CN104804649B - 一种用于氮化镓的抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于氮化镓的抛光液，该抛光液包含混合型氧化硅、氧化剂、腐蚀剂、抛光促进剂、稳定剂、抛光平衡剂和水，所述腐蚀剂为无机酸类，所述抛光促进剂为催化剂，所述稳定剂为带羟基或氨基的一元或多元酸及其盐，所述抛光平衡剂为芳基磺酸类，所述抛光液的pH值为0.5～5。本发明提供的抛光液主要适用于半导体照明LED芯片、功率器件等制造中的氮化镓超精表面抛光，具有抛光去除速率高、抛光稳定性好的特点，经其抛光后的氮化镓表面超光滑，无划痕、凹坑等表面缺陷，表面粗糙度小于0.1 nm，呈现出清晰规整的原子台阶形貌。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明LED芯片、功率器件等光电子、微电子制造技术领域，特别涉及一种用于氮化镓的超精抛光液。
背景技术
氮化镓，由于具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、抗辐射能力强、电子饱和漂移速度高、介电常数小、优良的化学稳定性和机械性能等物化特性，在光照明、光显示、光存储、光探测等光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域具有广阔的应用前景，被誉为是未来最重要的半导体材料。氮化镓基器件，不仅在民用方面得到大量应用，拥有巨大的市场潜力，而且在军事领域也有重大的应用前景，受到各国的极大重视。
通常，氮化镓基器件主要异质外延在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底，由于衬底与外延层存在着晶格、热膨胀匹配不佳的问题，会在外延层之间产生高应力和高缺陷密度，导致器件性能下降。如若使用同质氮化镓衬底，将大幅降低外延层缺陷密度，延长器件的使用寿命。因此，高质量氮化镓同质外延衬底的制备是高性能器件的关键所在。通常，氮化镓外延衬底是通过氢化物气相外延（HVPE）、氨热法等方法来生长制备的。但上述方法获得的氮化镓表面存在大量表面起伏、V型坑等问题，无法直接使用，需要对氮化镓单晶表面进行抛光加工。故GaN衬底表面的加工质量直接影响着所制备器件的性能。
然而，氮化镓单晶是坚硬的高熔点材料，且化学性质极稳定、电离度高，所以非常难以加工，生产效率低、加工成本高。因此，氮化镓衬底抛光技术是制约其相关器件制造技术发展的瓶颈问题之一。
由于氮化镓单晶的各向异性，氮化镓晶片被分为镓面和氮面；据研究报道，镓面更适合用于外延衬底和器件制造，但是镓面比氮面更难以加工去除。近年来，国内外学者对氮化镓抛光方面展开了一些研究工作。日本H. Aida等在《Journal of The ElectrochemicalSociety》（2011年158期H1206-H1212页）上报道的硅溶胶抛光液对氮化镓抛光后，表面粗糙度Ra达到0.1nm，但是去除速率不到20nm/h。K. Asghar等在《ECS Journal of Solid StateScience and Technology》（2014年3期P277-P284页）上报道的含KMnO4的SiO2抛光液氮化镓去除速率达到39nm/h，表面粗糙度RMS小于0.1nm。S. Hayashi等在《Journal of TheElectrochemical Society》（2008年155期H113-H116页）上报道的Al2O3抛光液氮化镓去除速率为50nm/h，但表面粗糙度Ra高达 0.5-0.6nm。
因此，针对氮化镓这种超硬、超稳定、难加工的新型材料，我们亟待寻求一种更好平衡化学与机械作用的抛光组合物，使氮化镓晶片抛光速率提高，同时抛光后表面质量更好，表面缺陷更少、表面粗糙度更小，以满足下一代电子器件制造的更高需求。
发明内容
本发明针对现有技术中氮化镓所面临的抛光去除速率低及表面质量不佳的技术瓶颈进行研究，发明一种用于氮化镓的抛光液。
本发明一种用于氮化镓的抛光液，其特征在于：该抛光液包含混合型氧化硅、氧化剂、腐蚀剂、抛光促进剂、稳定剂、抛光平衡剂和水，所述腐蚀剂为无机酸类，所述抛光促进剂为催化剂，所述稳定剂为带羟基或氨基的一元或多元酸及其盐，所述抛光平衡剂为芳基磺酸类，所述水为去离子水或蒸馏水，所述抛光液的pH值为0.5～5。所述混合型氧化硅由平均粒径0～50nm和60nm～150nm的氧化硅组成。
本发明一种用于氮化镓的抛光液，其特征在于，其各组分重量百分含量为：
混合型氧化硅 0.5～50 wt %
氧化剂 0.1～15 wt%
腐蚀剂 0.1～10 wt%
抛光促进剂 0.0001～5 wt%
稳定剂 0.01～10 wt%
抛光平衡剂为 0.05～5wt%
水 余量。
所述混合型氧化硅中平均粒径0～50nm和60nm～150nm的氧化硅的重量比为1:1～1:5。
所述氧化剂为次氯酸、次氯酸钠、次氯酸钾、次氯酸铵、高氯酸、高氯酸钠、高氯酸钾、次溴酸、次溴酸钠、高溴酸、高溴酸钠、次碘酸、次碘酸钠、碘酸、碘酸钠、碘酸钾、高碘酸、高碘酸钠、高碘酸钾、过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、硝酸铝、硝酸铁、过二硫酸、过二硫酸钠、过二硫酸铵、过乙酸或过苯甲酸中的一种或几种。
所述无机酸为盐酸、硝酸、磷酸、硫酸、氨基磺酸、次磷酸、亚磷酸或焦磷酸中的一种或几种。
所述催化剂为铁、镍、钛、铝、钴、钼、铜、金、银、钯、铂、钨、钽、钌、锡、钒、锰及其氧化物氧化铁、氧化镍、氧化钛、氧化铜、氧化锰、氧化镧、氧化钼及其碳、氧化铝、氧化硅、硅藻土和石墨烯负载型催化剂，以及其盐类氯化盐、溴化盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、高氯酸盐、高碘酸盐、酒石酸盐和醋酸盐中的一种或几种。
