Способ обработки подложек монокристаллического лантангаллиевого силиката

Изобретение относится к обработке пьезоэлектрических подложек, в частности касается прецизионной обработки пластин лантангаллиевого силиката ориентации (0, 138.5, 26.7) методом шлифовки и полировки. Изобретение может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических устройств, работающих на поверхностных акустических волнах. Способ включает двухстороннюю шлифовку с использованием водной суспензии микропорошка карбида кремния зеленого при удельном давлении на подложку 20-60 г/см² и химико-механическую полировку предварительно склеенных попарно нерабочими сторонами подложек с использованием раствора, содержащего, мас.%: суспензию двуокиси кремния 8-11,5, ортофосфорную кислоту 0,8-1,5, дистиллированную воду 87-91,2, при удельном давлении на подложку 50-90 г/см². Способ позволяет улучшить частотные характеристики устройств на поверхностных акустических волнах, обеспечив получение плоскопараллельных подложек при скорости съема материала подложки из диапазона 5-10 мкм/час при достижении шероховатости полированной поверхности величины Ra≤0,7 нм. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к обработке пьезоэлектрических подложек, в частности касается прецизионной обработки пластин лантангаллиевого силиката методом шлифовки и полировки, и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических устройств на поверхностных акустических волнах.

Новые достижения проводных и беспроводных систем коммуникаций вызывают необходимость развивать технологии обработки эффективных пьезоэлектрических материалов.

Подложки из монокристаллов лантангаллиевого силиката (лангасита) La₃Ga₅SiO₁₄ являются перспективным материалом для обеспечения электронной аппаратуры малогабаритными селектирующими устройствами, поскольку обладают комплексом определенных свойств: они относятся к кристаллическим структурам, которые могут поддерживать колебания в системах за счет пьезоэлектрического эффекта, при котором механические напряжения в кристалле создают разность электрических потенциалов, и, наоборот, при этом они могут обеспечить очень высокую температурную стабильность частоты - малый дрейф относительно центральной частоты в широком температурном диапазоне, при весьма умеренной стоимости.

Длительное время используется способ алмазно-абразивной обработки подложек из керамики, стекла, полупроводниковых материалов, сапфира, кварца и других материалов, раскрытый, например, в международной заявке на патент WO 94/17956, 1994 г., а также в патентах US, 5110428, RU, 2172235, включающий относительное перемещение деталей и, по меньшей мере, одного диска с закрепленными на нем по концентрическим зонам абразивными таблетками. Известный способ не применим для финишного шлифования и полирования подложек из лангасита ввиду особенностей анизотропии физико-механических свойств данного материала (Bohm et. al. "Czochralski growth and characterization of piezoelectric single crystals with langasite structure", J. Of Crystal Growth 1999, 204, pp.128-136).

Анализ научно-технической литературы (см., например, В.И.Карбань, Ю.И.Борзаков. "Обработка монокристаллов в микроэлектронике", М., "Радио и связь", 1988) показывает, что широко используется способ обработки подложек из монокристаллов пьезоэлектриков, включающий, главным образом, влажное травление после полировки с целью очистки поверхности подложки. Кроме того, подложку из пьезоэлектрика, предназначенную для производства устройств на поверхностных акустических волнах, подвергают грубой механической обработке со стороны нерабочей (обратной) поверхности подложки с целью устранения эффектов отражения объемных волн от этой поверхности. Указанное различие состояний рабочей и нерабочей поверхностей подложки вызывает ее деформацию. В свою очередь деформация может приводить к растрескиванию подложки и оказывать влияние на точность фотолитографии при формировании электродов. В целях уменьшения деформации подложки пьезокристалла обработку подложек проводят с использованием влажного травителя (G.W.Fynn and W.J.Powell. "The cutting and polishing of electrooptic materials", John Wiley & Sons, 1979, pp.178-184; H.Vora "Study of mechanochemical machining of ceramics and effect of thin film behavior". Technical Report 1, February 1984, AD-A 142542).

