[发明专利]一种氮化镓晶片光电化学机械抛光液及抛光方法

说明书

本发明公开了一种用于紫外辅助化学机械抛光的抛光液及其方法，包括纳米磨粒和氧化剂；所述纳米磨粒的含量为0.05‑20wt.％，所述氧化剂的含量为0.1‑10wt.％。本发明提供的抛光液主要用于氮化镓晶片的紫外辅助化学机械抛光加工，使用该抛光液对氮化镓晶片进行抛光加工可以获得高的去除率和低的表面粗糙度，同时该抛光液成分简单，纳米二氧化硅或氧化铈磨粒浓度极低，抛光液的后处理方便，对环境污染小。

技术领域

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。Hideo Aida发表在《Mrs Proceedings》,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Hideo Aida发表在《Journal of the Electrochemical Society》,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《Tribology International》,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Advances in ChemicalMechanical Planarization(CMP),p.27,Woodhead Publishing(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。

发明内容

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。