研究方向

    化合物晶圆片高效率+无划痕的最后一道抛光工艺。

    技术领域

    化合物晶圆片的抛光技术，如铌酸锂（LiNbO3 Wafers）、钽酸锂（LiTaO3 Wafers）、碳化硅（SiC Wafers）、砷化镓（GaAs Wafers）、蓝宝石（Sapphire Wafers）等化合物晶圆片的最后一道抛光，尤其是常见的蓝宝石衬底片和光学窗口片的高效率+无划痕的最后一道抛光工艺。

    背景技术

    QMAXIS（可脉检测）的应用工程师经常接到这样的咨询：蓝宝石衬底片和光学窗口片，直径2in-8in，A向、C向双面磨抛，表面粗糙度Ra要求小于0.2nm，去除率MRR达到3-5um/h。最后一道抛光，使用什么抛光布和抛光液才能实现高效率、无划痕的抛光结果？

    目前，蓝宝石的最后一道抛光主要采用0.02-0.06um的胶体二氧化硅抛光液，配合聚氨酯材质的抛光垫进行化学-机械抛光。然而，这种工艺的抛光效率较低，产量低意味着成本高。

    为了提高效率，有时会采用0.05um的金刚石抛光悬浮液，配合棉被衬植绒合成纤维材质的抛光布进行机械抛光。然而，这种工艺容易在抛光面产生轻微划痕，良率低同样意味着高成本。

    如果采用两道抛光工艺，即先用0.05um的金刚石抛光悬浮液进行机械抛光，清洗、换盘后，再用0.02-0.06um的二氧化硅抛光液进行化学-机械抛光，虽然表面质量可以达到要求，但两道工艺不仅降低了抛光效率，还显著增加了抛光成本。

    高效率+无划痕的最后一道抛光，成为所有光学材料样品制备以及光学材料加工中的普遍难题。

    全球的研究人员都将目光集中在复合抛光液、复合抛光垫，甚至改善抛光运动机制等创新解决方案的开发上。

    QMAXIS（可脉检测）解决的技术问题

    为了实现蓝宝石衬底片和窗口片在最后一道抛光过程中，既能达到高效率去除，又能获得高质量表面效果，QMAXIS（可脉检测）的应用工程师采用独创的0.05um的溶胶-凝胶型氧化铝抛光悬浮液与0.05um的多晶金刚石抛光悬浮液混合配置的复合抛光悬浮液AluminaDia，配合双材质的太极抛光布TaichiCloth进行最后一道抛光。

    AluminaDia复合抛光悬浮液，多晶金刚石的加入提升了材料去除率，而溶胶-凝胶型氧化铝在保持较高材料去除率的同时，还能实现高质量的表面效果。

    作为磨料的载体，太极抛光布TaichiCloth，由植绒布和聚氨酯合成垫两种材质拼接而成，采用太极图图案设计，既能配合高去除率的金刚石磨料，也能同时配合高表面性的溶胶-凝胶氧化铝磨料，从而实现高效率+无划痕的最后一道抛光。

    QMAXIS（可脉检测）的技术方案

    1.  0.05um的溶胶-凝胶氧化铝抛光悬浮液与0.05um的多晶金刚石抛光悬浮液混合配置成复合抛光悬浮液AluminaDia，这是QMAXIS（可脉检测）氧化铝抛光液族谱中的新成员。

    0.05um的溶胶-凝胶氧化铝抛光悬浮液AluminaPrep，pH值8.5，40%。

    0.05um的多晶金刚石抛光悬浮液PolyDia，5%。

    酒精基抛光冷却润滑液AlcoFluid，15%

    分散剂、悬浮剂，5%。

    稳定剂，2%。

    丙二醇，33%。

    2.  双材质太极抛光布TaichiCloth

    2.1  太极图案裁剪刀模加工或自动裁剪机切割刀裁剪轨迹的应用程序

    将刀模裁剪轨迹的程序导入裁剪机，每次根据磨抛机的底盘直径，在裁剪机触摸屏上输入直径值，点击Start，即可裁切该直径的外圆及圆内的正切和余切反S线。程序如下：

import matplotlib.pyplot as plt

from matplotlib.patches import Circle, Arc

def draw_taiji(diameter, filename='taiji.png', image_format='png', linewidth=2, edgecolor='black'):

    """

    Draws a Yin Yang-like shape based on the specified diameter and saves it as an image.