Было установлено, что полирующие травители в виде суспензий редкоземельных элементов, пригодные для полировки кварцевых подложек, не позволяют получать поверхности подложек лангасита высокого качества. Лучшие результаты наблюдались при использовании суспензии двуокиси кремния и оксида церия (S.Laffey et. al. Polishing and etching langasite and quartz crystals. Vitronics, Inc. and U.S. Army Research Laboratory. Fort Monmouth, NJ 07703-5601, U.S.A.). В указанном источнике информации раскрыт способ обработки подложек лангасита Y-среза, включающий шлифовку, двухстадийную полировку предварительно с использованием суспензии двуокиси кремния, а затем с использованием суспензии двуокиси кремния с размером частиц 50 нм, разбавленной водой в соотношении 1:15, и травление в растворе, содержащем соляную кислоту, плавиковую кислоту и воду в соотношении HCl:HF:H₂O как 1:50:150. Известный способ не позволяет получать плоскопараллельные подложки лангасита с величиной шероховатости менее 10 мкм.

Известен способ обработки подложек монокристаллического лангасита для производства устройств, работающих на поверхностных акустических волнах, включающий полировку поверхности подложек лангасита La₃Ga₅SiO₁₄ и, так называемое, влажное травление с использованием водного раствора соляной и плавиковой кислот (см., например, "Etching langasite and quartz crystals", Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium (1994), pp.245-250). Известный раствор получают путем смешения соляной кислоты, плавиковой кислоты и воды при объемном соотношении 1:50:150, соответственно. Перед травлением полученную смесь нагревают до температуры 70°С. Было установлено, что при использовании в процессе полировки коллоидного раствора двуокиси кремния на поверхности подложки образуется пленка, предположительно, состава LaF₃. Кроме того, поскольку температура травления была относительно высокая, порядка 70°С, то со временем происходило изменение состава травителя вследствие испарения воды, т.е. процесс травления был нестабилен во времени. Кроме того, наличие плавиковой кислоты в составе травителя вызывает необходимость дополнительного обслуживания оборудования для сохранения его срока службы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ обработки подложек монокристаллического лантангаллиевого силиката, раскрытый в патенте US, 6525447. Известный способ обработки подложек лантангаллиевого силиката кристаллографической ориентации <001> включает полировку основной и нерабочей поверхностей подложки и последующее их травление в растворе, содержащем фосфорную H₃PO₄, азотную HNO₃ и уксусную CH₃COOH кислоты. Известный травящий раствор предпочтительно содержит указанные кислоты в следующем количестве, об.%: фосфорная кислота - 50-90; азотная кислота - 70-80; уксусная кислота - 6-10. Отмечаются трудности с получением подложек, свободных от царапин, и позволяющих получать устройства на поверхностно-активных волнах, обладающих удовлетворительными частотными характеристиками. Известный способ характеризуется недостаточной величиной добротности устройств на поверхностных акустических волнах и существенным затуханием акустических волн, а также низкой скоростью обработки поверхности подложек лангасита.

В рамках данной заявки решается задача разработки промышленного прецизионного высокопроизводительного способа обработки подложек из монокристаллов лантангаллиевого силиката, характеризующихся высоким качеством поверхности подложек с шероховатостью поверхности R_a≤0,7 нм. Имеется потребность в воспроизводимом получении плоскопараллельных подложек, свободных от царапин и пригодных для устройств на поверхностных акустических волнах, с улучшенными частотными характеристиками. Имеется потребность в улучшении частотных характеристик приборов, использующих подложки из монокристаллов лангасита, путем увеличения добротности устройств и снижения вносимых затуханий.

Поставленная задача решается тем, что в способе обработки подложек монокристаллического лантангаллиевого силиката для производства устройств на поверхностно-активных волнах, включающем предварительную двустороннюю шлифовку и последующую химико-механическую полировку подложек из монокристаллического лантангаллиевого силиката, в качестве подложек используют пластины кристаллографической ориентации (0, 138.5, 26.7), шлифовку проводят с использованием водной суспензии микропорошка карбида кремния зеленого при удельном давлении на подложку, взятом из диапазона 20-60 г/см², а химико-механическую полировку предварительно склеенных попарно нерабочими сторонами пластин проводят с использованием раствора, содержащего дистиллированную воду, суспензию двуокиси кремния, ортофосфорную кислоту, мас.%:

дистиллированная вода	87-91,2
суспензия двуокиси кремния	8-11,5
ортофосфорная кислота	0,8-1,5

при удельном давлении на подложку, взятом из диапазона 50-90 г/см².

