包括拋光墊，拋光墊包含浸潰有聚醋的聚氨醋，具有約5%至約10% 的壓縮率和約50至約60的肖氏D硬度。
[0014] 附圖簡述
[0015] 圖1是拋光系統(tǒng)的圖示。
[001引圖2示出本文描述的膠體二氧化娃和娃侶酸鹽組合物的TEM圖像：A)參考組合物A;B)組合物1;和C)組合物2。
[0017] 圖3是膠體二氧化娃和娃侶酸鹽組合物的粒度分布的圖。
[0018] 圖4是作為抑的函數(shù)的、本文描述的膠體二氧化娃和娃侶酸鹽組合物的C電勢 量度的圖。
[0019] 圖5是用于本文描述的膠體二氧化娃和娃侶酸鹽組合物在不同條件下從藍(lán)寶石 表面的材料除去速率的圖。
[0020] 圖6是對于本文描述的膠體二氧化娃和娃侶酸鹽組合物在不同條件下的從藍(lán)寶 石表面的材料除去速率的圖。
[0021] 圖7示出作為磨料顆粒和漿料pH的函數(shù)的從C平面藍(lán)寶石的材料除去速率。
[0022] 圖8示出：A)c-平面藍(lán)寶石晶片表面在拋光前的原子力顯微術(shù)5um巧umX 800nm表面標(biāo)繪圖；W及B)相同的晶片的20ymX20ymX2000nm表面標(biāo)繪圖。
[0023] 圖9示出C-平面藍(lán)寶石晶片表面在拋光前的原子力顯微術(shù)頂視圖。
[0024] 圖10示出C-平面晶片在采用去離子的組合物1、抑3拋光后的原子力顯微術(shù) lymxlymx50nm表面標(biāo)繪圖。
[00巧]圖11示出C-平面晶片在采用去離子的參考組合物A、pH3拋光后的原子力顯微 術(shù)lymxlymx50nm表面標(biāo)繪圖。
[0026] 圖12示出與圖11中示出的相同的晶片的原子力顯微術(shù)頂視圖。
[0027] 圖13示出來自圖11和12中示出的相同的晶片的原子力顯微術(shù)縱剖面，圖示了橫 跨表面的可變性。
[0028] 圖14示出C-平面晶片在采用參考組合物A、pH 6拋光后的原子力顯微術(shù)1 ymX lumX50nm表面標(biāo)繪圖。
[0029] 圖15示出C-平面晶片在采用去離子的組合物1、抑6拋光后的原子力顯微術(shù) lymxlymx50nm表面標(biāo)繪圖。
[0030] 圖16示出來自圖15中示出的相同的晶片的原子力顯微術(shù)縱剖面，圖示了橫跨表 面的可變性。
[0031] 詳細(xì)描述
[0032] 本公開內(nèi)容設(shè)及用于拋光藍(lán)寶石表面（例如C-平面或r-平面晶片）的組合物、 方法和試劑盒。組合物包括在含水酸性溶液中的娃侶酸鹽顆粒。包含膠體二氧化娃的常規(guī) 的藍(lán)寶石拋光漿料在較高抑范圍有效。然而，本公開內(nèi)容的組合物包含侶滲雜的膠體二氧 化娃，其提供在酸性環(huán)境中具有增加的表面負(fù)電荷和增加的穩(wěn)定性的顆粒。
[0033] 組合物包含在水溶液中的膠體娃侶酸鹽顆粒，其中抑為從約2. 0至約7. 0。在某些 實(shí)施方案中，膠體娃侶酸鹽顆?？删哂姓?、單峰粒度分布，并且平均粒度范圍為從約75nm 至約125nm。在其他實(shí)施方案中，膠體娃侶酸鹽顆?？删哂袑挼牧６确植肌?br>[0034] 組合物和包含組合物的試劑盒可被用于拋光藍(lán)寶石表面的方法，并且它們可改善 藍(lán)寶石表面的化學(xué)機(jī)械平坦化，具有增加的材料除去速率和同時(shí)發(fā)生的減少的藍(lán)寶石基底 的表面粗糖度。組合物還可具有在低抑下的優(yōu)良的穩(wěn)定性和長的儲(chǔ)存期，運(yùn)可保存膠體磨 料顆粒的形態(tài)學(xué)優(yōu)勢。
[0035]所得拋光的藍(lán)寶石基底可被用于許多應(yīng)用中，包括但不限于發(fā)光二極管（LED)、半 導(dǎo)體、光學(xué)激光器和電信設(shè)備。
[003引 1.定義
[0037] 本文使用的術(shù)語僅是為了描述特定實(shí)施方案的目的而不意圖是限制性的。如說明 書和所附的權(quán)利要求中所使用的，單數(shù)形式的"一（a)"、"一（an)"及"所述（the)"包括復(fù) 數(shù)的參考物，除非上下文另外清楚地規(guī)定。
