CN102543665A

CN102543665A - 砷化镓衬底改进的快速减薄方法

Info

Publication number: CN102543665A
Application number: CN2010105776947A
Authority: CN
Inventors: 汪宁; 陈中子; 陈晓娟; 刘新宇; 罗卫军; 庞磊
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: CN102543665B

Abstract

公开了一种砷化镓衬底改进的快速减薄方法。该方法基于在砷化镓衬底通过化学试剂进行砷化镓外延晶片的粘附，同时采用真空加压方法进行固定，再使用多层叠加结构来缓冲减薄时带来的损伤和减小尺寸失真，采用独特材质的软陶瓷研磨盘来实现高速精确的背面减薄，再配合使用混合氧化铝研磨浆液，达到小于60μm的厚度。在研磨结束以后，使用纳米抛光溶液进行CMP（化学机械抛光）工艺，达到衬底厚度小于50μm，公差小于±1μm，粗糙度Ra小于1nm的高镜面效果。抛光完后的衬底不龟裂，不卷曲，无划伤等效果。

Description

砷化镓衬底改进的快速减薄方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种砷化镓衬底改进的快速减薄方法。

背景技术

砷化镓(GaAs)是III-V族化合物半导体中最重要、用途最广泛的材料之一，它的禁带宽度大，电子迁移率高，介电常数小，能引入深能级杂质，电子有效质量小，能带结构特殊，具有双能谷导带，可以制备发光器件、半导体激光器、微波体效应器件、太阳能电池和高速集成电路等，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率，使得GaAs可以用在高于250GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会拥有较少的噪声。也因为GaAs有较高的崩溃电压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。因为这些特性，GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。GaAs曾用来做成Gunndiode(微波二极管或耿氏二极管)以发射微波。GaAs的的另一个优点：它是直接能隙的材料，所以可以用来发光，他的发光效率比锗等材料更高，不仅可以用来制作发光二极管，光探测器，还可以用来制作半导体激光器。在GaAs集成电路的制造中，减薄和抛光是重要的半导体工艺，但是由于砷化镓的硬度很低(摩氏硬度3)，和硅工艺比较来说，脆弱的物理机械性能使得其加工难度明显加大，特别在减薄工艺中，由于设备运行施放的附加重量和进给压强的影响，极易在减薄过程中造成晶片的碎裂，因此需要开发专用于GaAs的减薄工艺和抛光工艺。在砷化镓减薄工艺已经趋于成熟的同时，依然有很多工艺问题勘待解决。比如摩氏硬度大于4时砷化镓晶片减薄后容易造成表面应力的累计形成晶片卷曲，直接后果就是外延层的改变导致性能损失严重；还有就是金属磨盘极易对GaAs造成金属污染；固定GaAs的粘附剂不易去除等等，而在化学抛光里也很容易引入污染物等等。因此对各个工艺细节加以继续改进就变得尤其关键，这也是影响GaAs电路性能的关键。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种砷化镓衬底改进的快速减薄方法。

根据本发明的一个方面，提供一种砷化镓衬底改进的快速减薄方法包括：

步骤S1、将带有外延层和电路金属的砷化镓衬底表面涂覆PMMA光刻胶层；

步骤S2、采用高温将HMDS粘附剂喷涂于所述光刻胶层上；

步骤S3、在高温条件下将蓝宝石衬片通过钛酸酯性粘附剂粘附于所述砷化镓衬底的HMDS粘附剂上；

步骤S4、将附有蓝宝石衬片的砷化镓衬底置于真空条件下进行加压粘片；

步骤S5、将上述加压粘片后附有蓝宝石衬片的砷化镓衬底用石蜡将其粘附在陶瓷盘片上；

步骤S6、通过夹具将步骤S5处理后的粘附在陶瓷盘片上的砷化镓衬底进行减薄处理，待减薄厚度达到晶片衬底背面厚度时，将所述粘附在陶瓷盘片上的砷化镓衬底从夹具上取下；

步骤S7、将上述砷化镓衬底采用化学抛光浆液进行CMP化学抛光处理，处理后将衬底放入石蜡解离液中加热，使加压粘片的石蜡与陶瓷盘片分离；

步骤S8、将去除陶瓷盘片的砷化镓衬底置于高温洗剂中融化钛酸酯，使蓝宝石衬片和砷化镓衬底分离；

步骤S9、将上述处理后的砷化镓衬底用去胶液ZDMAC浸泡，使PMMA光刻胶脱离，清洗砷化镓衬底，即得处理后砷化镓衬底。

本发明基于在砷化镓衬底的正面外延了复杂的外延结构，并在外延结构上制作了大量刻蚀沟槽，电阻，电容，微带线，空气桥等立体空间结构的基础之上，通过化学试剂进行砷化镓外延晶片的粘附，同时采用真空加压方法进行固定，再使用多层叠加结构来缓冲减薄时带来的损伤和减小尺寸失真，采用独特材质的软陶瓷研磨盘来实现高速精确的背面减薄，再配合使用混合氧化铝研磨浆液，使衬底达到小于60μm的厚度。在研磨结束以后，使用纳米抛光溶液进行CMP(化学机械抛光)工艺，达到衬底厚度小于50μm，公差小于±1μm，粗糙度Ra小于1nm的高镜面效果。