Целесообразно в качестве подложек лантангаллиевого силиката использовать подложки толщиной 800-1000 мкм, а двухстороннюю шлифовку проводить до толщины подложки из диапазона 450-600 мкм.

Предпочтительно двухстороннюю шлифовку проводить при скорости вращения притира с подложками из диапазона 15-30 об/мин.

Кроме того, предпочтительно химико-механическую полировку проводить со скоростью съема материала подложки из диапазона 5-10 мкм/час.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между физико-механическими свойствами подложек лангасита, их кристаллографической ориентации, режимами проведения двухстадийной обработки подложек, включая выбор химического состава растворов на стадии двусторонней шлифовки и на стадии химико-механической полировки и качеством подложек.

Авторами экспериментально были найдены химические составы растворов, включая качественный и количественный составы активных ингредиентов на стадии шлифовки и химико-механической полировки, для целей обеспечения высокого качества полированных поверхностей при достаточно высокой скорости полировки.

Сущность изобретения поясняется неисключающим примером его реализации.

Пример

Для реализации способа обработки подложек из монокристаллического лантангаллиевого силиката согласно изобретению используют подложки лангасита диаметром 76 или 100 мм. Кассеты с 10-ю подложками толщиной 900 мкм укладывают на нижний притир диаметром 640 мм, опускают верхний притир. Шлифовку подложек осуществляют с использованием водной суспензии микропорошка карбида кремния зеленого марки F 600 (зернистостью М 9) при удельном давлении на подложку 30 г/см² и скорости вращения нижнего притира с подложками 20 об/мин. Двустороннюю шлифовку ведут до достижения толщины подложки 540 мкм. Для проведения химико-механической полировки подложек готовят водный раствор, содержащий коммерчески доступную суспензию двуокиси кремния торговой марки Nalco™ и ортофосфорной кислоты, взятые в соотношении, мас.%: вода дистиллированная - 89,4; суспензия двуокиси кремния - 9,5; ортофосфорная кислота - 1,1. После этого подложки склеивают попарно и проводят химико-механическую полировку с использованием полученного трехкомпонентного раствора при удельном давлении на подложку 60 г/см². Полировку ведут со скоростью съема материала 6 мкм/час до достижения толщины подложек, равной 500 мкм. Полученные подложки характеризуются высокой плоскопараллельностью и величиной шероховатости Ra менее 0,7 нм.

Изобретение может быть использовано при производстве подложек из монокристаллического лантангаллиевого силиката, характеризующихся высокой плоскопараллельностью и низкой шероховатостью. Изобретение позволяет производить подложки, характеризующиеся отсутствуем царапин, сколов, ямок, непрополированных областей. Изобретение предусматривает получение приборов с улучшенными частотными характеристиками. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая снижение себестоимости производимых подложек путем увеличения скорости съема материала подложки при сохранении их высокой плоскопараллельности.

1. Способ обработки подложек монокристаллического лантангаллиевого силиката для устройств, работающих на поверхностно-акустических волнах, включающий предварительную двустороннюю шлифовку и последующую химико-механическую полировку подложек, отличающийся тем, что в качестве подложек используют пластины лантангаллиевого силиката кристаллографической ориентации (0, 138.5, 26.7), шлифовку проводят с использованием водной суспензии микропорошка карбида кремния зеленого при удельном давлении на подложку, взятом из диапазона 20-60 г/см², а химико-механическую полировку предварительно склеенных попарно нерабочими сторонами подложек проводят с использованием раствора, содержащего, мас.%:

Дистиллированная вода	87-91,2
Суспензия двуокиси кремния	8-11,5
Ортофосфорная кислота	0,8-1,5

при удельном давлении на подложку, взятом из диапазона 50-90 г/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложек используют пластины лантангаллиевого силиката толщиной 800-1000 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что двухстороннюю шлифовку подложек проводят до толщины подложки из диапазона 450-600 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что двухстороннюю шлифовку подложек проводят при скорости вращения притира с подложками из диапазона 15-30 об/мин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что химико-механическую полировку ведут со скоростью съема материала подложки из диапазона 5-10 мкм/ч до достижения шероховатости полированной поверхности величины Ra≤0,7 нм.