蓝宝石衬底表面缺陷成因分析与改进措施
作者：刘建飞 周志豪 吴丽琼 黄建烽
来源：《工业技术创新》2020年第03期
摘 要： 蓝宝石衬底在实际量产中，约10%～15%会产生表面缺陷，导致成品返工或报废，经济损失较大。分析实际量产作业中设备与工艺过程，探究和比较刮伤、坑洞、气泡、颗粒、崩角、色差共6种表面缺陷的失效模式，提出了技術和工艺改善措施。在检测方式上，对比了接触式及非接触式检测工具与原理，探讨了各自的分辨率与呈现方式，为得到更有效的改善技术和工艺奠定了基础。过程改进后，量产作业表面缺陷占比降低至5%～8%。若要实现更低的表面缺陷占比，需进一步改良工艺过程和机台硬件配置。
关键词： 蓝宝石衬底;表面缺陷;量产;失效模式;接触式检测;非接触式检测
引言
蓝宝石（α-Al2O3）作为发光二极管（LED）中常见的一种衬底材料，具有硬度高、熔点高、光透性好、热稳定性好和化学性质稳定等特性，至今已发展至6寸以上尺寸且具备量产的工艺能力。衬底表面质量对后续的图形化处理（PSS）与GaN外延层的生长有很大的影响，因此需要优异的衬底加工工艺，以获取高质量衬底基片[1]。
蓝宝石衬底制备过程中，常见的外观缺陷主要有刮伤（Scratch）、坑洞（Pits）、气泡（Bubbles）、颗粒（Particle）、色差（Color defect）以及崩角（Chipping）等。李强[2]详述了硅衬底表面缺陷的产生原因及改善措施，从而在量产条件下提升了硅衬底制备能力及表面质量。而目前对于蓝宝石衬底表面缺陷的研究，多处于检测与分析阶段。实际量产中，约10%～15%会产生蓝宝石衬底表面缺陷，导致成品返工或报废，造成严重经济损失，故需深入讨论缺陷的失效模式，以改善衬底表面质量，提高成品率。
本文使用KLA-Tencor Candela CS20R以及SEM SU8010等检测设备，对蓝宝石衬底量产时常见的表面缺陷进行检测、分类和分析，并结合现有条件提出有效的改善措施，从而提升量产能力，改善成品表面质量。
工艺与装备
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蓝宝石化学机械抛光专利技术分析
高玉江刘洋刘腾达李春雨
(国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津300304)
摘要：本文首先对蓝宝石化学机械抛光专利申请状况进行概述，然后重点从蓝宝石化学机械抛光装置结构
抛光垫、修整器、
CMP停止、抛光液、蓝宝石应用及加工工艺等方面，分析蓝宝石
CMP专利技术。
关键词：蓝宝石化学机械抛光
CMP专利
引言
蓝宝石（
Sa卯
hire)的主要成分为单晶氧化铝
(
a-
Al2〇
3)，具有高硬度、高熔点、耐磨损、透光性好、
电绝缘性优良和化学性能稳定的特点，被广泛应用于医学、
工业、国防、航空航天及生活领域，特别适于作为
Lro衬
底材料。同时，由于蓝宝石优异的机械性能，它也逐渐被
用于
iPhone、
iWatch等显示面板上。
化学机械抛光
（Chemical
Mechanical
Polishing，简
称
CMP)技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术。它借助超
微粒子的研磨作用和浆料的化学腐蚀作用，在被研磨的介质
表面形成光洁平坦的平面。化学机械抛光是目前唯一可以实
现全局平坦化的抛光方法，现己成为半导体加工行业的主导
技术，同时也成为对蓝宝石表面进行平坦化的主要加工方法。
1蓝宝石化学机械抛光专利申请概述
从1972年日本工业技术院安永畅男向日本专利局提交了
一份有关蓝宝石高精度镜面研磨方法的专利申请（申请号为
JP10577172
A)开始，到1991年
IBM首次将化学机械抛光技术
成功应用到
DRAM的生产中，化学机械抛光技术引人注目地得
到了用其他任何平面化加工不能得到的表面形貌变化。
截至2016年1月，在德温特
DWPI数据库中检索到涉
及化学机械抛光蓝宝石的全球专利申请共计434项。其中，
年代以专利申请的优先权日为准，同族申请记为一项专利
进行统计。
通过统计分析，得到全球主要国家或地区有关化学机械
抛光蓝宝石的专利申请量。其中，有关化学机械抛光蓝宝石
的专利申请，主要集中在日本、中国、美国、德国和韩国等
