[發(fā)明專利]一種采用復(fù)合工藝進(jìn)行金剛石薄膜平坦化的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010273591.1
• 申請(qǐng)日: 2010-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN102011106A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張楷亮;王莎莎;王芳;曲長(zhǎng)慶;孫大智
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C16/56
• 分類號(hào): C23C16/56;C23C16/27
• 代理公司: 天津佳盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納電子超精密加工工藝技術(shù)，特別是一種采用復(fù)合工藝進(jìn)行金剛石薄膜平坦化的方法。

(二)背景技術(shù)

金剛石是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸δ懿牧希哂懈哂捕?100Gpa)、高彈性模量(1.04×10¹²Pa)、高熱導(dǎo)率(20W/(cm.K))、低摩擦系數(shù)(0.08-0.1)、低熱膨脹系數(shù)(2.3×10^-6/℃)和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及抗酸、抗堿、抗各種腐蝕性氣體侵蝕的優(yōu)異性能，從而使其在高頻聲表面波(SAW)器件、光學(xué)器件、熱沉組件、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、工模具和耐磨器件、電化學(xué)電極、平板顯示器、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

常規(guī)法制備的金剛石是多晶體，晶粒大且排列不規(guī)則，呈柱狀或錐狀生長(zhǎng)，表面較粗糙，粗糙度通常為幾個(gè)微米甚至達(dá)十幾微米，厚度極不均勻，內(nèi)聚強(qiáng)度低，容易破裂，沉積過(guò)程中金剛石顆粒的取向不一。同時(shí)由于它所具有的高硬度表面，使得無(wú)法找到更硬的材料對(duì)其進(jìn)行加工，給表面處理帶來(lái)很大困難，限制金剛石薄膜的推廣應(yīng)用。高頻聲表面波器件要求金剛石薄膜厚度在20-50μm范圍內(nèi)，基板表面要求低表面粗糙度和微米級(jí)面型精度；金剛石薄膜必須通過(guò)加工減薄并且降低表面粗糙度以避免引起光散射，才能應(yīng)用于光學(xué)窗口，研究表明表面粗糙度提高一倍，光學(xué)透過(guò)率提高三倍以上；金剛石薄膜作為熱沉組件和微機(jī)電系統(tǒng)器件使用時(shí)，達(dá)到微米級(jí)的面型精度和低粗糙度值這種要求，可以增大熱傳導(dǎo)接觸面積和提高圖案化加工質(zhì)量。

雖然精確控制金剛石薄膜沉積生長(zhǎng)條件或采用納米金剛石薄膜工藝等可以獲得高質(zhì)量的表面，但沉積速率低、設(shè)備成本高、技術(shù)難度大是其工業(yè)化所面臨的問(wèn)題。所以國(guó)際上金剛石薄膜的研究熱點(diǎn)已經(jīng)由制備方面的工藝研究過(guò)渡到了加工工藝和應(yīng)用方面的研究。由于金剛石膜硬度大，一些傳統(tǒng)的平坦化方法的拋光效率和速率不能滿足工業(yè)要求，研究金剛石膜新型的拋光方法是目前促進(jìn)金剛石膜進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。因此金剛石薄膜的后續(xù)加工技術(shù)(包括研磨、拋光、平整等)占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。

現(xiàn)有的平坦化技術(shù)如純機(jī)械的金剛石微粉研磨、熱化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、電化學(xué)拋光、磨料水射流法、離子束拋光、等離子體拋光、激光拋光等均有存在不足，前面幾種為接觸性拋光技術(shù)，簡(jiǎn)單易行，但缺點(diǎn)是效率低，而且容易導(dǎo)致拋光污染。具體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的機(jī)械拋光方法加工效率低，加工后的微觀表面質(zhì)量不好，常會(huì)留有較多的劃痕或微裂紋。化學(xué)類的拋光方法可進(jìn)行粗、中拋光，但成本較高且污染環(huán)境，應(yīng)用受到限制，特別是純化學(xué)的方法難以控制平坦化的速率。在高能拋光方法中，磨料水射流法可用于快速粗拋光，但對(duì)設(shè)備要求較高，且拋光質(zhì)量較低，加工的均勻性有待進(jìn)一步改善。離子束拋光法和激光拋光法是較為理想的拋光方法，但是激光拋光法加工的表面會(huì)發(fā)生某些變性，易殘留石墨，使拋光后的金剛石薄膜性能受到一定影響。等離子體拋光是一種高能離子的拋光，這種表面處理拋光法的設(shè)備投入和加工成本高，適用于金剛石膜的精拋光或超精拋光，可用于處理最小厚度僅為5μm的極薄金剛石膜，加工速度約為10-40nm/min。

(三)發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問(wèn)題，提供一種表面質(zhì)量高且拋光效率高的采用復(fù)合工藝進(jìn)行金剛石薄膜平坦化的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種采用復(fù)合工藝進(jìn)行金剛石薄膜平坦化的方法，步驟如下：

1)采用熱化學(xué)機(jī)械拋光工藝(TCMP)對(duì)金剛石薄膜表面大的凹凸部分進(jìn)行第一次拋光處理，即將金剛石薄膜浸在拋光盤上熔融態(tài)的氧化劑中，同時(shí)用金剛石磨料對(duì)金剛石薄膜進(jìn)行熱化學(xué)機(jī)械拋光；

2)采用等離子體刻蝕工藝，利用等離子體刻蝕設(shè)備對(duì)上述金剛石薄膜基片表面進(jìn)行第二次微刻蝕修飾，即用激發(fā)的氣體等離子體對(duì)金剛石表面進(jìn)行微刻蝕處理，去除殘留損傷，實(shí)現(xiàn)高度平坦化。

所述氧化劑為KNO₃、KMnO₄和KClO₃中的一種或兩種以上任意比例的組合。

所述第一次拋光處理的熱化學(xué)機(jī)械拋光工藝條件為：拋光臺(tái)溫度150-300℃、拋光臺(tái)轉(zhuǎn)速50-300r/min、拋光頭轉(zhuǎn)數(shù)為30-250r/min、拋光工藝壓力為1-10磅/平方英寸(psi)。

所述等離子體刻蝕工藝條件為：刻蝕氣體流量40-100sccm、ICP射頻源功率為300-900W、偏壓射頻源功率為50-400W、工作壓強(qiáng)為0.5-1.1Pa。