LED產品具有小型化、省電、低發熱、耐震、使用壽命長、光電轉換效能高、單色發光及反應速度快等優點，廣泛見于日常生活中，如家用電器的指示燈，汽車后防霧燈等。LED的發光顏色和發光效率與制作LED的材料和工藝有關，目前廣泛使用的有紅、綠、藍三種。半導體材料GaN的應用使半導體發光二極管與激光器上了一個新臺階，由于GaN很難制備體材料，必須在其它襯底材料上生長薄膜，作為GaN的襯底材料有多種，包括藍寶石、碳化硅、硅、氧化鎂、氧化鋅等，因單晶藍寶石基片與GaN晶格能相匹配且單晶藍寶石基片在可見光范圍內其透光性較好，所以藍寶石是最主要的襯底材料，目前己能在藍寶石上外延出高質量的GaN材料，并己研制出GaN基藍色發光二極管及激光二極管。

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人工生長的藍寶石是單晶α-Al2O3，透明，與天然寶石具有相同的光學特性和力學性能, 對紅外線透過率高, 有很好的耐磨性, 硬度僅次于金剛石達莫氏9 級, 在高溫下仍具有較好的穩定性, 熔點為2030℃，所以它已越來越多地用作固體激光、紅外窗口、半導體芯片的襯底片、精密耐磨軸承等高技術領域中零件的制造材料, 同時還被制成永不磨損表鏡及各種精美華貴的飾品。

藍寶石為α-Al2O3，其構造如圖1所示，為六方最密堆積氧原子層所構成，氧原子間的八面體配位的2/3空隙是Al3+離子所填充α-Al2O3是由六層的氧原子，以ARAB的方式所構成的單位晶格，其中每層各含3個氧，如果以單位晶格來算、氧原子共18個。而鋁原子在第一層、第四層各為2個鋁原子，其余4層各有3個鋁原子，以單位晶格來算，鋁原子共12個，以此方式所構成的a相氧化鋁結構為八面體，此八面體可形成共點、共棱、共面的構造。

單晶藍寶石的機械性質與其本身密度有關，單晶藍寶石密度越大則機械性質越佳，理論上純度100%單晶藍寶石的理論密度為 3.9869/cm3，其相對的機械性質也為最佳。單晶藍寶石的熱性質和其純度有關，一般而言，純度越高，則其熱傳導系數及熱擴散系數也會越高，但熱膨脹系數則不一定。

單晶藍寶石與二氧化硅在無外加能量情況下兩者之間很難產生固相化學反應，而在外加能量情況下(如拋光、燒結)，且能量超越二氧化硅與單晶藍寶石之間所需的活化能而產生固相化學反應。藍寶石與SiO2的接觸界面上的真實接觸點產生的壓力取決于SiO2的硬度，1070K時為3.8GPa，1207Ｋ時為2.4Gpa，兩者在大氣壓下生成富鋁紅柱石（也稱為莫來石，3α-Al2O3·2SiO2），高壓下生成藍晶石（Al2O3·２SiO2）。

其反應式如下：

3α-Al2O3+6SiO2——3α-Al2O3·2SiO2 （富鋁紅柱石） （1-1）

α-Al2O3+SiO2——α-Al2O3·SiO2 （藍晶石） （1-2）

α-Al2O3·SiO2硬度為6.5~7.0，利用SiO2磨料可以去除固相反應生成的富鋁紅柱石軟質層，而對母體藍寶石不會產生劃痕等表面損傷。為加快上述固相反應的反應速率，除提高界面溫度和增加壓力外，還可以通過添加催化劑的方式，向藍寶石添加熔點低的MgF2在煅燒6h的條件下可實現莫來石的低溫合成。

因為藍寶石硬度僅次于金剛石，采用研磨拋光方法對藍寶石進行加工，加工效率低，而且易產生表面/亞表面損傷。機械拋光是藍寶石傳統的拋光方法，它采用人造金剛石微粉研磨膏進行拋光。由于金剛石硬度比藍寶石高，且現有微粉分選工藝較落后使得微粉顆粒尺寸分布范圍廣，因而不可避免在藍寶石單晶拋光表面產生劃痕。

目前主要的拋光方法有：機械研磨拋光、化學輔助機械拋光、純化學拋光、熱化學拋光、離子束拋光、激光束拋光、磨料水射流拋光、電火花拋光等。但是每種拋光方法都有一定的缺點, 都是局部平面化技術, 不能做到全局平面化。

我國在藍寶石鏡面加工中，普遍采用如圖2所示工藝路線。實際使用中的各種晶片，都是由晶棒切割加工制成，在用內圓切片機或線切割機將晶棒切割成晶片時，因切割條件總會有變化，切割片在厚度和平整度等方面都存在偏差。如果切割條件不合適，還會造成較深的損傷層。晶片拋光過程中表面去除量很小，還需要用研磨來有效改善晶片的彎曲度、平整度與平行度的偏差，并降低損傷層厚度。

