[发明专利]一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法及装置

说明书

半导体晶圆无线光电化学机械抛光方法：将晶圆固定在抛光头；抛光垫粘贴在同样直径的抛光盘底；在通孔底壁设置一对正负电极，并入盘顶的两条汇流线，经导电滑环接电源的正负端；加工时，紫外光穿过通孔照射到晶圆；抛光液滴入通孔在其底部形成由晶圆表面、抛光液层和正负电极构成的光电解池，电极与晶圆被抛光垫隔开；施加电压后，光电解池底的晶圆表面处于两极间的电场中，按双极电化学原理被氧化成软质的表面氧化膜；抛光盘/垫与晶圆同向旋转使晶圆所有表面都能在光电化学氧化和机械摩擦步骤间均匀地交替。本发明设计的装置能在常温常压下高效高质地加工以不导电蓝宝石为衬底的氮化镓晶圆等各种半导体晶圆，具有较大的经济意义和推广价值。

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法及装置。

背景技术

第三代化合物半导体氮化镓和碳化硅具有热导率好、击穿电场高和电子饱和速率快等特性，适合制作高温、高频及抗辐射大功率器件。从晶圆制造器件需频繁应用抛光工艺，目前主要的技术是化学机械抛光(CMP)，其加工机制是在化学氧化晶圆生成软质表面氧化层的同时，利用抛光垫和磨料的机械摩擦作用去除氧化层。然而，氮化镓和碳化硅与其它半导体不同的是它们的化学性质极端惰性，这使得应用CMP加工这两种晶圆的效率极低。近二十年来，主要的改进方案是寻找更强的化学氧化剂，但即使采用最强的自由基类型化学氧化剂，迄今氮化镓CMP所能达到的最高材料去除速率(MRR)仅为120nm/h(ECS J SolidState Sci2015；4:112-7)。因此，必须寻求可高效氧化氮化镓和碳化硅的新方法，并将之与机械抛光相结合，创新发展第三代半导体晶圆的抛光技术。

实际上，半导体光电化学就是可高效氧化氮化镓和碳化硅的常用手段，具体原理如下：当采用光子能量大于这两种半导体的禁带宽度的紫外光照射时，可将半导体中价带电子激发至导带，在高费米能级的价带产生空穴形成电子-空穴对；外加电场可有效分离电子-空穴对阻止其复合，使自身就具有极强氧化性的空穴聚集在半导体表面；因此，发生在水基溶液中的光电化学无需另外采用强化学氧化剂，仅靠紫外光照和电场的作用就可快速氧化氮化镓和碳化硅。

迄今为止，仅见专利CN106141900A、201710994759.X、2018111537195.8披露了将光电化学与机械抛光相结合实现光电化学机械抛光的方案。专利CN106141900A披露的方法是采用全透明材质、导电的抛光盘作为光电化学的阴极，在加工中紫外光透过抛光盘照射到作为光电化学阳极的晶圆；但这类抛光盘的材料目前尚不存在，此方案难以实际执行。在专利201710994759.X中，我们披露的技术方案是采用直径小于晶圆的抛光盘在加工时始终只抛光一部分晶圆，而紫外光透过抛光液照射到晶圆的其余部分；但紫外光透过毫米厚度抛光液后强度急剧衰减，使光电化学氧化效率不高。随后，在专利2018111537195.8中，我们提出了一个更有效的技术方案。采用直径大于晶圆且具有通孔结构的导电抛光盘作为光电化学阴极，在加工时紫外光透过通孔照射到与盘底抛光垫紧贴的晶圆，抛光盘和晶圆相对运动使得滞留在晶圆表面的抛光液仅有微米厚度，实现了高效的光电化学氧化，但晶圆必须通过导电胶和导线与外加电源直接相连后方可作为光电化学阳极。由于半导体晶圆有两类，一类是各部分都导电的自支撑晶圆，另一类是衬底不导电的外延生长的晶圆，而后者无法直接接入光电化学系统，因此这一技术方案无法加工后者。如何提供一种半导体晶圆光电化学机械抛光的普适性方法，可高效高质加工所有类型的氮化镓、碳化硅晶圆是本领域亟待解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，本发明无需采用导电胶和导线就可将晶圆直接接入光电化学系统，具有普适性，而且不涉及高温高压真空等极端条件，对于实验设备及实验环境无苛刻要求，能够实现高效高质地光电化学机械抛光加工所有类型的氮化镓、碳化硅晶圆。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，具体步骤如下：

将半导体晶圆固定在抛光头；