CN101775257A - 一种用于GaAs晶片的粗抛光溶液和粗抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液和机械化学粗抛光方法,本发明的用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液,除水以外,包括二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶。本发明的机械化学粗抛光方法,包括在机械化学粗抛光设备中,在所述抛光溶液存在下,对晶片实施机械化学粗抛光。采用本发明的溶液和方法,可以提高GaAs晶片的平整度质量,以及晶片表面镜面质量,同时能够降低机械化学粗抛光作业成本及对环境的影响。

Description

一种用于GaAs晶片的粗抛光溶液和粗抛光方法
技术领域
本发明涉及一种用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液和一种机械化学粗抛光方法。
背景技术
GaAs由元素周期表中ⅢA族元素镓(Ga)与ⅤA族元素砷(As)化合而成,是继锗、硅后发展起来的一族重要半导体材料。砷化镓晶体的一些性能比锗、硅更优越,例如,其电子迁移率约为硅的6倍,可在更高的频率下工作,是制造高速集成电路和高速电子器件的理想材料。砷化镓单晶片主要应用于微波和毫米波通信领域,如移动电话、卫星广播、雷达系统及其他国防尖端电子产品。因其良好的光电性能,还大量应用于制造激光器和发光二极管。随着技术的不断发展和用途的不断扩大,用户对产品的质量要求越来越高,同时对成本也提出了更高的要求。因此,生产企业需要不断提高产品质量,降低生产成本,同时,减少因抛光溶液中氯元素的挥发而带来的环境污染。
GaAs晶片首先是使用金属锯或线状锯等将GaAs晶锭切成片,再通过研磨、机械化学粗抛光和化学精抛光等工序完成加工过程(参见Japanese Patent Laid-Open No.2002-18705,2005-264057,11-283943,US 2008/0194182A1),最终通过专业清洗、包装后提供给用户。提供给用户的GaAs晶片,其主面象镜子一样光滑明亮,并且其物理性能达到一定的要求。然后,用户在晶片表面上沉积一定厚度的各种单晶层,即单晶衬底的器件外延层,从而制备出不同功能的器件。
在机械化学粗抛光和化学精抛光过程中,分别采用不同的抛光溶液,其中在机械化学粗抛光过程中,采用的抛光溶液称为机械化学粗抛光溶液。
机械化学粗抛光的原理是:利用机械化学粗抛光溶液对晶片腐蚀,并利用机械化学粗抛光溶液中的硅溶胶的机械作用,将腐蚀物去掉,从而得到适合化学精抛要求的、高平整度、高表面指标的晶片。这会使化学精抛光,在掉量(抛光过程中从晶片上去除的厚度)很少的情况下就能达到客户的要求。机械化学粗抛光后的晶片质量,直接影响着化学精抛光晶片的一次成品率(yield)。由于晶片需要机械化学粗抛光过程去除的厚度较多,其机械化学粗抛光过程所消耗的成本较大,占整个抛光过程(即所有粗抛光和精抛光过程)的90%左右,同时,机械化学粗抛光时间较长。因而,晶片的机械化学粗抛光过程十分重要。
美国专利申请2008/0194182A1公开的方法中,GaAs晶片先用含有机氯和硅溶胶和20-31%三聚磷酸钠的机械化学粗抛光溶液实施粗抛,再调整上述抛光溶液的三聚磷酸钠为13-19%再完成精抛。
因此,如果能够选用更合适的机械化学粗抛光溶液对GaAs晶片进行机械化学粗抛光,将有助于提高GaAs晶片的平整度质量、提高晶片表面镜面质量,同时达到降低机械化学粗抛光作业成本,以及改善对环境带来不良影响的作用。
发明内容
本发明提供一种用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液,除水以外,包括二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶。
本发明还提供一种用于GaAs晶片的机械化学粗抛光方法,包括在一种机械化学粗抛光设备中,使用下列抛光溶液对晶片实施机械化学粗抛光:所述机械化学粗抛光溶液除水以外,包括二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶。
采用本发明的溶液和抛光方法,可以减少GaAs晶片的划伤、提高平整度质量、提高晶片表面镜面质量,同时达到降低机械化学粗抛光作业成本,降低对环境的影响。
