一种氧化镓单晶片化学机械抛光工艺的制作方法

1.本发明涉及氧化镓单晶片加工技术领域，具体是一种氧化镓单晶片化学机械抛光工艺。


背景技术：

2.氧化镓拥有着超宽带隙、超高临界击穿场强、较短的吸收截止边以及超强的透明导电性等优异的物理性能，其化学和热稳定性也较为良好，同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶，为了提高氧化镓单晶片的加工精度，因此需要对其表面进行分子级的抛光，而化学机械抛光可以取得良好的抛光效果，而得到广泛应用。
3.中国专利公开了一种易解理氧化镓晶片化学机械抛光工艺、抛光液及其制备方法(公告号cn114231182a)，该专利技术可以提高工作效率，能够使抛光后的氧化镓晶片达到超光滑的表面，但是其厚度磨损较大，表面层和亚表面层质量不佳。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种氧化镓单晶片化学机械抛光工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种氧化镓单晶片化学机械抛光工艺，实现方法包括以下步骤：
7.s1、通过蜡层将待抛光的氧化镓单晶片粘贴在陶瓷盘上，将抛光垫安装在抛光盘上；将调温水管与外部的冰水机进水口、出水口相连接，根据需要通过冰水机来控制不同温度的冷却水注入到调温水管中；
8.s2、通过抛光盘带动抛光垫顺时针旋转；通过抛光头带动氧化镓单晶片逆时针旋转；通过注液机向氧化镓单晶片和抛光垫之间注入抛光液；同时通过压力机对陶瓷盘施加压力，使得氧化镓单晶片与抛光垫保持设定的压力值；从而便可以对氧化镓单晶片进行化学机械抛光作业；抛光分为三道工序，分别为粗抛光、精抛光和cmp抛光；
9.s3、在抛光过程中，通过修整器对抛光垫的表面进行修整，通过红外传感器对抛光垫的表面温度进行监测，当温度超过设定值时，通过循环水管对抛光垫进行升降温处理，使其温度控制在设定值内。
10.作为本发明再进一步的方案：所述s2步骤中粗抛光工序的技术条件如下：
11.抛光垫采用聚氨酯抛光垫并开槽20
×
20方格，抛光液的黏度控制在0.030～0.034pa
·
s，抛光液的ph值控制在7.5～8.0，抛光盘的转速控制在45～50r/min，抛光头的转速控制在50～55r/min，抛光温度控制在20～25℃，抛光速率控制在0.8～1.2um/min，抛光压力控制在300～500g/cm2，抛光量控制在15～16um。
12.作为本发明再进一步的方案：所述s2步骤中精抛光工序的技术条件如下：
13.抛光垫采用聚氨酯抛光垫，抛光液的黏度控制在0.024～0.028pa
·
s，抛光液的ph
值控制在7.0～8.5，抛光盘的转速控制在35～40r/min，抛光头的转速控制在40～45r/min，抛光温度控制在20～25℃，抛光速率控制在0.4～0.6um/min，抛光压力控制在100～300g/cm2，抛光量控制在3～6um。
14.作为本发明再进一步的方案：所述s2步骤中cmp抛光工序的技术条件如下：
15.抛光垫采用带绒毛结构的阻尼布抛光垫，抛光液的黏度控制在0.018～0.022pa
·
s，抛光液的ph值控制在9.5～10.5，抛光盘的转速控制在25～30r/min，抛光头的转速控制在30～35r/min，抛光温度控制在30～35℃，抛光速率控制在0.3～0.5um/min，抛光压力控制在80～150g/cm2，抛光量控制在0.6～0.9um。
16.作为本发明再进一步的方案：所述抛光液由al2o3胶粒、sio2胶粒、表活性剂、稳定剂、氧化剂、螯合剂、增稠剂、分散剂和去离子水组成；在粗抛光工序中al2o3胶粒的粒径为160～180nm，sio2胶粒的粒径为60～70nm；在精抛光工序中al2o3胶粒的粒径为130～150nm，sio2胶粒的粒径为40～50nm；在cmp抛光工序中mno2胶粒的粒径为80～100nm。
17.作为本发明再进一步的方案：所述cmp抛光液由mno2胶粒表活性剂、稳定剂、氧化剂、螯合剂、增稠剂、分散剂、高猛酸钾和去离子水组成。在cmp抛光工序中mn2o2胶粒的粒径为80～10nm。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果：
19.本发明依次采用粗抛光、精抛光和cmp抛光的抛光工序，且控制在抛光垫的材料、抛光液的黏度、抛光液的ph值、抛光盘的转速、抛光头的转速、抛光温度、抛光速率、抛光压力以及抛光量，从而可以有效地提高氧化镓单晶片的平整度，降低氧化镓单晶片的粗糙度，同时具有较高的去除速率，减少单晶片总厚度磨损少，对单晶片的表面层和亚表面层损伤小，实现高质量抛光。
附图说明
20.图1为一种氧化镓单晶片化学机械抛光工艺的结构示意图。
21.图中：1、抛光盘；2、抛光垫；3、修整器；4、红外传感器；5、抛光液；6、注液机；7、抛光头；8、压力机；9、陶瓷盘；10、蜡层；11、氧化镓单晶片；12、调温水管。
具体实施方式