附图说明

图1为本发明实施例砷化镓衬底改进的快速减薄方法的工艺流程图；

图2为本发明实施例提供的砷化镓衬底；

图3为本发明实施例提供的涂附PMMA光刻胶的砷化镓衬底；

图4为本发明实施例提供的涂附HMDS的砷化镓衬底；

图5为本发明实施例提供的涂附钛酸酯的砷化镓衬底；

图6为本发明实施例提供的带有蓝宝石衬片涂附HMDS的砷化镓衬底；

图7为本发明实施例提供的通过真空处理加压粘片的砷化镓衬底；

图8为本发明实施例提供的带有陶瓷盘片的砷化镓衬底；

图9为本发明实施例提供的减薄处理装置；

附图标记：1-砷化镓衬底、2-外延层、3-电路金属、4-PMMA光刻胶、5-HMDS、6-钛酸酯、7-蓝宝石衬片、8-石蜡、9-陶瓷盘片、10-夹具、11-研磨液、12-磨盘。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供的工艺流程，具体按如下步骤：

步骤S1、将带有外延层2和电路金属3的砷化镓衬底1(参见图2)表面涂覆厚2～6μm(实际也可以选取3，4，5，5.5μm)的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻胶层4(参见图3)，待用；

步骤S2、采用120～150℃(实际也可选取90℃、120℃、135℃)的高温将HMDS(六甲基二硅胺)5粘附剂喷涂于PMMA光刻胶层4上(参见图4)，喷涂于PMMA光刻胶层上的HMDS粘附剂形成的HMDS层厚度0.1～1μm(例如0.5μm，0.8μm)。

步骤S3、将粘附HMDS的砷化镓衬底置于130-150℃(例如，120℃，140℃)热板上通过钛酸酯性粘附剂6(参见图5)将蓝宝石衬片7粘附于其上(参见图6)，所述钛酸酯性粘附剂为主要成分为乙二醇钛酸酯的钛酸酯性粘附剂。

步骤S4、将附有蓝宝石衬片的砷化镓衬底放于真空加压黏片机内，进行加压粘片(参见图7)，真空加压黏片机的真空条件为真空度1.0×10^-1mbar～5.0×10^-1mbar，加压压力1～2bar，内部温度130℃～150℃；

步骤S5、将上述加压粘片后附有蓝宝石衬片的砷化镓衬底用塑性石蜡8粘附在陶瓷盘片上9(参见图8)，粘附温度65℃～80℃(例如70℃，75℃)；塑性石蜡为熔点为65℃，固体状态柔软，弹性很好的石英蜡。

步骤S6、通过夹具10将步骤S5处理后的粘附在陶瓷盘片上的砷化镓衬底固定于软陶瓷磨盘内，以40-80转/分钟(例如，60或70转/分钟)的磨盘12转速处理开始减薄，待减薄厚度达到晶片衬底背面减薄工艺需要的70～60μm厚度时，用去离子水反复冲洗步骤S5的粘附有砷化镓衬底的陶瓷盘片，使其在夹具上去除掉，而后再用去离子水配合中性清洗剂将从夹具上取下的粘附有砷化镓衬底的陶瓷盘片清洗干净(参见图9)；其中，离子水配合中性清洗剂中去离子水和中性清洗剂之间的用量体积比为1∶10。

减薄处理时的陶瓷磨盘内研磨液11为氧化铝水基成分，颗粒尺寸3-10μm。研磨液按重量百分比计，其组成包括5％-20％的氧化铝，0.1～2％的冷却剂，0.5～5％的分散剂余量为去离子水。软陶瓷磨盘带有射线型条纹沟槽，中性清洗剂为PH值在6.5～7.5之间的清洗剂，主要成分为有机醇的混合物，本实施例采用的有机醇的混合物是乙醇和异丙醇。冷却剂为主要成分是质量比3∶10～3∶4的氯化钾和硝酸钠的水溶液。分散剂为主要成分为乙二醇和氨水混合溶剂，陶瓷盘片为螺旋型或同心圆型的软陶瓷磨盘。