附图说明
图1为用于本发明机械化学粗抛光方法的设备的一个实例;
图2为通过本发明机械化学粗抛光方法所获产品一例的平整度数据之翘曲度(Warp)分布图;
图3为通过本发明机械化学粗抛光方法所获产品一例的平整度之总体厚度变化(TTV)图;
图4为通过本发明机械化学粗抛光方法所获产品一例的平整度之局部厚度变化(LTV)图;
图5为通过本发明机械化学粗抛光方法所获产品一例的平整度数据之弯曲度(BOW)分布图;
图6为通过本发明机械化学粗抛光方法所获产品一例的掉量速率分布图。
具体实施方式
本发明用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液,除水以外,包括二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶。
在本发明的一种优选实施方案中,除水以外,按重量百分比计,机械化学粗抛光溶液中含二氯代异氰尿酸盐8.0-22.0%、磺酸盐0.01-0.30%、焦磷酸盐4.5-19.0%、碳酸氢盐3.0-13.0%和硅溶胶55.0-72.0%。
在本发明的一种进一步优选的实施方案中,除水以外,按重量百分比计,机械化学粗抛光溶液含二氯代异氰尿酸盐10.0-20.0%、磺酸盐0.05-0.30%、焦磷酸盐8.0-15.0%、碳酸氢盐4.5-11.0%和硅溶胶58.0-69.0%。
在本发明的一种再进一步优选的实施方案中,除水以外,按重量百分比计,机械化学粗抛光溶液含二氯代异氰尿酸盐12.0-18.0%、磺酸盐0.08-0.50%、焦磷酸盐9.0-13.0%、碳酸氢盐8.0-10.0%和硅溶胶60.0-68.0%。
在本发明用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液的各种实施方案中,除水以外,二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶各组分含量总和为100%。
除水之外的各组分溶于水中后,按总量计,机械化学粗抛光溶液中化学物质(即二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶)总的重量百分比为不高于6.0%,优选不高于5.0%,进一步优选不高于4.0%,再进一步优选不高于3.0%。
在本发明的机械化学粗抛光溶液中,二氯代异氰尿酸盐、焦磷酸盐和碳酸氢盐可以采用它们各自的水溶性盐类之一。优选的是,二氯代异氰尿酸盐、焦磷酸盐和碳酸氢盐为各自的水溶性的碱金属盐之一或为铵盐,特别优选为各自的钠盐或铵盐。
在本发明的机械化学粗抛光溶液中,磺酸盐可以采用水溶性磺酸盐,优选水溶性碱金属盐之一或为铵盐,特别优选为钠盐或铵盐。优选的是,磺酸盐为C6-16芳基(即含6-16个碳原子的芳基,包括取代的芳基)的单磺酸盐或二磺酸盐(例如C4-10烷基-苯磺酸盐、苯磺酸盐、萘磺酸盐、蒽磺酸盐、C4-10烷基-苯基二磺酸二盐、苯基二磺酸二盐、萘基二磺酸二盐或蒽基二磺酸二盐,例如1,2-苯二磺酸二盐、1,3-苯二磺酸二盐、苯磺酸盐或萘磺酸盐)、烷基磺酸盐(优选为4-10个碳原子烷基的磺酸盐,例如丁烷基磺酸盐、戊烷基磺酸盐、己烷基磺酸盐、庚烷基磺酸盐、辛烷基磺酸盐、壬烷基磺酸盐和癸烷基磺酸盐等)和酚磺酸盐之一,进一步优选1,3-苯二磺酸盐、苯磺酸盐、萘磺酸盐或己烷基磺酸盐。
在本发明的机械化学粗抛光溶液中,硅溶胶可以采用常规的硅溶胶,例如市售的硅溶胶,或者是采用现有技术方法制备的硅溶胶。
配制本发明的机械化学粗抛光溶液时,可以将各组分直接放入去离子水中,溶解、混合均匀;也可以先将各组分混合均匀,然后放入去离子水中,溶解、混合均匀;也可以分别将各组分先后放入去离子水中,溶解、混合均匀。
检测发现,本发明的机械化学粗抛光溶液在配制好后密闭存放情况下,挥发到空气中的氯气浓度不高于0.50毫升/立方米(按折算成标准状态的体积计算),优选不高于0.45毫升/立方米;与现有技术相比,可以降低氯气在空气中的浓度,减轻对于环境的不良影响。
出乎意料地,进一步检测发现,本发明的机械化学粗抛光溶液在配制后,可以存放长达24小时后再用而不影响使用效果。因此,本发明的机械化学粗抛光溶液不必现配现用,从而可以减少溶液配制的操作次数。
