專利名稱：用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液及制備方法
技術領域：
本發明屬于超硬材料拋光技術領域，特別涉及一種用于大尺寸金 剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液及制備方法。
背景技術：
金剛石晶圓不僅具有高的硬度和耐磨性，而且具有優良的電絕緣
性、導熱性、透光性和聲學及力學特性，被視為21世紀最有發展前途 的新材料，在高新技術領域和國防尖端技術領域都有廣泛的應用。但 由于受晶體相生長機理的制約，隨著晶圓厚度的增加，其表面粗糙度 和晶粒大小也會增大到幾個微米甚至幾十個微米，必須采用精密加工 方法將其表面粗糙度降低到納米量級，并達到一定的面型精度，才能 投入使用。特別在高新技術領域應用時，不僅要求金剛石晶圓具有極 小的表面粗糙度，同時還對其面型精度和表面完整性提出了很高的要 求。目前金剛石晶圓拋光平坦化技術的相對滯后，尤其是大尺寸CVD 金剛石晶圓的超精密無損傷拋光平坦化技術己成為金剛石晶圓在高新 技術領域得到廣泛應用的瓶頸問題。
由于金剛石是目前已知的硬度最高且高化學惰性的材料，使得現 有的拋光技術很難實現大尺寸金剛石晶圓的超精密無損傷表面加工。 例如，激光束拋光、離子束拋光等拋光技術，目前主要針對小尺寸(小 《l英寸)的金剛石晶圓，而且設備復雜、成本高，很難用于產業化生產；熱化學拋光技術和電火花拋光技術，雖然目前己能夠實現大尺寸
金剛石晶圓拋光平坦化，但其拋光表面粗糙度Ra僅能達到幾百納米水
平，而且對加工表面帶來損傷和污染；傳統的機械拋光技術雖然能夠 實現納米級拋光，但拋光效率極低，而且容易在加工表面留下劃痕等
損傷?；瘜W機械拋光(CMP)作為一種基于化學與機械復合作用原理
的超精密加工技術，是目前實現大尺寸硅片超光滑無損傷表面加工的
最理想的加工方法，在IC制造領域得到廣泛應用。
雖然目前也有針對金剛石膜的化學機械拋光方法，但由于采用
KN0:,+K0H或NaN03+KN03+LiNO:,等混合熔融物作為氧化劑，所需拋光溫度達 324 360°C，存在能源消耗大、拋光液蒸發損失大、難以保證拋光液成 分的穩定性等問題，尤其隨著金剛石晶圓尺寸的增大，高溫引起的拋 光盤變形和金剛石晶圓翹曲變形等問題更加突出。另外，由于現有拋 光液不含添加催化劑、穩定劑、分散劑等拋光液常用成分，存在拋光速率低， 拋光液的穩定性差等問題?，F有的拋光工藝與設備無法滿足對大尺寸金剛 石晶圓的高效低成本超精密加工要求。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種適于大尺寸金剛石晶圓超精 密低損傷拋光的拋光液及其制備方法，解決目前金剛石晶圓的化學機 械拋光中由于采用以混合熔融物為氧化劑的拋光液而存在的拋光溫度高、 設備成本大、加工效率低、拋光質量差等問題。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是
一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液，其特征 在于，它包括磨料、氧化劑、催化劑、分散劑、穩定劑和去離子水，各原料所占質量百分比為 磨料4 20%; 氧化劑5 30%;
穩定劑1 5 % ; ' 分散劑0.1 10%; 催化劑1 5%;
去離子水42 65%;各原料質量百分比之和為100% ;
所述的磨料純度為98% 100%;粒度分布為50nm 14 u m。
上述拋光液的制備方法，包括如下步驟
1) 選取磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料
備用，各原料所占質量百分比為磨料4 20%;氧化劑5 30%; 穩定劑1 5%;分散劑0.1 10%;催化劑1 5%;去離子水 42 65%;各原料質量百分比之和為100% ;
2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌10
30min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；
3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入氧化劑和催化劑，進行加熱 的同時超聲波攪拌10 15min，以使各種溶劑充分溶解和分散。
4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪 拌10 15min，即可制得拋光液。
所述的磨料為二氧化鈦、二氧化硅、碳化硼、碳化硅、立方氮化 硼、金剛石等磨料中的任意一種或者兩種以上的混合，任意兩種以上 混合時，為任意配比。
所述的氧化劑為三氧化鉻、過硫酸銨、高錳酸鉀、重鉻酸鉀、雙氧水、高鐵酸鉀、高氯酸鉀等中的任意一種或者兩種以上的混合，任 意兩種以上混合時，為任意配比。所述的催化劑為硫酸、磷酸、硝酸、硫酸亞鐵、站酸鐵中的任意 一種或者兩種以上的混合，任意兩種以上混合時，為任意配比。所述的穩定劑為酒石酸、磷酸二氫鉀、檸檬酸、馬來酸、硅酸鈉 中的任意一種或者兩種以上的混合，任意兩種以上混合時，為任意配 比。所述的分散劑為硅溶膠、六偏磷酸鈉、活性磷酸鈣、硅酸鈉中的 任意一種或者兩種以上的混合，任意兩種以上混合時，為任意配比。本發明的效果和益處是本發明釆用可在低溫條件下對金剛石晶 圓具有較強氧化劑作用的試劑作為主要成分，可使所需拋光溫度降至50 15(TC，有效地解決閔拋光溫度高而導致的能源消耗大、拋光液蒸發損失大、難以保證拋光液成分的穩定性等問題，尤其對于大尺寸金 剛石晶圓的加工中，可有效解決高溫引起的大尺寸拋光盤變形和金剛 石晶圓翹曲變形等難題，提高金剛石晶圓的面型精度和表面質量，拋光后金 剛石晶圓的表面粗糙度可達納米級。此外，通過采用分散劑和吸附性較強的 穩定劑等添加劑，提高拋光液的分散穩定性。


圖1是拋光前金剛石晶圓表面的500倍掃描電鏡照片。 圖2是拋光后金剛石晶圓表面的500倍掃描電鏡照片。
具體實施方式
下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。 本發明的方法中所使用的氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑等藥品均為常見藥品。本發明的方法所用的設備均為常用的己知設備。 實施例l:
一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液的制備方 法，它包括如下步驟
1) 按各原料所占質量百分比為磨料18%、氧化劑25%、穩 定劑3%;分散劑1%;催化劑2.5%;去離子水50.5%;選取 磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用；
所述的磨料為碳化硼，純度為98%,粒度為2um;所述的氧化 劑為高錳酸鉀；所述的穩定劑為酒石酸；所述的分散劑為硅酸鈉；所 述的催化劑為磷酸。
2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌 15min，使磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；
3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入上述的氧化劑、催化劑，進 行加熱同時超聲波攪拌10min，促進各種溶劑的溶解和分散。
4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪 拌10min，即可制拋光液。
實施例2:
一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液的制備方 法，它包括如下步驟
1)按各原料所占質量百分比為磨料10%、氧化劑30%、穩 定劑3%;分散劑1%;催化劑4.5%;去離子水51.5%;選取 磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用；
所述的磨料為二氧化鈦，純度為99%，粒度為10wm;所述的氧化劑為過硫酸銨和雙氧水；所述的穩定劑為酒石酸和硅酸鈉，酒石酸、 硅酸鈉所占質量百分比各占1.5%;所述的分散劑為六偏磷酸鈉；所述 的催化劑為硫酸和硫酸亞鐵，硫酸、硫酸亞鐵所占質量百分比各占2.25/b o2 )按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌 30min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入上述的氧化劑、催化劑，進 行加熱同時超聲波攪拌10min，促進各種溶劑的溶解和分散。4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪 拌10min，即可制得拋光液。實施例3:一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液的制備方 法，它包括如下步驟1) 按各原料所占質量百分比為磨料15%、氧化劑23%、穩 定劑5%;分散劑1%;催化劑3.5%;去離子水52.5%;選取 磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用；所述的磨料為碳化硅，純度為99%,粒度為2um;所述的氧化 劑為重鉻酸鉀；所述的穩定劑為檸檬酸；所述的分散劑為六偏磷酸鈉； 所述的催化劑為磷酸和硝酸鐵。2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌 15min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入上述的氧化劑、催化劑，進 行加熱同時超聲波攪拌10min，促進各種溶劑的溶解和分散。4)在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪拌10min，即可制得拋光液。 實施例4:一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液的制備方 法，它包括如下步驟1) 按各原料所占質量百分比為磨料20%、氧化劑10%、穩 定劑3%;分散劑10%;催化劑5%;去離子水52%;選取磨 料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用；所述的磨料為碳化硼，純度為98%，粒度為2um;所述的氧化 劑為三氧化鉻；所述的穩定劑為檸檬酸，檸檬酸所占質量百分比各占 1.5%;所述的分散劑為硅酸鈉；所述的催化劑為硫酸。2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌 30min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入上述的氧化劑、催化劑，進 行加熱同時超聲波攪拌10min，促進各種溶劑的溶解和分散。4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪 拌10min，即可制得拋光液。實施例5:一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液的制備方 法，它包括如下步驟1)按各原料所占質量百分比為磨料6%、氧化劑30%、穩 定劑2%;分散劑8%;催化劑20%;去離子水34%;選取磨 料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用；所述的磨料為金剛石顆粒，純度為99%，粒度為0.5"m;所述的
氧化劑為高錳酸鉀；所述的穩定劑為檸檬酸；所述的催化劑為磷酸。
2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌 20min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；
3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入上述的氧化劑、催化劑，進 行加熱同時超聲波攪拌10min，促進各種溶劑的溶解和分散。
4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪 拌15min，即可制得拋光液。
實施例6:
一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液的制備方 法，它包括如下步驟