蓝宝石化学机械抛光专利技术分析
高玉江;刘洋;刘腾达;李春雨
【摘 要】本文首先对蓝宝石化学机械抛光专利申请状况进行概述,然后重点从蓝宝石化学机械抛光装置结构、抛光垫、修整器、CMP停止、抛光液、蓝宝石应用及加工工艺等方面,分析蓝宝石CMP专利技术.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2017(000)002
【总页数】2页(P163-164)
【关键词】蓝宝石;化学机械抛光;CMP;专利
【作 者】高玉江;刘洋;刘腾达;李春雨
【作者单位】国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心,天津 300304;国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心,天津 300304;国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心,天津 300304;国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心,天津 300304
【正文语种】中 文
蓝宝石（Sapphire）的主要成分为单晶氧化铝（α-Al2O3），具有高硬度、高熔点、耐磨损、透光性好、电绝缘性优良和化学性能稳定的特点，被广泛应用于医学、工业、国防、航空航天及生活领域，特别适于作为LED衬底材料。同时，由于蓝宝石优异的机械性能，它也逐渐被用于iPhone、iWatch等显示面板上。
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术。它借助超微粒子的研磨作用和浆料的化学腐蚀作用，在被研磨的介质表面形成光洁平坦的平面。化学机械抛光是目前唯一可以实现全局平坦化的抛光方法，现己成为半导体加工行业的主导技术，同时也成为对蓝宝石表面进行平坦化的主要加工方法。
从1972年日本工业技术院安永畅男向日本专利局提交了一份有关蓝宝石高精度镜面研磨方法的专利申请（申请号为JP10577172A）开始，到1991年IBM首次将化学机械抛光技术成功应用到DRAM的生产中，化学机械抛光技术引人注目地得到了用其他任何平面化加工不能得到的表面形貌变化。
热场辅助单晶蓝宝石晶圆精研加工性能*
许永超1,2， 孙家宝2， 詹 浩3， 傅滨杰1， 詹友基2， 郑天清2
（1. 福建理工大学 材料科学与工程学院, 福州 350118）
（2. 福建理工大学，福建省智能加工技术及装备重点实验室, 福州 350118）
（3. 武夷学院 机电工程学院, 福建 武夷山 354300）
摘要 针对传统蓝宝石晶圆精磨加工表面质量差、效率低下的难题，提出热场辅助蓝宝石晶圆加工技术，研
究热场辅助对蓝宝石晶圆精研加工性能的影响。通过自行设计的热场辅助装置控制加工区温度，基于半固
结柔性磨具，在不同加工区温度条件下对蓝宝石晶圆进行精研加工，对比分析加工区温度对其加工性能的
影响，并深入探讨材料去除机理。仿真结果表明，自行设计的热场辅助装置可使精研加工区迅速达到设定
温度，且整个过程中晶圆的温度差＜1.3 ℃。与室温下的加工结果相比，当加工区温度控制在50.0 ℃时，蓝
宝石晶圆的表面粗糙度下降了6%，材料去除率提高了近114.2%。磨屑检测结果表明，提高加工区温度后，
晶圆表面材料在去除过程中发生晶态结构转变，提高了蓝宝石加工过程中的水合反应速率，从而提高了材
料去除率。热场辅助蓝宝石晶圆精研加工可同时获得较高的表面质量和加工效率，具有广阔的应用前景。
关键词 蓝宝石晶圆；热场辅助；精密研磨；表面粗糙度；去除机理 中图分类号 TH161；TG58；TG74 文献标志码 A
文章编号 1006-852X(2023)05-0649-08
DOI码 10.13394/ki.jgszz.2022.0203
收稿日期 2022-11-19 修回日期
2023-01-29
单晶蓝宝石（α-Al2O3）因具有优异的光学、物理
和化学性能，如高热稳定性、高硬度、耐腐蚀性和优异
的透光性，被广泛应用于大规模集成电路、固体激光、
红外窗口、精密耐磨轴承等高技术领域[1-3]。尤其在半
导体照明行业中，单晶蓝宝石是制造氮化镓基发光二