本发明应用于GaAs晶片的机械化学粗抛光方法,包括在机械化学粗抛光设备中,在下列机械化学粗抛光溶液存在下,对晶片实施机械化学粗抛光:机械化学粗抛光溶液除水以外,包括二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸盐和硅溶胶。
出乎意料的是,本发明的机械化学粗抛光溶液可以在低浓度时实现晶片的良好抛光。例如,在本发明的一个优选实施方案中,以抛光溶液总重量为基准,抛光溶液中化学物质(即二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶)的总重量百分比不高于3.0%。这样,可以减少固体含量及结晶物的析出,从而减少产品中损伤(Damage)及划痕(Scratch)的缺陷比例,提高产品质量;同时,有利于清除晶片表面残留的锯纹,获得较好的镜面效果。
优选地,在本发明机械化学粗抛光方法的一种优选实施方式中,以抛光溶液总重量为基准,抛光溶液中化学物质(即二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶)重量百分比不高于3.0%。
上述本发明各种实施方案中的机械化学粗抛光溶液适用于本发明的GaAs晶片的机械化学粗抛光方法,并分别构成各种优选的本发明机械化学粗抛光方法的实施方案;并且各种宽泛定义和各种优选范围内的含量可以互相组合,构成不同的实施方案。
以图1为例,本发明的机械化学粗抛光方法按下列方式实施:将待机械化学粗抛光的GaAs晶片置于机械化学粗抛光设备中。机械化学粗抛光设备包括上下两个部分2、3,两个部分2、3相对的面各衬以垫5、6。晶片4置于垫5、6之间。上下两个部分2、3各以驱动轴R1和R2驱动旋转。机械化学粗抛光溶液槽1盛放机械化学粗抛光溶液,并用管道通至机械化学粗抛光设备内部,供机械化学粗抛光之用。粗抛光结束后,取出GaAs晶片,洗涤、干燥,得到机械化学粗抛光的GaAs晶片。
在本发明的一种实施方案中,机械化学粗抛光方法和化学精抛光方法结合使用,即实施本发明的机械化学粗抛光方法后,接着实施化学精抛光方法。所有这些实施方式均在本发明的范围内。
下面以非限制性实施例示例性说明本发明。
实施例
实施例1--4
按表1中的比例(基于固体总重量计算)准备机械化学粗抛光溶液各种化学物质(即二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶),用去离子水配制本发明的机械化学粗抛光溶液,配制完成后,分别密闭存放在一个1500L的容器内24小时,采用标准甲基橙分光光度法检测各密闭容器内空气中的氯气浓度和溶液中氯元素的含量,发现密闭容器内空气中的氯气浓度均不高于0.29毫升/立方米(按折算成标准状态的体积计算),抛光液在密闭放置24小时后有效氯浓度降低量不低于最初配制时浓度的15%,表明该溶液稳定,可以保证配制后在24小时内均可正常使用。
将配好后的机械化学粗抛光溶液用于图1所示的机械化学粗抛光设备,对152.4mm(6英寸)直径、730um厚度的GaAs晶片实施机械化学粗抛光。按晶片中心离机械化学粗抛光设备中心200-400mm放置晶片,一次放置12~16片,抛光机械上下两个部分异向各以所示转速(单位rpm,即每分钟转数)转动,抛光20分钟。然后取出晶片,去离子水清洗后,干燥,进行检测。
机械化学粗抛光条件如表2所示,其中掉量速率为单位时间内从晶片上去除的厚度。
检测项目:
1.用AFM(原子粒显微镜)测试抛光后晶片的表面粗糙度Ra,以达到不高于1埃为合格(以“√”表示);
2.用一次粗抛成品率为产率(yield),以不低于98%为合格(以“√”表示合格);
3.平整度以TTV(总体厚度变化)<4.0μm,LTV(局部厚度变化)<1.5μm@20X2mm区域内,WARP(翘曲度)<7μm,Bow(弯曲度)<3.0μm表示合格(以“√”表示);
4.用掉量(即晶片机械化学粗抛光前后的厚度差)除以机械化学粗抛光时间计算掉量速率。
以上1~4的检测结果,见表1。
5.用Ultrasort Instrument(平整度测试仪,生产商Tropel)测试抛光后晶片的平整度参数,包括总体翘曲度(WARP)、厚度变化(TTV)、局部厚度变化(LTV)、弯曲度(BOW)等数据。以总体翘曲度(WARP)、厚度变化(TTV)、局部厚度变化(LTV)和弯曲度(BOW)为例,利用Minitab专业6西格玛分析软件分析,采用直方图分析方法分析,直方图用于检查样本数据的分布情况,数据拟合后形成光滑的内部曲线。直方图的纵坐标表示相应横坐标值的样片出现的频率,简称为数量。
