一种氮化镓晶片光电化学机械抛光液及抛光方法与流程

本发明属于抛光加工技术领域，特别涉及一种氮化镓晶片光电化学机械抛光液及抛光方法。

技术背景

第三代半导体代表材料如氮化镓，与第一、二代半导体材料相比，禁带宽度大热导率高，击穿电场高，电子饱和速率高和抗辐射能力强，更为适合制作高温、高频、高功率、抗辐射大功率器件。氮化镓晶片作为器件或led基片时，要求材料具有高的表面完整性(如低的表面粗糙度，无划痕、微裂纹、位错与残余应力等表面/亚表面损伤)，而在氮化镓晶片的研磨过程中会产生材料的表面/亚表面损伤，需要对晶片进行抛光加工来去除晶片的表面/亚表面损伤而获得超平滑的表面。

氮化镓晶体材料键能大，常温下几乎不与任何酸碱试剂发生化学反应，属于典型的硬脆难加工材料，在化学机械抛光加工过程中去除率低导致加工时间长，成本高等一系列问题。hideoaida发表在《mrsproceedings》,2013,1560(19):2659-2666的文章报道氮化镓晶片的化学机械抛光去除率仅有17nm/h，如果能将氮化镓表面氧化改性生成氧化镓后去除率可到7μm/h，指出氮化镓晶片的化学机械抛光过程中，晶片的氧化改性效率是晶片化学机械抛光去除率的决速步。因此可通过提高晶片在抛光过程中的氧化改性效率来提高抛光过程中的材料去除速率。氮化镓晶体作为一种半导体材料，可以采用紫外光直接辐照到半导体晶片表面的方式产生光生电子-空穴对，抛光液中的强氧化剂夺得光生电子促使光生电子-空穴的分离，再利用分离到达晶片表面的空穴将晶片表面氧化，进而提高晶片抛光过程中的材料去除速率。

由于氮化镓晶片的化学机械抛光去除率低，因此通常会使用高纳米二氧化硅磨粒浓度的抛光液。如hideoaida发表在《journaloftheelectrochemicalsociety》,2011,158(12):h1206上的文献中报道在他们课题组中的实验中，采用硅溶胶抛光gan时，磨粒浓度高达40wt％，国内清华大学潘国顺课题组发表在《tribologyinternational》,2016,110的文献中报道，在他们氮化镓晶片的化学机械抛光实验中固体磨粒浓度也高达30wt％，并获得了约120nm/h的去除速率。然而，使用高磨粒浓度的抛光液导致抛光加工中的抛光液成本占比高，同时也会带来抛光液后处理难度增大。d.e.speed在advancesinchemicalmechanicalplanarization(cmp),p.27,woodheadpublishing(2016)文献中指出抛光加工生产单位在抛光液在排放前需要进行预处理，厂家通常采用混凝絮凝过程对废液进行处理，经过沉降、过滤、浮选等步骤，处理过程复杂，后处理成本高，进而增大抛光加工厂商成本，另外一旦处理不善，高磨粒浓度的抛光液对环境引起严重的污染。

因此，针对氮化镓晶片材料在目前的化学机械抛光加工过程中所存在的去除率低，加工时间长，所用抛光液成分复杂，磨粒浓度高易造成环境污染的背景下，亟需寻找一种去除率更高、成分更为简单环保、磨粒浓度更低的抛光液以满足半导体器件的高效制造和日益严格的环保要求。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中氮化镓化学机械抛光去除率较低，抛光后的表面质量较差的研究现状，提供一种氮化镓晶片光电化学机械抛光液，包括纳米磨粒、氧化剂和水；所述纳米磨粒的含量为抛光液的0.05-20wt.％；所述氧化剂的含量为抛光液的0.1-10wt.％。

现有的抛光液磨粒浓度较高，其透光性相对较差，本发明中使用的抛光液通过氧化剂氧化和纳米磨粒的机械去除协同作用实现了快的去除速率。

本发明所述的光电化学机械抛光，是指在现有的化学机械抛光基础之上，引入紫外线直接辐照被抛光半导体工件，半导体工件在紫外线的辅助下产生光电化学改性后被机械抛光去除的一种加工方式。

作为优选的技术方案，所述的氧化剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸氨、双氧水、过氧化钠、过氧化钾、高锰酸钾、次氯酸钠、次氯酸钾、次氯酸氨中的至少一种。

作为优选的技术方案，所述抛光液还包括ph调节剂。

作为优选的技术方案，所述的ph调节剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、磷酸、醋酸、盐酸、硝酸、硫酸中的至少一种。

作为优选的技术方案，所述纳米磨粒的平均粒径为15～100nm；更优选为15～30nm，细粒径的磨粒可以使得抛光液透明度高，抛光后的晶片表面质量更好。

作为优选的技术方案，所述纳米磨粒为纳米氧化铈磨粒或纳米二氧化硅磨粒。

作为优选的技术方案，所述抛光液还包括催化剂，所述的催化剂为铂、金、铑、钯、铱及其碳负载型催化剂中的至少一种，催化剂的加入可以有效提高晶片的表面改性速率，进而提高抛光去除速率。

