CN104385116A - 一种SiC半导体材料的抛光方法 - Google Patents

一种SiC半导体材料的抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种SiC半导体材料的抛光方法，针对SiC半导体材料的C面和Si面特性的不同，分别采用不同的方法对其C面和Si面进行抛光，其主要包括以下步骤：1）对C面进行抛光；2）对Si面进行抛光；3）清洗。本发明提供了一种碳化硅材料去除速率快、获取高品质表面、能够降低生产成本的SiC半导体材料的抛光方法，其具有如下的有益效果：SiC材料Si面去除率达到10纳米每小时到800纳米每小时，去除速度提高了2倍到8倍；C面去除率达到30纳米每小时到2500纳米每小时，去除速度提高了1.1倍到5倍；加工后所得到的SiC半导体材料表面品质高。本发明抛光方法流程简单，成本较低，效率高，具有很高的适用性和经济效益。

Description

一种SiC半导体材料的抛光方法
技术领域
本发明涉及半导体材料表面加工技术领域，具体涉及一种SiC半导体材料的抛光方法。
背景技术
作为新一代功率半导体材料，碳化硅(SiC)材料具有良好的热传导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优异性能，因此由SiC材料制作的电子器件，可在高温、高辐射等极端环境下运作，可以充分实现电子器件的小型化、高效、节能的目标，在未来低碳环保型社会构建过程中，拥有巨大的应用和市场前景。
但是，由于SiC材料的高硬度以及化学物理特性非常稳定等特点，在SiC材料的超精密加工中，所采用的化学机械研磨(CMP)方法，很难快速有效的进行基板减薄，材料去除等加工。目前通常采用的手法，一般是采取粗抛，精抛多道工序的手法来保证加工效率和加工表面品质。然而目前的粗抛工艺几乎大部分是采用纳米级金刚石抛光液来进行抛光，虽然效率很高，但金刚石颗粒价格昂贵，并且非常容易在SiC材料表面造成划伤，而精抛过程中的材料去除量很小，又很难将伤痕去除，所以对半导体加工后期工程的配线以及外延生长等会造成巨大影响，从而增加了SiC器件的产业化的推广难度。中国专利CN1836842A大直径高硬度6H-SiC单晶片的表面抛光方法和中国专利CN101966689A一种大直径4H-SiC碳面的表面抛光方法中分别介绍了采用碱性抛光液对硅面的抛光方法和采用酸性抛光液对碳面的抛光方法，虽然取得了较好的效果，但其仍然存在碳化硅晶片表面损伤缺陷,材料去除速率慢，仍需进行多道工序操作，其侧重点主要在于介绍碱性和酸性抛光液及其应用。
目前针对碳化硅加工，提出的解决方法和手段，都是笼统地总结为针对碳化硅基板进行抛光加工，但是由于碳化硅材料制备生长的特点，其本身就具备碳(C)面(000-1方向)和硅(Si)面(0001方向)两个特性差异极大的表面，所以需要针对芯片设计的不同需要，对基板两个面分别进行抛光研究，提出针对性的抛光方法，同时要改善抛光剂中研磨颗粒的选用，尽量避免使用价格昂贵并且容易造成表面划痕的纳米金刚石颗粒。在保证表面品质的基础上，尽可能的提高加工速率，减少加工工序，达到节约资源，降低成本的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅材料去除速率快、获取高品质表面、能够降低生产成本的SiC半导体材料的抛光方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种SiC半导体材料的抛光方法，针对SiC半导体材料的C面和Si面特性的不同，分别采用不同的方法对其C面和Si面进行抛光，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm-1μm的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体配制成pH值为1-5的抛光液；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入气体，使其压力在0Pa-1MPa范围内；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm-5μm的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体配制成pH值为8-12的抛光液；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入气体，使其压力在0Pa-1MPa范围内；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗
将上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
所述的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体按如下重量百分比混合：
所述的研磨颗粒为二氧化硅、二氧化铈、三氧化二铝、二氧化锰中的一种以上。
所述的氧化剂为过氧化氢、高锰酸盐、高碘酸盐、高氯酸盐中的一种以上。
所述的液体载体为去离子水。
所述步骤1)中的pH采用磷酸或盐酸进行调节。
所述步骤2)中的pH采用氢氧化钠或氢氧化钾进行调节。
所述的气体为空气、氧气、氮气、氩气中的一种以上气体。
本发明采用以上技术方案，针对SiC半导体材料的C面和Si面特性的不同，分别采用不同的方法对其C面和Si面进行抛光，具有如下的有益效果：
1、采用本发明的抛光方法，SiC材料Si面去除率达到10纳米每小时到800纳米每小时，与现有技术相比，去除速度提高了2倍到8倍。
2、采用本发明的抛光方法，SiC材料C面去除率达到30纳米每小时到2500纳米每小时，与现有技术相比，去除速度提高了1.1倍到5倍。
3、采用本发明的抛光方法进行抛光后，用光干涉显微镜对加工后的材料表面进行检测，其表面粗糙度值平均在0.8nm左右，所得到的SiC半导体材料表面品质高。
4、本发明抛光方法流程简单，成本较低，效率高。
5、本发明不受抛光设备的限制，只需增加可对抛光液简易加压的设备，即可适用于符合半导体材料加工要求的任何其他抛光设备。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
一种SiC半导体材料的抛光方法，针对SiC半导体材料的C面和Si面特性的不同，分别采用不同的方法对其C面和Si面进行抛光，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm-1μm的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体配制成pH值为1-5的抛光液；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入气体，使其压力在0Pa-1MPa范围内；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm-5μm的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体配制成pH值为8-12的抛光液；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入气体，使其压力在0Pa-1MPa范围内；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗
将上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料表面上的残留粒子和沾污物。
所述的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体按如下重量百分比混合：
所述的研磨颗粒为二氧化硅、二氧化铈、三氧化二铝、二氧化锰中的一种以上。
所述的氧化剂为过氧化氢、高锰酸盐、高碘酸盐、高氯酸盐中的一种以上。
所述的液体载体为去离子水。
所述步骤1)中的pH采用磷酸或盐酸进行调节。
所述步骤2)中的pH采用氢氧化钠或氢氧化钾进行调节。
所述的气体为空气、氧气、氮气、氩气中的一种以上气体。
实施例1
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm的二氧化硅研磨颗粒、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为20％：0.04％：0.04％和余量去离子水配制成抛光液，用盐酸调节抛光液的pH值为5；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料加工盘上；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm的二氧化硅研磨颗粒、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为40％：0.01％：0.02％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钾调节抛光液的pH值为11；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的加工盘上；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
实施例2