分析结果见图2~5,其中,横座标表示参数(TTV、LTV、WARP或BOW)的数值。图2~5中右侧“均值、标准差、样本量(即各实施例样品总数)”从上到下按实施例1~4的顺序排列。
6.用日本MIPUTOYO生产的ID-C125EB接触式测厚仪测量掉量,利用Minitab专业6西格玛分析软件,采用直方图分析方法分析,直方图用于检查样本数据的分布情况,数据拟合后形成光滑的分布曲线。直方图的纵坐标表示相应横坐标值的样片出现的频率,简称为数量
掉量数据见图6,其中右侧“均值、标准差、样本量(即各实施例样品总数)”从上到下按实施例1~4的顺序排列。
表1  机械化学粗抛光溶液的固体成分及抛光结果
  成分名称   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4
  二氯异氰尿酸钠   20.9   14.75   14.25   13.65
  焦磷酸钠   11.25   11.75   11.95   18.55
  碳酸氢钠   8.8   8.6   9.26   9.6
  苯磺酸钠   0.1   0.12   0.14   0.2
  硅溶胶   56.95   64.78   64.5   70
  化学物质浓度(重量%)   2.8   3.0   2.2   2.4
  AFM   √   √   √   √
  成品率   √   √   √   √
  平整度数据   √   √   √   √
  掉量速率μm/min   0.96   0.9   1.09   1.25
表2  机械化学粗抛光溶液浓度及抛光条件
抛光条件   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4
  晶片承受的压力,g/cm2   72   80   72   68
  抛光溶液流量,升/小时   80   100   90   120
  转速(rpm)   41   38   35   43

Claims (9)

1.一种用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液,除水以外,包括二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶。
2.权利要求1的机械化学粗抛光溶液,除水以外,按重量百分比计,包括二氯代异氰尿酸盐8.0-22.0%、磺酸盐0.01-0.30%、焦磷酸盐4.5-16.0%、碳酸氢盐3.0-13.0%和硅溶胶55.0-72.0%,各组分含量总和为100%。
3.权利要求2的机械化学粗抛光溶液,除水之外,按重量百分比计,包括二氯代异氰尿酸盐10.0-20.0%、磺酸盐0.05-0.30%、焦磷酸盐8.0-15.0%、碳酸氢盐4.5-11.0%和硅溶胶56.0-69.0%。
4.权利要求3的机械化学粗抛光溶液,除水之外,按重量百分比计,包括二氯代异氰尿酸盐12.0-18.0%、磺酸盐0.08-0.50%、焦磷酸盐9.0-13.0%、碳酸氢盐8.0-10.0%和硅溶胶58.0-68.0%。
5.权利要求1的机械化学粗抛光溶液,按溶液总量计,机械化学粗抛光溶液中二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐、碳酸氢盐和硅溶胶重量百分比总和不高于3.0%。
6.权利要求1~5之一的机械化学粗抛光溶液,其中二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐和碳酸氢盐为它们各自的水溶性碱金属盐或铵盐之一。
7.权利要求6的机械化学粗抛光溶液,其中二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐和碳酸氢盐为它们各自的钠盐或铵盐。
8.权利要求7的机械化学粗抛光溶液,其中二氯代异氰尿酸盐、磺酸盐、焦磷酸盐和碳酸氢盐为它们各自的钠盐。
9.一种用于GaAs晶片的机械化学粗抛光方法,包括在机械化学粗抛光设备中,在权利要求1~8之一的用于GaAs晶片的机械化学粗抛光溶液存在下,对GaAs晶片实施机械化学粗抛光。
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