作为优选的技术方案，所述催化剂的粒径为15-50nm；含量为抛光液的0.0001-0.0005wt.％。

本发明提供的抛光液用于光电化学机械抛光，使用该抛光液对氮化镓晶片进行抛光加工可以使去除率达到201.1nm/h，材料去除率远高于现有报道，表面粗糙度可以达到～1.63nm，去除率和能够达到的表面粗糙度远好于现有的报道。同时该抛光液成分简单，纳米磨粒浓度极低，使得抛光液的透光率好，紫外光透过抛光液到达晶片表面的强度高，得到更好的改性效果；另外抛光液的后处理方便，抛光液中的磨粒浓度低，可以降低抛光加工后废液的后处理成本，对环境污染小。

本发明还提供一种半导体的光电化学机械抛光方法，包括以下步骤：

(1)将晶片固定在抛光液池中随抛光液池绕轴向旋转，抛光液池中的抛光液完全浸没晶片；

(2)将抛光垫固定在抛光轴上，经驱动与晶片产生相对运动；所述抛光垫与晶片的接触面积小于晶片的面积；

(3)抛光过程中采用紫外光辐照晶片。

抛光垫与晶片接触面积比晶片表面积小，可以使晶片露出剩余表面直接接受紫外光源的在线辐照而被改性。

紫外光源发出的紫外线可在抛光过程中始终在线辐照到晶片未被抛光垫遮挡部分，实时对晶片进行改性进而对晶片进行光电化学抛光加工。

优选地，所述抛光垫的面积小于晶片的面积。

优选地，所述抛光垫粘贴在抛光轴上。

优选地，所述抛光轴在绕轴向旋转的同时也可在平面内移动，进而带动抛光垫选择性地抛光晶片表面。

优选地，抛光过程中抛光压力可通过抛光轴加载。

作为优选的技术方案，所述抛光垫负载有催化剂。

作为优选的技术方案，所述催化剂采用以下工序负载在抛光垫上：

a)先将纳米级粒径的催化剂利用超声波振荡分散在去离子水中；

b)再将抛光垫浸没在分散有催化剂的去离子水中，超声振荡1-10min，使得催化剂负载在抛光垫上。

作为优选的技术方案，所述催化剂分散在抛光液中。

作为优选的技术方案，所述催化剂采用以下工序分散在抛光液中：催化剂先加入抛光液中，再通过超声振荡使其分散均匀。

作为优选的技术方案，所述抛光垫是含有磨料的抛光垫，所述磨料为氧化铈或者氧化硅中的一种或两种。

作为优选的技术方案，所述抛光垫的材质为聚氨酯抛光垫，无纺布抛光垫，绒布抛光垫的其中一种。

作为优选的技术方案，所述的紫外光源是led紫外光源、汞灯紫外光源、氙灯紫外光源、氘灯紫外光源中的一种或几种，波长<400nm

与现有技术相比：本发明提供的半导体的光电化学机械抛光方法具有以下优点：

1.抛光去除效率高。本发明采用了紫外光在线不间断辐照晶片表面方式，在抛光过程中始终照射晶片表面，可以高效地改性晶片，再通过抛光垫机械性地去除改性层，进而提高整个抛光过程中的去除速率。

2.催化剂可以在紫外光照的情况下催化促进晶片改性，提高整个光电化学机械抛光过程中的材料去除率。

3.粘贴有抛光垫的抛光头可绕轴向旋转也可以随意移动位置，并在紫外光照的辅助下定点对晶片的某一位置进行抛光，实现晶片的定点抛光去除。

4.粘贴有抛光垫的抛光头可绕轴向旋转也可以随意移动位置，可以保证抛光过程中抛光头在晶片上的运动的均匀性。

附图说明

本发明附图3幅

图1是gan晶片抛光前的表面形貌；图1中，(a)奥林巴斯显微镜表面形貌图像，(b)zygo白光干涉仪表面形貌图像；

图2是使用实施例4中的抛光液的gan晶片加工后的表面形貌；图2中，(a)奥林巴斯显微镜表面形貌图像，(b)zygo白光干涉仪表面形貌图像ra1.626nm；

图3是一束激光通过抛光液的丁达尔效应及抛光液透明度和胶体效果示意图。

具体实施方式

(1)依次采用丙酮，酒精，去离子水清洗gan并称重，材料去除率采用gan晶片质量的变化进行折算。利用奥林巴斯显微镜和zygo白光干涉仪分别测量gan晶片表面的原始形貌如图1(a)、(b)所示，原始表面采用氢化物气相沉积法(hvpe)制备，晶片表面有许多大小不一的六角凸起，其较大凸起高度达到了约1μm，表面质量较差。

(2)将gan晶片用石蜡粘接固定在抛光机的工件夹具上；抛光垫为suba800；gan晶片完全浸没在抛光液里，抛光液的成分如表1所示，余量为与离子水。

(3)gan晶片转速60rpm，抛光垫转速390rpm，抛光压力6.5psi，紫外光强20-30mw·cm^-2抛光时长5h。

(4)加热融化石蜡，取下晶片依次采用丙酮，酒精，去离子水清洗后吹干，称量质量，测量抛光后的表面粗糙度。

表1.实施例条件及抛光效果

gan晶片抛光后，其表面质量改善明显，如图2(a)所示，六角凸起消失，表面变得平整，粗糙度值降低到约1.63nm，同时去除率也达到了202.1nm/min。抛光后的表面形貌测量结果如图2(b)所示。本发明具有抛光去除率快，抛光前后粗糙度明显改善，抛光垫可对晶片表面进行定点抛光，操作简单，工艺参数灵活可调的优点。