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为100nm的二氧化硅研磨颗粒、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为10％：0.05％：0.05％和余量去离子水配制成抛光液，用盐酸调节抛光液的pH值为3；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为0.3MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为200nm的二氧化硅研磨颗粒、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为10％：0.05％：0.05％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钾调节抛光液的pH值为12；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为0.3MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
实施例3
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为80nm的二氧化硅研磨颗粒、高锰酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为10％：0.02％：0.05％：0.05％和余量去离子水配制成抛光液，用盐酸调节抛光液的pH值为3；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为0.3MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为200nm的二氧化硅研磨颗粒、高锰酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为15％：0.05％：0.05％：0.05％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钾调节抛光液的pH值为12；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为0.3MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
实施例4
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为1μm的二氧化铈研磨颗粒、高锰酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为5％：0.05％：0.03％：0.03％和余量去离子水配制成抛光液，用磷酸调节抛光液的pH值为4；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入空气使其压力为0.7MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为3μm的二氧化铈研磨颗粒、高锰酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为10％：0.02％：0.05％：0.05％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钠调节抛光液的pH值为10；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入空气使其压力为0.7MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
实施例5
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为500nm的二氧化铈研磨颗粒、过氧化氢、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为10％：0.1％：0.05％：0.05％和余量去离子水配制成抛光液，用磷酸调节抛光液的pH值为2；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为0Pa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为5μm的二氧化铈研磨颗粒、过氧化氢、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为20％：0.1％：0.04％：0.04％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钾调节抛光液的pH值为11；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为0Pa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
实施例6
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为400nm的二氧化锰研磨颗粒、高锰酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为10％：0.01％：0.02％：0.02％和余量去离子水配制成抛光液，用盐酸调节抛光液的pH值为1；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氩气使其压力为0.1MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为800nm的二氧化锰研磨颗粒、高锰酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为5％：0.005％：0.01％：0.01％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钾调节抛光液的pH值为8；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氩气使其压力为0.1MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
实施例7
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为200nm的三氧化二铝研磨颗粒、高氯酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为10％：0.005％：0.01％：0.01％和余量去离子水配制成抛光液，用盐酸调节抛光液的pH值为3；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入体积比为氮气：氧气＝7：1的混合气体使其压力为0.7MPa
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为800nm的三氧化二铝研磨颗粒、高氯酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为30％：0.005％：0.03％：0.03％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钠调节抛光液的pH值为9；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入体积比为氮气：氧气＝7：1的混合气体使其压力为0.7MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
实施例8
一种SiC半导体材料的抛光方法，其包括以下步骤：
1)对C面进行抛光：
a.将平均粒径为800nm的二氧化锰研磨颗粒、高碘酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为15％：0.01％：0.02％：0.02％和余量去离子水配制成抛光液，用盐酸调节抛光液的pH值为4；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为1MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2)对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为1μm的二氧化锰研磨颗粒、高碘酸钾、表面活性剂、离子分散剂按重量百分比为20％：0.1％：0.04％：0.04％和余量去离子水配制成抛光液，用氢氧化钾调节抛光液的pH值为10；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入氧气使其压力为1MPa；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3)清洗：对上述步骤1)、2)抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
采用以上实施例1-8的抛光方法对SiC材料进行抛光作为实验组，采用现有的常规技术对SiC半导体材料进行抛光作为对照组，记录实验组与对照组的SiC半导体材料的C面和Si的去除速率，采用光干涉显微镜观察抛光后的SiC材料表面粗糙程度，其实验结果如下表1所示：
表1
从上表1中可以看出，抛光加工过程中，环境中气体的压力、研磨颗粒、氧化剂等对SiC材料的C面和Si面的去除速率有显著的影响，其中，对于C面高压氧气的作用最为突出，而对于Si面高压空气的作用更大，锰系列抛光液和铈系列抛光液的性能基本一致，优于二氧化硅和三氧化铝抛光液的性能，能够实现快速加工的要求，并且抛光液在制备方面造价低廉，废液后期处理方面也有较成熟的技术，避免对环境的污染。并且，相对金刚石抛光液，价格低廉，不会在SiC基板表面造成划伤，加工后表面具有较高品质，与现有技术相比较，本发明具有显著的进步和突出的实质性效果。