所述带羟基或氨基的一元或多元酸及其盐为乳酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸、乙醇酸、α-羟基异丁酸、甘油酸、葡糖酸、水杨酸、乙二胺四乙酸或五倍子酸及其盐中的一种或几种。
所述芳基磺酸为苯磺酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、2-甲酰基-1,4-苯二磺酸、4-羟基苯磺酸、3-氨基-4羟基苯磺酸中的一种或几种。
本发明提供的抛光液主要适用于半导体照明LED芯片衬底、功率器件制造中氮化镓超精表面抛光，经其抛光后的氮化镓表面超光滑，无划痕、凹坑等表面缺陷，AFM所测的表面粗糙度Ra可达到约0.06纳米，表面呈现原子台阶形貌；与此同时，具有抛光去除速率高、抛光性能稳定的特点，抛光去除速率可达到90纳米/小时以上，远高于目前报道。
附图说明
图1是经过本发明抛光液（实施例2）抛光氮化镓后的表面原子力显微镜（AFM）图，呈现出清晰规整的原子台阶形貌。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
一种用于氮化镓的超精抛光液，包含混合型氧化硅、氧化剂、腐蚀剂、抛光促进剂、稳定剂、抛光平衡剂和水。
将制备的抛光液用于氮化镓抛光，抛光条件如下：
抛光机：沈阳科晶1000S型单面抛光机；
被抛光的晶片：2英寸氮化镓厚膜片镓面；
抛光垫：SUBA；
抛光压力：400克/平方厘米；
工件转速：60转/分钟；
下盘转速：140转/分钟；
抛光液流量：70毫升/分钟
抛光时间：1小时
抛光后，对氮化镓表面进行洗涤和干燥，然后测量厚膜片的去除速率和表面质量。用高精度电子天平测量抛光前后晶片的重量差，将重量换算成去除厚度后与抛光时间的比值来求出去除速率；表面粗糙度Ra用原子力显微镜（AFM）测定。
实施例1～8及对比例1～4的抛光液及经其抛光氮化镓后的表面粗糙度及其去除速率如表1所示。
由表1的抛光效果可见，实施例1～8抛光液与比较例1～4相比较，氮化镓的抛光去除速率更高，抛光去除速率可达到90纳米/小时以上；与之同时，经其抛光后的氮化镓表面超光滑，无划痕、凹坑等表面缺陷，呈现出清晰规整的原子台阶形貌，AFM所测的表面粗糙度Ra可达到约0.06纳米。
比较例1抛光液中只含有一种粒径的氧化硅磨料时，较之实施例，表面质量变差，表面粗糙度更大。比较例2抛光液中无抛光促进剂催化剂时，晶片去除速率明显比较低。比较例3抛光液中无稳定剂时，去除速率整体有所下降，且表面质量下降。比较例4抛光液中无抛光平衡剂时，表面质量不佳。
采用本发明的抛光液进行氮化镓超精表面抛光，具有去除速率高、抛光性能稳定的特点；被抛光表面超光滑，表面无划痕、凹坑等缺陷，表面粗糙度Ra可达到约0.06纳米，呈现出规整的原子台阶形貌，可用于LED芯片、功率器件的制造工艺。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种用于氮化镓的抛光液，其特征在于：该抛光液包含混合型氧化硅、氧化剂、腐蚀剂、抛光促进剂、稳定剂、抛光平衡剂和水，所述腐蚀剂为无机酸类，所述抛光促进剂为催化剂，所述稳定剂为带羟基或氨基的一元或多元酸及其盐，所述抛光平衡剂为芳基磺酸类，所述水为去离子水或蒸馏水，所述抛光液的pH值为0.5～5；所述混合型氧化硅由平均粒径0～50nm和60nm～150nm的氧化硅组成，所述混合型氧化硅中平均粒径0～50nm和60nm～150nm的氧化硅的重量比为1:1～1:5；所述各组分重量百分含量为：
2.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述氧化剂为次氯酸、次氯酸钠、次氯酸钾、次氯酸铵、高氯酸、高氯酸钠、高氯酸钾、次溴酸、次溴酸钠、高溴酸、高溴酸钠、次碘酸、次碘酸钠、碘酸、碘酸钠、碘酸钾、高碘酸、高碘酸钠、高碘酸钾、过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、硝酸铝、硝酸铁、过二硫酸、过二硫酸钠、过二硫酸铵、过乙酸或过苯甲酸中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述无机酸为盐酸、硝酸、磷酸、硫酸、氨基磺酸、次磷酸、亚磷酸或焦磷酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述催化剂为铁、镍、钛、铝、钴、钼、铜、金、银、钯、铂、钨、钽、钌、锡、钒、锰及其氧化物氧化铁、氧化镍、氧化钛、氧化铜、氧化锰、氧化镧、氧化钼及其碳、氧化铝、氧化硅、硅藻土和石墨烯负载型催化剂，以及其盐类氯化盐、溴化盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、高氯酸盐、高碘酸盐、酒石酸盐和醋酸盐中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述带羟基或氨基的一元或多元酸及其盐为乳酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸、乙醇酸、α-羟基异丁酸、甘油酸、葡糖酸、水杨酸、乙二胺四乙酸或五倍子酸及其盐中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述芳基磺酸为苯磺酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、2-甲酰基-1,4-苯二磺酸、4-羟基苯磺酸、3-氨基-4羟基苯磺酸中的一种或几种。
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