步骤S7、将上述砷化镓衬底采用化学抛光浆液进行CMP化学抛光处理，抛光处理时使用主要成分为聚氨基树脂和聚酰胺树脂的抛光布，处理后将衬底放入石蜡解离液中加热至100±5℃，将加压粘片的石蜡与陶瓷盘片分离。所述化学抛光浆液按重量百分比计，其组成包括1％的颗粒尺寸100-10nm的氧化铝微粉、2％的颗粒尺寸100-10nm硅胶、5％的次氯酸盐、0.002％的硅酸盐、0.15％的PH调节剂，余量去离子水；次氯酸盐为次氯酸钠。硅酸盐为硅酸钠或硅酸钾盐的水合物。PH调节剂采用氨水作碱性调节剂，冰乙酸和草酸作酸性调节剂。

步骤S8、将去除陶瓷盘片的砷化镓衬底置于140±10℃的高温洗剂中融化钛酸酯，使蓝宝石衬片和GaAs衬底分离；高温洗剂为可食用有机酯和去离子水的混合溶液；可食用有机酯为主要是乙酸类。

步骤S9、将上述处理后GaAs衬底用去胶液ZDMAC(ZEP类光刻胶专用去除溶液)浸泡15～25分钟，使PMMA光刻胶脱离，清洗GaAs衬底时用无水乙醇和去离子水交替清洗，清洗后用热氮气吹干，即得处理后GaAs衬底。

通过本发明采用的多层缓冲结构有效的保护了砷化镓衬底正面的复杂电路结构，在减薄过程中没有造成附加型变。而且利用缓冲结构中的粘附层的良好延展性和弹性降低了砷化镓的尺寸形变，并将纵向机械剪切力大大降低。使用陶瓷磨盘去除了金属污染，配合同材质的研磨液，使得减薄过程中的残留物不会形成二次损伤。在抛光过程中使用不同配比的混合纳米抛光液，利用不同物质颗粒硬度不同，粒径不同，分别去除不同程度的研磨划伤，实现了不同级别粗糙度表面一次性统一处理，制作出均匀的表面粗糙度的抛光镜面效果。采用高精度探针厚度测试仪和扫描电子显微镜进行测量(可用Vecco探针压力0.9mg的测试仪，日立4800扫描电子显微镜进行测量)，减薄工艺最终达到衬底厚度小于50μm，公差小于±1μm，粗糙度Ra小于1nm的高镜面效果。抛光完后的衬底不龟裂，不卷曲，无划伤，效果理想。整个减薄过程速度快，效率高，污染小，重复性高。本该发明适用于砷化镓以及磷化铟等摩氏硬度很小的半导体材料工艺。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种砷化镓衬底改进的快速减薄方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S2、采用高温将HMDS粘附剂喷涂于所述光刻胶层上；

步骤S6、通过减薄处理装置将步骤S5处理后的粘附在陶瓷盘片上的砷化镓衬底进行减薄处理，待减薄厚度达到晶片衬底背面厚度时，将所述粘附在陶瓷盘片上的砷化镓衬底从减薄处理装置上取下；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S1中PMMA光刻胶层涂覆厚度为2～6μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S2中光刻胶层上喷涂的HMDS粘附剂厚度为0.1～1μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S3中粘附蓝宝石衬片时，将粘附HMDS的砷化镓衬底置于130～150℃热板上，并通过钛酸酯性粘附剂将蓝宝石衬片粘附于热板上。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S4的真空条件为真空度1.0×10^-1mbar-5.0×10^-1mbar，加压压力1～2bar，内部温度130℃～150℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S5的粘附温度65℃～80℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S6减薄处理的研磨液按重量百分比计，其组成包括：5～20%的氧化铝，0.1～2%的冷却剂，0.5～5%的分散剂，余量为去离子水。

8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S6减薄处理时采用带有射线型、螺旋型或同心圆型条纹沟槽的软陶瓷磨盘，并以40—80转/分钟的磨盘转速处理。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S7所述化学抛光浆液按重量百分比计，其组成包括：1%～15%的氧化铝微粉、2%～40%的硅胶、5%～8%的次氯酸盐、0.002%～0.1%的硅酸盐、0.15%～2%的PH调节剂，余量去离子水。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S7处理后将衬底放入石蜡解离液中加热至100±5℃。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S8将去除陶瓷盘片的砷化镓衬底置于140±10℃的高温洗剂中。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S9将上述处理后砷化镓衬底用去胶液ZDMAC浸泡的时间为15～25分钟。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤S9中清洗砷化镓衬底时用无水乙醇和去离子水交替清洗，清洗后用热氮气吹干。