[0038]W絕對項(xiàng)或W近似項(xiàng)給出的任何范圍意圖涵蓋二者，并且本文使用的任何定義意 圖是明晰的而非限制性的。盡管陳述本發(fā)明的廣泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，在特 定的實(shí)施例中陳述的數(shù)值盡可能精確地被報(bào)道。然而，任何數(shù)值固有地包含由在其各自測 試測量中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差必定導(dǎo)致的某種誤差。此外，本文公開的所有范圍被理解為涵蓋 其中包括的任何和所有的子范圍（包括所有小數(shù)和整數(shù)值）。
[0039] 如本文使用的"娃侶酸鹽"是指其中某些娃原子被侶替換的二氧化娃；換句話說， 娃侶酸鹽是滲雜有侶的二氧化娃。娃侶酸鹽顆粒可包括包覆有娃侶酸鹽層的二氧化娃忍， 或可W是其中侶滲雜存在于整個(gè)顆粒的顆粒。
[0040] "Asker C"硬度意指如通過Asker硬度測試儀測量的軟橡膠和海綿的硬度的量度。
[0041]"膠體娃侶酸鹽組合物"和其他類似的術(shù)語（包括"膠體"、"溶膠"及類似物）是指 具有分散相和連續(xù)相的含水兩相體系。用于本發(fā)明的膠體娃侶酸鹽組合物具有分散于或懸 浮于連續(xù)的或基本上連續(xù)的液相（典型地，水溶液）中的固相。因此，術(shù)語"膠體"或"娃侶 酸鹽溶膠"涵蓋兩相，而"膠體顆粒"、"膠體娃侶酸鹽"、"娃侶酸鹽溶膠顆粒"或"顆粒"是指 分散相或固相。
[0042] "材料除去速率"或"MRR"是指除去的材料的量除則寸間間隔。對于給定的基底， MRR可質(zhì)量每單位時(shí)間（例如，mg/min)或Wnm/min的單位報(bào)道。例如，藍(lán)寶石的密度 是3. 98g/cm3,并且因此0. 001克損失相當(dāng)于橫跨3英寸（7. 62cm)晶片的表面的55. 1皿均 勻的損失。因此，材料除去速率可通過W下?lián)Q算等式計(jì)算：
[0043]
[0044] 如本文使用的"拋光組合物"是指可被用于拋光藍(lán)寶石表面的、包括膠體娃侶酸鹽 組合物和任選的另外的組分的組合物。拋光組合物可包括作為分散相的膠體娃侶酸鹽、作 為連續(xù)相的水溶液和任選地選自W下的另外的組分：堿性物質(zhì)、其他無機(jī)拋光顆粒、水溶性 的醇、馨合劑、緩沖劑、表面活性劑、乳化劑、粘度調(diào)節(jié)劑、潤濕劑、潤滑劑、脂肪酸鹽及類似 物。
[0045] "均方根粗糖度"、"MS粗糖度"或"Rq"在本文中被可互換地使用并且是指在給定 區(qū)域內(nèi)的Z值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并且由等式1表示：
[0046]
等式 1.
[0047] 其中是在給定區(qū)域內(nèi)的平均Z值，Zi是所關(guān)注的Z值（點(diǎn)或像素），并且N是 在給定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)的數(shù)目。因此，完美平坦的表面將具有Rq=〇。非零的但低的Rq將指示， 雖然表面可能是粗糖的，但貢獻(xiàn)于粗糖度的特征全部大致相等。另一方面，高的Rq將指示 在特征之間的高度的可變性。
[0048] "粗糖度平均值"、"平均粗糖度"或"R。"在本文中被可互換地使用并且是指與中屯、 平面的偏差的算術(shù)平均值，并且由等式2表示：
[004引
等式2.
[0050] 其中Z。。是中屯、平面的Z值，Z1再次是所關(guān)注的Z值，并且N是在給定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn) 的數(shù)目。
[0051] "肖氏C硬度"是如通過肖氏硬度計(jì)測量的硬橡膠、半剛性塑料和硬塑料的硬度的 量度。不同的肖氏硬度標(biāo)度測量材料對通過針在定義的彈黃力下的凹入的抗性。
[0052] "肖氏D硬度"是如通過肖氏硬度計(jì)測量的硬橡膠、半剛性塑料和硬塑料的硬度的 量度。不同的肖氏硬度標(biāo)度測量材料對通過針在定義的彈黃力下的凹入的抗性。
[0053] "穩(wěn)定的"意指膠體的固相