目前我國藍寶石鏡面加工工藝在批量生產中有如下不足之處：1）在生產藍寶石襯底片時，產生裂痕和崩邊現象的襯底片占總數比例比較高，占總數的5~8%；2）研磨及拋光后, 寶石片表面劃痕較重, 有20%左右的寶石片表面有粗深痕跡, 需要重新研磨拋光, 這樣就有部分寶石片厚度偏薄致廢, 且影響生產節奏；3）因返工及報廢, 這樣就大大提高了藍寶石襯底片加工的成本，在國際市場上缺乏競爭力。目前在藍寶石晶體的研磨拋光中使用強酸強堿等化學試劑，后續的廢液處理成本高。

要進行藍寶石拋光的全局平面化，必須發展新的全局平面化技術, 化學機械拋光可以真正使藍寶石襯底，實現全局平面化。此方法在國外已廣泛應用, 但在國內仍有一定的局限性。因此，今后國內的研究重點在于通過分析和總結藍寶石晶片化學機械拋光工藝( CMP)中的拋光液配置及影響因素, 以研究出能夠穩定地制備出無損傷層的超光滑藍寶石晶片的拋光藝。

機械拋光是藍寶石傳統的拋光方法，它采用人造金剛石微粉研磨膏進行拋光。由于金剛石硬度（莫氏10級）比藍寶石（莫氏9級）高，且現有微粉分選工藝較落后使得微粉顆粒尺寸分布范圍廣，因而不可避免在藍寶石單晶拋光表面產生劃痕。藍寶石機械拋光表面分為三個階段：微破碎層去除階段、過渡階段、拋光表面形成階段。

常用的是色拉油、礦物油、基礎油與磨料的混合物。磨料主要有金剛石微粉等。

化學拋光主要采用對工件材料具有腐蝕作用的拋光液對工件進行化學腐蝕去除材料。化學腐蝕的目的是除去機械拋光過程中在表面上產生的機械損傷層，并清除各種沾污，從而得到平整光亮、晶格完整的清潔表面。

常見的化學拋光提示是用H2SO4：H3PO3=3:1，溫度在220℃，時間為15min下，對0001晶面藍寶石襯底腐蝕的較好條件。化學拋光產生的破壞層深度較淺，但拋光時需要的溫度較高，容易導致拋光霧斑. 一般化學腐蝕用于生長前襯底的拋光。

化學機械拋光( Chemical Mechanical Polishing, 簡稱CMP) 技術是機械削磨和化學腐蝕的組合技術, 它借助超微粒子的研磨作用以及漿料的化學腐蝕作用在被研磨的介質表面上形成光潔平坦平面, 現己成為半導體加工行業的主導技術。是集成電路( IC) 向微細化、多層化、薄型化、平坦化工藝發展的產物。是圓片向200mm、300mm 乃至更大直徑過渡, 提高生產效率, 降低制造成本, 襯底全局化平坦化必備的工藝技術。

在拋光液中, 磨料是重要因素之一。它提供了CMP 工藝的機械作用, 其粒徑、濃度以及硬度均是影響拋光效果的重要參數, 其中粒徑是影響拋光速率的主要因素之一。一般來說, 磨料粒徑越大, 拋光速率就越大; 但粒徑過大, 則易凝聚成團, 而使晶片表面劃痕嚴重。分散度過大, 雖然平均粒徑不大, 但極個別的大顆粒很容易在被拋材料表面產生劃痕。

目前, 在藍寶石的CMP 工藝中, 常用的磨料主要包括金剛石、二氧化硅溶膠、氧化鈰和氧化鋁、碳化硼等磨料, 其中二氧化硅溶膠具有粒徑可控、硬度適中、粘度較小、粘附性低、拋光后易清洗等特點而被廣泛應用。文獻指出,對于二氧化硅磨料來說, 粒徑在80nm 時的去除速率最高。

在藍寶石襯底片的CMP工藝中, 介質的選擇是非常重要的, 它是化學作用的基礎。藍寶石的化學性質呈兩性。在酸性介質中, 反應產物易溶解, 氧化劑的氧化性較強。但是, 過強氧化性的氧化劑易造成非均勻化腐蝕, 影響局部平整度。且一般的拋光設備都是由金屬制成的, 酸性介質會腐蝕拋光設備, 產生大量金屬離子, 對晶片造成污染。在堿性介質下, 氧化劑的氧化能力較弱, 但是, 由于堿性介質不會腐蝕拋光設備, 并且在堿性條件下二氧化硅溶膠的穩定性好。