22.请参阅图1，本发明实施例中，一种氧化镓单晶片化学机械抛光工艺，实现方法包括以下步骤：
23.s1、通过蜡层10将待抛光的氧化镓单晶片11粘贴在陶瓷盘9上，将抛光垫2安装在抛光盘1上；将调温水管12与外部的循环水泵相连接，根据需要通过循环水泵将不同温度的冷却水注入到调温水管12中；
24.s2、通过抛光盘1带动抛光垫2顺时针旋转；通过抛光头7带动氧化镓单晶片11逆时针旋转；通过注液机6向氧化镓单晶片11和抛光垫2之间注入抛光液；同时通过压力机8对陶瓷盘9施加压力，使得氧化镓单晶片11与抛光垫2保持设定的压力值；从而便可以对氧化镓单晶片11进行化学机械抛光作业；抛光分为三道工序，分别为粗抛光、精抛光和cmp抛光，利用抛光液5中的可溶性硅酸盐的吸附作用及其与抛光垫2和氧化镓单晶片11间的机械摩擦作用，及时除去反应产物，达到去除氧化镓单晶片11表面损失层与沾污杂质的目的；
25.s3、在抛光过程中，通过修整器3对抛光垫2的表面进行修整，避免抛光垫2的表面受损，影响抛光质量，通过红外传感器4对抛光垫2的表面温度进行监测，当温度超过设定值时，通过循环水管12对抛光垫2进行升降温处理，使其温度控制在设定值内，避免温度差影响抛光质量。
26.优选的，s2步骤中粗抛光工序的技术条件如下：
27.抛光垫2采用聚氨酯抛光垫，抛光液5的黏度控制在0.030～0.034pa
·
s，抛光液5的ph值控制在10.5～11.0，抛光盘2的转速控制在45～50r/min，抛光头7的转速控制在50～55r/min，抛光温度控制在30～34℃，抛光速率控制在0.8～1.2um/min，抛光压力控制在300～500g/cm2，抛光量控制在15～16um，从而去除晶片表面由加工工序残留下的表面损失层。
28.优选的，s2步骤中精抛光工序的技术条件如下：
29.抛光垫2采用无纺布抛光垫，抛光液5的黏度控制在0.024～0.028pa
·
s，抛光液5的ph值控制在10.0～10.5，抛光盘2的转速控制在35～40r/min，抛光头7的转速控制在40～45r/min，抛光温度控制在28～32℃，抛光速率控制在0.4～0.6um/min，抛光压力控制在100～300g/cm2，抛光量控制在3～6um，从而进一步降低单晶片表面平整度和粗糙度。
30.优选的，s2步骤中cmp抛光工序的技术条件如下：
31.抛光垫2采用带绒毛结构的无纺布抛光垫，抛光液5的黏度控制在0.018～0.022pa
·
s，抛光液5的ph值控制在9.5～10.5，抛光盘2的转速控制在25～30r/min，抛光头7的转速控制在30～35r/min，抛光温度控制在30～35℃，抛光速率控制在0.3～0.5um/min，抛光压力控制在80～150g/cm2，抛光量控制在0.6～0.9um，从而确保晶片表面具有极高的纳米形貌特性。
32.优选的，抛光液5由al2o3胶粒、sio2胶粒、表活性剂、稳定剂、氧化剂、螯合剂、增稠剂、分散剂和去离子水组成；在粗抛光工序中al2o3胶粒的粒径为160～180nm，sio2胶粒的粒径为60～70nm；在精抛光工序中al2o3胶粒的粒径为130～150nm，sio2胶粒的粒径为40～50nm；在cmp抛光工序中mno2胶粒的粒径为80～100nm。
33.为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述实施例进行阐述：
34.采用本发明抛光的氧化镓单晶片作为实施例，采用专利网公开的一种易解理氧化镓晶片化学机械抛光工艺、抛光液及其制备方法(公开号：cn114231182a，公开日：2022-03-25)抛光的氧化镓单晶片作为对比例一，采用专利网公开的化学机械抛光的方法(公开号：2015-04-29实施例，公开日：cn102689265b)抛光的氧化镓单晶片作为对比例二；
35.实施例、对比例一和对比例二采用的氧化镓单晶片的原材料为同一批次、同一型号，分别采用上述三种化学机械抛光方法后，采用表面形貌仪分别观察其表面形貌微观和亚表面层微观形貌，使用透射电子显微镜观察和分析单晶片划痕的亚表面层状态，并记录到下表1中。
36.表1实施例、对比例一和对比例二的性能指标
[0037][0038]
从表1可得出：实施例中单晶片的表面粗糙度和总厚度变化均显著小于对比例一和对比例二中单晶片的表面粗糙度和总厚度变化，而实施例中单晶片的去除速率仅略低于对比例一和对比例二中单晶片的去除速率，进而可以得出：本发明可以有效地提高氧化镓单晶片的平整度，降低氧化镓单晶片的粗糙度，同时具有较高的去除速率，且单晶片总厚度磨损少。
[0039]
实施例中单晶片的表面光亮、平整，亚表面微晶细小；而对比例一单晶片的表面较粗糙、暗淡，亚表面出现晶格位错、层错；对比例二中单晶片的表面出现细小坑点；亚表面出现划痕、损伤；进而可以得出：本发明对单晶片的表面层和亚表面层损伤小，实现高质量抛光，且有效去除划痕，增加平整度。
[0040]
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。