Claims (8)

1.一种SiC半导体材料的抛光方法，分别采用不同的方法对SiC半导体材料的C面和Si面进行抛光，其特征在于：其包括以下步骤：
1）对C面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm-1μm的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体配制成pH值为1-5的抛光液；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入气体，使其压力在0Pa-1MPa范围内；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的C面进行抛光；
2）对Si面进行抛光：
a.将平均粒径为50nm-5μm的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体配制成pH值为8-12的抛光液；
b.将上述的抛光液滴加到承载SiC半导体材料的密闭装置中，通入气体，使其压力在0Pa-1MPa范围内；
c.选择温度为25-28℃，抛光盘转速为80-120rpm；
d.开启研磨机对SiC半导体材料的Si面进行抛光；
3）清洗
将上述步骤1）、2）抛光后的SiC半导体材料进行清洗，以去除SiC半导体材料两表面上的残留粒子和沾污物。
2.根据权利要求1所述的一种SiC半导体材料的抛光方法，其特征在于：所述的研磨颗粒、氧化剂、表面活性剂、离子分散剂和液体载体按如下重量百分比混合：
研磨颗粒          5-40%；
氧化剂            0.005-0.1%；
表面活性剂        0.01-0.05%；
离子分散剂        0.01-0.05%；
液体载体          余量。
3.根据权利要求1或2所述的一种SiC半导体材料的抛光方法，其特征在于：所述的研磨颗粒为二氧化硅、二氧化铈、三氧化二铝、二氧化锰中的一种以上。
4.根据权利要求1或2所述的一种SiC半导体材料的抛光方法，其特征在于：所述的氧化剂为过氧化氢、高锰酸盐、高碘酸盐、高氯酸盐中的一种以上。
5.根据权利要求1或2所述的一种SiC半导体材料的抛光方法，其特征在于：所述的液体载体为去离子水。
6.根据权利要求1所述的一种SiC半导体材料的抛光方法，其特征在于：所述步骤1）中的pH值采用磷酸或盐酸进行调节。
7.根据权利要求1所述的一种SiC半导体材料的抛光方法，其特征在于：所述步骤2）中的pH值采用氢氧化钠或氢氧化钾进行调节。
8.根据权利要求1所述的一种SiC半导体材料的抛光方法，其特征在于：所述的气体为空气、氧气、氮气、氩气中的一种以上气体。
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