1) 按各原料所占質量百分比為磨料10%、氧化劑28%、穩 定劑1.4%;分散劑3%;催化劑2.7%;去離子水54.9%;選 取磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用；
所述的磨料為碳化硼，純度為98%，粒度為2txm;所述的氧化 劑為高鐵酸鉀；.所述的穩定劑為磷酸二氫鉀；所述的分散劑為六偏磷 酸鈉；所述的催化劑為磷酸。
2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌 20min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；
3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入上述的氧化劑、催化劑，進 行加熱同時超聲波攪拌lOmin，促進各種溶劑的溶解和分散。
4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪 拌15min，即可制得拋光液。實施例7:一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液的制備方 法，它包括如下步驟1) 按各原料所占質量百分比為磨料7%、氧化劑15%、穩 定劑3.5%;分散劑8%;催化劑4%;去離子水62.5%;選取 磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用；所述的磨料為金剛石，純度為99%，粒度為10txm;所述的氧化 劑為高錳酸鉀；所述的穩定劑為油石酸；所述的分散劑為六偏磷酸鈉； 所述的催化劑為磷酸。2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌 20min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入上述的氧化劑、催化劑，進 行加熱同時超聲波攪拌10min，促進各種溶劑的溶解和分散。4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪 拌15min，即可制得拋光液。在拋光溫度為6(TC的條件下，采用按實施例1制備的拋光液，在精 密研磨拋光機上進行了拋光試驗。圖2為拋光后得到的金剛石晶圓表 面的掃描電鏡照片(放大倍數500倍)，圖2中少量黑點為CVD金剛 石晶圓固有的生長缺陷。圖1是未拋光金剛石晶圓表面的500倍掃描 電鏡照片。
權利要求
1.一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液，其特征在于，它包括磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水，各原料所占質量百分比為磨料4～20％；氧化劑5～30％；穩定劑1～5％；分散劑0.1～10％；催化劑1～5％；去離子水42～65％；各原料質量百分比之和為100％；所述的磨料純度為98％～100％；粒度分布為50nm～14μm。
2. 權利要求1所述拋光液的制備方法，其特征在于包括如下步驟1) 選取磨料、氧化劑、穩定劑、分散劑、催化劑和去離子水原料備用，各原料所占質量百分比為磨料4 20%;氧化劑5 30%; 穩定劑1 5%;分散劑0.1 10%;催化劑1 5%;去離子水 42 65%;各原料質量百分比之和為100% ;2) 按上述質量百分比將磨料加入到去離子水中，超聲波攪拌10 30min，使得磨料在去離子水中充分分散，配制成懸浮液；3) 在懸浮液中按上述質量百分比加入氧化劑和催化劑，進行加熱 的同時超聲波攪拌10 15min，以使各種溶劑充分溶解和分散；4) 在該溶液中按上述質量百分比加入穩定劑和分散劑，超聲波攪拌10 15min，制得拋光液。
3. 根據權利要求1所述的一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液，其特征在于采用在低溫條件下對金剛石晶圓具有較強氧化作用的試劑，使所需拋光溫度降至50 15(TC 。
4. 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的催化劑 為硫酸、磷酸、硝酸、硫酸亞鐵、硝酸鐵中的任意一種或者兩種以上 的混合；任意兩種以上混合時，為任意配比。
5. 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的氧化劑 為三氧化鉻、過硫酸銨、高錳酸鉀、重鉻酸鉀、雙氧水、高鐵酸鉀、 高氯酸鉀中的任意一種或者兩種以上的混合；任意兩種以上混合時， 為任意配比。
6. 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的磨料為 二氧化鈦、二氧化硅、碳化硼、碳化硅、立方氮化硼、金剛石中的任 意一種或者兩種以上的混合；任意兩種以上混合時，為任意配比。
7. 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的穩定劑 為酒石酸、磷酸二氫鉀、檸檬酸、馬來酸、硅酸鈉中的任意一種或者 兩種以上的混合，任意兩種以上混合時，為任意配比。
8. 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的分散劑 為硅溶膠、六偏磷酸鈉、活性磷酸鈣、硅酸鈉中的任意一種或者兩種 以上的混合，任意兩種以上混合時，為任意配比。
全文摘要
本發明屬于超硬材料拋光技術領域，公開了一種用于大尺寸金剛石晶圓超精密低損傷拋光的拋光液及制備方法。其特征是采用氧化能力較強的氧化劑包括三氧化鉻、過硫酸銨、高錳酸鉀、重鉻酸鉀、雙氧水、高鐵酸鉀、高氯酸鉀等作為主要成分，加入適量的磨料配制拋光液，在常溫或較低的溫度條件下，借助化學和機械復合作用即可實現金剛石晶圓表面材料的微量去除。此外，還通過添加適量的催化劑、穩定劑、分散劑等以提高拋光液的拋光效果。本發明的效果和益處是所制備的拋光液具有拋光效率高、拋光質量好、穩定性良好等優點，能夠在常溫或低溫條件下實現大尺寸金剛石晶圓的超精密低損傷拋光。
文檔編號C09G1/00GK101302403SQ20081001218
公開日2008年11月12日 申請日期2008年7月3日 優先權日2008年7月3日
發明者康仁科, 苑澤偉, 董伯先, 金洙吉 申請人:大連理工大學