    Parameters:

    - diameter (float): Diameter of the large circle.

    - filename (str): Name of the output file (default: 'yin_yang.png').

    - image_format (str): Format of the output image ('png' or 'jpg', default: 'png').

    - linewidth (float): Width of the circle outlines (default: 2).

    - edgecolor (str): Color of the circle outlines (default: 'black').

    Returns:

    - None

    """

    # Calculate radii

    R = diameter / 2  # Radius of the large circle

    r = R / 2         # Radius of the smaller semicircles

    # Create a figure and axis with equal aspect ratio

    fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6))

    ax.set_aspect('equal')

    # Draw the big circle, centered at (0, 0)

    big_circle = Circle((0, 0), R, edgecolor=edgecolor, facecolor='none', linewidth=linewidth)

    ax.add_patch(big_circle)

    # Calculate centers of the smaller semicircles

    left_center = (-r, 0)   # Left semicircle center

    right_center = (r, 0)   # Right semicircle center

    # Draw the left semicircle (upper half)

    left_semi = Arc(left_center, 2*r, 2*r, theta1=0, theta2=180, edgecolor=edgecolor, linewidth=linewidth)

    ax.add_patch(left_semi)

    # Draw the right semicircle (lower half)

    right_semi = Arc(right_center, 2*r, 2*r, theta1=180, theta2=360, edgecolor=edgecolor, linewidth=linewidth)

    ax.add_patch(right_semi)

    # Optional: Remove axes for a cleaner look

    plt.axis('off')

    # Set plot limits with a buffer

    buffer = 0.1 * diameter

    ax.set_xlim(-R - buffer, R + buffer)

    ax.set_ylim(-R - buffer, R + buffer)

    # Adjust layout to remove any padding

    plt.tight_layout()

    # Determine the full filename with the correct extension

    if not filename.lower().endswith(f'.{image_format.lower()}'):

        filename += f'.{image_format.lower()}'

    # Save the figure

    plt.savefig(filename, bbox_inches='tight', pad_inches=0, dpi=300)

    # Display the plot

    plt.show()

    # Close the figure to free memory

plt.close(fig) 

    2.2  裁剪两种材质的抛光布

    将QMAXIS（可脉检测）的MicroMet带背胶的植绒抛光布放在裁剪机的工作台上，用太极图案裁剪刀模或自动裁剪机切割刀裁出两片等量的太极形状的MicroMet。如图：

    同样地，将QMAXIS（可脉检测）的ChemoCloth带背胶的聚氨酯抛光垫上料到裁剪机的工作台上，用太极图案裁剪刀模或自动裁剪机切割刀裁出两片等量的太极形状的ChemoCloth。

    揭掉任意一片带背胶的MicroMet植绒抛光布与带背胶的ChemoCloth聚氨酯抛光垫背后的离型纸，拼粘在同直径的不锈钢板上，成为一张金属背衬的双材质太极抛光布TaichiCloth。

    冲裁不锈钢板时，不锈钢板的边缘均匀分布地裁出三个"小耳朵"（Tabs for easy exchange），方便换盘时的拿取。

    无论是以研究为目的的材料样品制备，还是以生产为目的的CMP抛光车间，都可以按照抛光机底盘的直径裁剪并拼粘出该直径的太极抛光布TaichiCloth！。双材质太极抛光布TaichiCloth已成为QMAXIS（可脉检测）抛光布族谱中的新成员。

    QMAXIS（可脉检测）复合抛光液AluminaDia及太极抛光布TaichiCloth的抛光原理

    下面，QMAXIS（可脉检测）的应用工程师，用以研究为目的的金相自动抛光机METPOL-A为例，描述如何对蓝宝石衬底片和光学窗口片进行高效率+无划痕的最后一道抛光工艺过程。

    下面，QMAXIS（可脉检测）的应用工程师以研究为目的的金相自动抛光机METPOL-A为例，描述如何对蓝宝石衬底片和光学窗口片进行高效率+无划痕的最后一道抛光工艺过程。

