一种复合氧化铝抛光液及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于半导体抛光技术领域，特别涉及一种复合氧化铝抛光液及其制备方法和应用。


背景技术：

2.许多半导体材料特别是半导体晶圆衬底和外延片需要进行抛光来取得所要求的平整度。主流市场上是用二氧化硅抛光液来对传统半导体材料进行抛光。但是随着科技的进步，新一代半导体材料如碳化硅、氮化镓等的使用越来越广泛。传统的二氧化硅抛光液已经不能完全满足原有的工艺要求，特别是切削率的要求。因此，亟需一种能满足碳化硅、氮化镓等半导体材料高切削率和高表面质量要求的抛光液。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种复合氧化铝抛光液及其制备方法和应用，该方法制成的复合氧化铝抛光液在保证了待抛物高表面质量，表面没有划伤的前提下，又能大大地提高切削量，实现低损耗，高产出的目的。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
5.一种复合氧化铝抛光液的制备方法，包括如下步骤：
6.(1)将氢氧化铝和氧化镧按一定质量比进行混合；
7.(2)将混合料在1000
‑
1200℃下进行煅烧1
‑
6小时，得氧化铝和氧化镧混合的烧后料，控制煅烧后失去25
‑
40％的质量；
8.(3)将烧后料加入去离子水混合，烧后料和去离子水的质量比例为(30
‑
45)：(55
‑
70)；球磨至d50为300
‑
500nm之间，得球磨料；
9.(4)向球磨料中加入烧后料质量比例5
‑
25％的多硅基功能性硅烷，混合均匀后，在150℃下陈化20
‑
60分钟，然后采用孔径为2μm的滤袋过滤；
10.(5)向获得的物料中加入分散剂、润滑剂、表面活性剂、离子稳定剂、增稠剂、ph值调节剂和去离子水混合，使得制成的复合氧化铝抛光液的固含量为5
‑
25％，溶液的ph值为7
‑
8。
11.上述方案中，步骤(1)中，所述氢氧化铝和氧化镧的质量比例为(95
‑
99.5)：(0.5
‑
5)。
12.上述方案中，步骤(4)中，多硅基功能性硅烷为氨基硅烷或脲基硅烷。
13.上述方案中，步骤(5)中，以质量百分比含量计，所述分散剂的添加量占所述烧后料的0.1
‑
1％；所述分散剂为三聚磷酸类、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚醇类、聚醚类、聚丙烯酸类、脂肪酸聚酯类、十二烷基硫酸钠、硬脂酸单甘油酯、氧化聚乙烯蜡、亚甲基双萘磺酸钠的一种或多种的组合。
14.上述方案中，步骤(5)中，以质量百分比含量计，所述润滑剂的添加量占所述烧后料的5
‑
10％，润滑剂选自丙三醇类、聚丙烯乙二醇类、聚丁烯二醇类的一种或多种的组合。
15.上述方案中，步骤(5)中，以质量百分比含量计，所述表面活性剂的添加量占所述烧后料的0.5
‑
1.5％，表面活性剂为非离子性表面活性剂。
16.上述方案中，步骤(5)中，以质量百分含量计，所述离子稳定剂的添加量占所述烧后料的0.01
‑
0.5％；所述离子稳定剂选自hpma、无机可溶性盐类、有机酸类的一种或多种的组合。
17.上述方案中，步骤(5)中，以质量百分含量计，所述增稠剂的添加量占所述烧后料的0.5
‑
2％；所述增稠剂为羧甲基纤维素类、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯类、卡波姆、无机盐类中的一种或多种的组合。
18.一种如前面任一项所述的制备方法制成的复合氧化铝抛光液。
19.一种上所述的复合氧化铝抛光液在碳化硅，氮化镓半导体材料抛光中的应用。
20.通过上述技术方案，本发明提供的复合氧化铝抛光液的制备方法具有如下有益效果：
21.1、本发明在氢氧化铝中添加少量的氧化镧，可以使得氢氧化铝的煅烧曲线斜率变小，因此便于准确控制煅烧参数，从而提高产品质量。
22.2、本发明将混合料煅烧后，制得d50为300
‑
500nm的球磨料，然后加入多硅基功能性硅烷，混合后，经陈化形成“al
‑
o
‑
si
‑
功能团”这样的复合结构，这种复合结构一方面能提供粉体足够的硬度，达到比常规硅溶胶高几十倍的切削率；另一方面，其功能团又可以和抛光液中的表面活性剂通过离子键形成成稳定的连接，改变复合氧化铝磨料颗粒的电子电位，提高抛光粉的分散性、离散性和清洗性，从而提高切削率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
24.图1为本发明实施例1制得的氧化铝球磨料颗粒表面微观结构示意图；
25.图2为本发明实施例1制得的抛光液应用于碳化硅晶圆的局部表面原子力电镜图：(a)为放大250倍，(b)为放大500倍，(c)为放大1000倍，且(c)为(b)中的一部分区域，(b)为(a)中的一部分区域；(d)为原子力电镜扫描横切面图，它是(c)图上45
°
斜线的横切面；
26.图3为本发明实施例1制得的抛光液应用于氮化镓晶圆的局部表面原子力电镜图(放大500倍)；