加入適量活性劑既改善漿料穩定性, 又抑制反應生成顆粒在被拋光表面的吸附, 加快質量傳遞過程。活性劑的加入抑制了顆粒在表面的強吸附狀態, 而在研磨料作用下容易離開被拋材料表面, 使得拋光進一步進行。研究表明, 在研磨料粒徑、漿料濃度等條件相同情況下, 配置拋光漿料時, 不加活性劑的去除速率明顯低于加入活性劑的漿料。

金屬離子對半導體芯片危害極大, 可導致器件電特性劣化, 可靠性降低。配制拋光漿料時加入的螯合劑主要是螯合漿料及CMP過程中產生的金屬離子, 提高藍寶石襯底片成品率。目前, 國際上通用的是五元環EDTA二鈉鹽螯合劑。但是, 大量實驗表明, 這種螯合劑會引入鈉離子的二次污染。考慮用不含鈉離子且具有十三個以上螯合環的水溶性螯合劑, 它對幾十種金屬離子具有很強的螯合作用且與水互溶, 能夠有效去除拋光中的金屬離子。

由于藍寶石為兩性氧化物, 可以通過加入適當的絡合劑, 使其轉化為易溶解于水的絡合物, 通過增加化學作用來提高拋光速率。

堿性拋光液中, 拋光速率與拋光液的pH值成指數關系, 隨pH 值的增加, 拋光速率不斷增大, 這是由于藍寶石為兩性氧化物, 隨著堿性的增加, 化學反應加快, 促使反應平衡向右方移動。可是, 當pH 值超過11. 7 時, 拋光速率反而呈下降的趨勢。

Al2O3 + 2OH-——2AlO2 -+ H2O

溫度在拋光中起著非常重要的作用, 它對CMP 工藝的影響體現在拋光的各個環節, 其中, 在CMP 工藝的兩個環節即化學反應過程和機械去除過程中, 都受著溫度的強烈影響。一般來說, 溫度越高, 拋光速率越高, 表面平整度也越好, 但化學腐蝕嚴重, 表面完美性差。所以, 溫度必須控制在合適的范圍內, 這樣才能滿足圓晶片的平整化要求, 而得到完美的圓晶片表面。實驗表明, 在40℃左右的時候, 拋光速率達到了最大值, 之后隨著溫度繼續升高, 拋光速率的上升趨于平緩, 并且產生拋光液蒸騰現象。這是由于當溫度過高時, 拋光液的蒸騰使部分水分被蒸發出來, 從而增大了拋光液的濃度, 并使其粘性增加, 且在拋光墊上的擴展度變小, 阻礙了系統內的物質傳輸, 從而阻礙了拋光速率的增高; 同時, 較高的溫度使化學反應速率加快, 令藍寶石晶片表面出現不均勻霧狀腐蝕等過腐蝕現象, 從而影響晶片的表面完美性。

壓力對藍寶石拋光速率有很大的影響隨著壓力的增加, 拋光速率迅速增高,這是因為壓力的增加導致拋光布和晶片間摩擦力的增加, 在加強了系統的機械作用的同時也使系統的溫度升高, 增強了系統的化學作用, 從而提高了拋光速率。

研究發現，當壓力在0. 12Mpa 至0. 15Mpa時, 藍寶石片表面完美性比較好, 沒有明顯缺陷; 當壓力高于0. 15Mpa 以后, 晶片的表面就開始出現少量的劃痕并出現了較多的應力缺陷。

研究表明，在其它條件相同情況下, 隨著漿料濃度的增大, 拋光速率增大。對于粒徑為80 nm 的研磨料: 漿料的質量分數為10% 時, CMP去除速率為572. 2 nm /m in; 而隨著質量分數增大至15% 時,CMP去除速率增大至598. 8 nm /m in; 質量分數繼續增大至20% 時, CMP去除速率則增大至643. 3 nm /m in。這主要是因為漿料濃度的增大, 使得拋光過程中參與機械磨削的粒子數增多, 相應的有效粒子數也增多, 粒徑一定的情況下, 有效粒子數的增多增強了機械磨削作用力, 進而提高了拋光速率, 研究還表明, 在CMP過程中適當增加漿料濃度, 有利于拋光表面的平整度, 即濃度越高, 平整度越好。

組分	A投料量（g/L）
120#溶劑油	400~500
200#溶劑油	300~400
金剛石微粉	30~50
油酸	40~70
芥酸	20~50

組分	A投料量（g/L）
溶劑油	500~600
礦物油	300~350
色拉油	30~80
金剛石微粉	20~50

組分	A投料量（g/L）
濃硫酸	300~350
濃磷酸	100~150
酸霧抑制劑	0~20
水	余量

組分	A投料量（g/L）
二氧化硅溶膠	400~500
氫氧化鉀	0~20
二乙醇胺	0~30
EDTA	0. 5~5
壬基酚聚氧乙烯醚	3~7
水	余量