    1.    将0.05um的溶胶-凝胶氧化铝抛光悬浮液与0.05um的多晶金刚石抛光悬浮液混合配置的复合抛光悬浮液AluminaDia倒入自动给液系统Auto Doser的容器内。

    2.    将METPOL-A自动抛光机的抛光头向左旋转，离开抛光机底盘（也称工作铝盘），摘下METPOL-A自动抛光机的防溅罩，取一张QMAXIS（可脉检测）的一面带胶一面有磁的MagDisc磁性盘，粘贴在自动抛光机METPOL-A的底盘上，持久使用。

    3.    握住太极抛光布TaichiCloth的不锈钢板的"小耳朵"，将金属背衬的太极抛光布TaichiCloth吸附到MagDisc磁性盘上。

    4.    点击METPOL-A自动抛光机触摸屏上的抛光机底盘图标，选择旋转方向和转速，点击Start，启动抛光机底盘旋转。同时点击冷却水图标，启动冷却水流出。充分浸湿太极抛光布TaichiCloth的表面后，再次点击冷却水图标，停止冷却水流出。抛光机底盘的继续旋转，甩出太极抛光布TaichiCloth表面多余的冷却水后，点击抛光机底盘图标，停止其旋转。

    5.    将自动抛光机METPOL-A的抛光头向右旋转至抛光机底盘的上方，保持抛光头的夹具外沿在抛光机底盘的外沿以内。点击自动抛光机METPOL-A触摸屏上的抛光头下降图标，降下抛光头。点击抛光头锁定图标锁定抛光头的初始位置。

    6.    将镶嵌好的蓝宝石衬底片或光学窗口片样品的抛光面朝下逐一安装在抛光头夹具内。

    7.    在自动抛光机METPOL-A的触摸屏上输入抛光参数：抛光机底盘的旋转方向和转速，抛光头的旋转方向和转速，加载力值，抛光时间，自动给液的流量和频率。点击Start。

    8.    通过自动给液系统，0.05um的溶胶-凝胶氧化铝抛光悬浮液与0.05um的多晶金刚石抛光悬浮液混合配置的复合抛光悬浮液AluminaDia匀速地滴落在双材质的太极抛光布TaichiCloth表面。公转的抛光机底盘和自转的抛光头，无论是同向旋转还是反向旋转，蓝宝石衬底片或光学窗口片样品的抛光面，总是沿着一种材质的抛光布的小面积转向大面积，并沿着正切方向或余切方向过渡到另一种材质的抛光布。

    9.  设定的抛光程序结束后，抛光液自动给液系统停止给液。抛光机底盘和抛光头停止旋转。从抛光头夹具内取出蓝宝石衬底片或光学窗口片样品，清洗并吹干。点击自动抛光机METPOL-A触摸屏的抛光头锁定图标以解锁抛光头。点击抛光头升起图标以升起抛光头。将抛光头向左旋转离开抛光机底盘。点击抛光机底盘图标，选择旋转方向和转速，点击Start，启动抛光机底盘旋转。同时点击冷却水图标，冷却水流出，充分清洗太极抛光布TaichiCloth的表面后，点击冷却水图标，停止冷却水流出。点击抛光机的加速甩干图标，高速旋转的底盘甩干太极抛光布TaichiCloth内的冷却水。甩干程序结束，抛光机底盘自动停止旋转。握住不锈钢板的"小耳朵"，从磁性盘上揭下带金属背衬的太极抛光布TaichiCloth，置于沥水架上。从抛光头上卸下夹具，清洗并吹干，重新卡入抛光头准备下一批样品的制备。

    QMAXIS（可脉检测）的技术方案带来的有益效果

    以一道工艺，用两种磨料混合配置的复合抛光悬浮液AluminaDia，配合两种材质沿着正切曲线和余切曲线拼粘在一起的太极抛光布TaichiCloth，实现了对蓝宝石衬底片和光学窗口片的高效率+无划痕抛光。

    抛光的结果：A向，MRR 2-3um/h，C向MRR6-7um/h，Ra0.2nm。

    不仅节约了抛光时间，降低了抛光成本，而且提升了蓝宝石衬底片和光学窗口片的表面性和良率。