27.图4为本发明实施例1和对比例2制得的抛光液应用于碳化硅晶圆的局部表面原子力电镜图(放大2000倍)，(a)为实施例1，(b)为对比例2。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
29.本发明提供了一种复合氧化铝抛光液的制备方法，其包括如下步骤：
30.(1)采用990克氢氧化铝(购自中铝山东有限公司)和10克氧化镧(购自包头新源稀土高新材料有限公司)的混合料；
31.(2)将步骤(1)获得的混合料在1000
‑
1200℃下煅烧6小时，得氧化铝和氧化镧混合
的烧后料700克，煅烧后失去30％的质量；
32.(3)取步骤(2)获得的烧后料400克加入600克去离子水，球磨至d50为300
‑
500nm之间，得球磨料，该球磨料的微观结构如图1所示，图1中的弧线为制得的氧化铝磨料颗粒表面；
33.(4)取步骤(3)获得的球磨料500克(固含量40％)加入20克γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷(商品名γ
‑
aps，购自陶氏化学)混合均匀后150℃下陈化20分钟；该球磨料的微观结构如图1所示，图1中的弧线为制得的氧化铝球磨料颗粒表面；将陈化好的浆料通过规格为2μm的滤袋进行过滤；
34.(5)将分散剂(聚丙烯酸氨，商品名darvin821a，购自范登堡矿物有限公司，和十二烷基硫酸钠，购自上海皓鸿生物医药科技有限公司)，以质量百分含量计，聚丙烯酸氨和十二烷基硫酸钠的添加量分别占烧后料(200克)的0.15％即0.3克、0.75％即1.5克)分散在30克去离子水中，然后加入步骤(4)获得的物料进行混合；
35.(6)加入润滑剂(丙三醇，山东星淇化工科技有限公司)，以质量百分比含量计，丙三醇的添加量占烧后料(200克)的10％即20克；
36.(7)加入表面活性剂(pluronic l43，购自巴斯夫)，以质量百分比含量计，pluronicl43的添加量占烧后料(200克)的1％即2克；
37.(8)加入离子稳定剂(硫酸铵，购自国药集团试剂公司)，以质量百分含量计，硫酸铵的添加量占烧后料(200克)的0.5％，即1克；
38.(9)加入聚氧乙烯类增稠剂(羧乙烯基树脂，商品名carbopol，购自noveon inc.克利夫兰，美国)，以质量百分含量计，carbopol的添加量占烧后料(200克)的1.25％即2.5克；
39.(10)加入ph调节剂(氢氧化钾，购自国药集团试剂公司)，ph调整到7
‑
8之间。
40.(11)加入剩余部分的去离子水422.7克，使得制备后的固含量为20％。
41.(12)将配好的浆料通过规格为2μm的滤袋进行过滤，制成复合氧化铝抛光液。
42.实施例2
43.同实施例1，其区别仅在于步骤(4)加入烧后料10％的γ
‑
脲基丙三基甲氧基硅烷(商品名γ
‑
ups，购自陶氏化学)代替γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷(γ
‑
aps)。
44.实施例3
45.同实施例1，其区别仅在于增稠剂加入烧后料0.5％甲基纤维素(购自上海麦克林生化科技有限公司)代替carbopol。
46.对比例1
47.同实施例1，其区别仅在于步骤(4)不加入任何硅基功能性硅烷。
48.对比例2
49.同实施例1，其区别仅在于步骤(1)(2)(3)制备的球磨料用硅溶胶(500nm，购自noah chemicals，德克萨斯，美国)代替，然后继续步骤(4)到(12)。
50.应用实例
51.将实施例1
‑
3及对比例1
‑
2制备的抛光液，用于碳化硅和氮化镓晶圆(直径20厘米)的抛光。具体工艺为：在speedfam 800单面平抛机上进行抛光测试(工艺技术参数：转速：200rpm，抛光时间：1小时),测得如下表1所示的性能。
52.表1不同实施例和对比例的切削率
[0053] 切削率nm/h(碳化硅)切削率nm/h(氮化镓)实施例11778452实施例21633771实施例31698493对比例1980215对比例212556
[0054]
从表1中可以看到，实施例1
‑
3都是氧化铝经过硅烷处理后(复合氧化铝)在碳化硅和氮化镓晶圆上都取得了很高的切削率；对比例1没有经过硅烷处理的氧化铝的切削率低了大约1/3，而对比例2传统二氧化硅抛光液的切削率只有1/10。
[0055]
将本发明实施例1所得抛光液应用于碳化硅晶圆的局部表面抛光，效果见图2(a)，图2(b)，图2(c)，图2(d)，从图中可以看出，本发明实施例1制得的抛光液对碳化硅晶圆抛光后，碳化硅表面光滑，无任何坑洞凸起。
[0056]
将本发明实施例1所得抛光液应用于氮化镓晶圆的局部表面抛光，效果见图3。从图3中可以看出，本发明实施例1制得的抛光液对氮化镓晶圆抛光后，氮化镓表面光滑，无任何坑洞凸起。
[0057]
将本发明实施例1和对比例2制得的抛光液应用于碳化硅晶圆的局部表面抛光，效果见图4(a)，图4(b)，从图中可以看出，对比例2的传统的二氧化硅抛光液抛光后，碳化硅晶圆表面留有坑洞凸起，而本发明实施例1的复合抛光液抛光后，碳化硅晶圆表面没有坑洞凸起。
[0058]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。