CN105269450A - 氧化镓衬底的超精密加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了氧化镓衬底的超精密加工方法，属于半导体原件加工技术领域，包括如下步骤：1)切片；将氧化镓晶体切片，获得氧化镓晶体衬底基片毛坯；2)研磨；3)抛光；粗抛光：使用丝绸作为抛光垫，对研磨后的氧化镓晶体衬底进行粗抛光，得到粗抛光后的氧化镓晶体衬底；精抛光：使用丝绸作为抛光垫，对粗抛光后的氧化镓晶体衬底进行精抛光，得到精抛光后的氧化镓晶体衬底；其中，抛光助剂为金刚石抛光膏；4)清洗；本发明具备以下优点：(1)绿色加工，环境友好：本发明的使用的抛光膏和丝绸都属于绿色无污染的耗材，丝毫不会对环境产生任何压力；(2)低成本加工：本发明的方法使用的耗材属于低成本物资；(3)简化加工步骤。

Description

氧化镓衬底的超精密加工方法
发明领域
本发明属于半导体原件加工技术领域，具体涉及氧化镓衬底的超精密加工方法。
背景技术
与作为新一代功率半导体材料推进开发的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)相比，氧化镓(β-Ga2O3)有望以低成本制造出高耐压、低损耗的功率半导体元件，而引起了极大关注。2013年1月，日本信息通信研究机构等几家科研单位合作开发出全球首支氧化镓晶体管，更是引起了人们对氧化镓单晶研究的高度关注。氧化镓单晶生长的技术是近几年来才兴起的研究热点，2013年日本并木精密宝石株式会社、中科院上海光机所和中科院上海硅酸盐研究所，2014年日本田村制作所和山东大学等科研机构纷纷提出了各自的生长氧化镓单晶的专利。目前，由于大多科研机构对氧化镓单晶的生长研究还是处于摸索发展阶段，同期获得的氧化镓单晶无论是成品质量、成品尺寸规格或成品产量上都存在极大的挑战，氧化镓衬底基片的超精密加工技术并不成熟。
现有技术中，蓝宝石(三氧化二铝)晶体和氧化镓晶体属于同族元素的氧化物晶体材料，在物理化学性质上不尽相同，不同之处在于，氧化镓的硬度低于蓝宝石，并且氧化镓具有极强的解理属性。对于硬脆易解理的氧化镓晶体而言，其超精密加工工艺方案的选择必然和蓝宝石的加工工艺截然不同。传统的蓝宝石加工工艺中存在诸多有待改进的地方，比如双面研磨工艺方面，碳化硼研磨液、油性金刚石研磨液等辅料的使用会造成不小的环境污染，环保压力较大；锡盘或铜盘的属于耗材使用成本较高。此外，因为蓝宝石没有解理性，所以传统工艺没有考虑到晶体材料会解理的问题，可以预见到将传统工艺直接应用于氧化镓晶体的加工结果肯定不行。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供氧化镓衬底的超精密加工方法，完全可以实现氧化镓衬底的超紧密加工制备，环境友好，成本低。
氧化镓衬底的超精密加工方法，包括如下步骤：
1)切片
将氧化镓晶体切片，获得氧化镓晶体衬底基片毛坯，并将氧化镓晶体衬底基片毛坯使用蜡粘附在承载盘之上，氧化镓晶体衬底基片毛坯沿承载盘圆周均布，等待研磨和抛光；
2)研磨
使用砂纸作为研磨垫，研磨助剂为去离子水，对氧化镓晶体衬底基片毛坯进行粗研磨，得到研磨后的氧化镓晶体衬底；
3)抛光
粗抛光：使用丝绸作为抛光垫，对研磨后的氧化镓晶体衬底进行粗抛光，得到粗抛光后的氧化镓晶体衬底；
精抛光：使用丝绸作为抛光垫，对粗抛光后的氧化镓晶体衬底进行精抛光，得到精抛光后的氧化镓晶体衬底；
4)清洗
将精抛光后的氧化镓晶体衬底加工后清洗封装。
步骤2)中，研磨负荷为1～25g/cm2，研磨转速为50～200转/分钟，研磨时间为5～30min。
步骤3)的粗抛光中，抛光助剂为粒径为W1.5的金刚石抛光膏，添加去离子水作为中间媒介，抛光负荷为50～150g/cm2，抛光转速为50～200转/分钟，抛光时间为120～240min。
步骤3)的精抛光中，抛光助剂为粒径为W0.5的金刚石抛光膏，添加去离子水作为中间媒介，抛光负荷为50～150g/cm2，抛光转速为50～200转/分钟，抛光时间120～240min。
所述的抛光膏每30min添加0.2g，首次用量加倍。
有益效果：与传统的加工方法相比，本发明的氧化镓衬底的超精密加工方法，具备以下优点：
(1)绿色加工，环境友好：本发明的使用的抛光膏和丝绸都属于绿色无污染的耗材，丝毫不会对环境产生任何压力；而传统方法使用的加工耗材，不论是碳化硼还是油性金刚石研磨液，或者说化学机械抛光液而言都会带来相当的环境压力，后处理成本极高；
(2)低成本加工：本发明的方法使用的耗材属于低成本物资，传统方法中使用昂贵的耗材，如金刚石研磨液、纯铜或纯锡研磨盘、抛光液和抛光垫等，使得整个晶体的加工成本降低显著；
(3)简化加工步骤：本发明方法将化学机械抛光工艺进行了简化，避免了由于传统方法中更复杂加工工艺的出现而导致晶体材料加工难度和加工成本的攀升。
附图说明
图1是传统蓝宝石超精密加工的工艺流程图；
图2是本发明氧化镓衬底的超精密加工方法的工艺流程图；
图3是加工后晶面的显微图；
图4是加工后晶面的表面粗糙度图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1是传统蓝宝石超精密加工的工艺流程图，图2是本发明氧化镓衬底的超精密加工方法的工艺流程图。
磨料的粒度等级划分表示方法：粒度号“W”，粒径尺寸单位“微米”；磨料粒径随“W”后数值的增加而变大，比如W0.5代表磨料粒径分布在小于0.5微米范围内，W1.5代表磨料粒径分布范围在0.5～1.5微米之间。此外，粒度号还可以用“目”表示，磨料粒径随“目”前数值的增加而变小，在不同国家、不同行业的筛网规格有不同的标准，因此“目”的含义也难以统一。国际上比较常用等效体积颗粒的计算直径来表示粒径，比如3000目表示粒径约为5微米，5000目表示2.7微米。
氧化镓衬底的超精密加工试验：
(1)试验准备
使用设备为四轴研抛机；将经过切片后待抛光的氧化镓衬底毛坯使用蜡黏附于承载盘上；准备好超细砂纸，比如粒径为3000或5000目的水性砂纸，并配制好粒径为W1.5和W0.5的金刚石抛光膏；准备好丝绸；检测等待加工的氧化镓衬底表面形貌数据作为后期对比参考数据；
(2)试验过程
第一步，使用粒径为3000目的砂纸作为研磨的研磨垫，使用去离子水作为润滑剂，将氧化镓衬底毛坯压在砂纸上进行研磨，去除切割产生的划痕或者经过其他方式进行粗加工后残留的表面痕迹和表面损伤等；其中，研磨助剂为去离子水，添加去离子水作为润滑剂，保持砂纸湿润，对氧化镓晶体进行粗研磨，快速实现晶体表面划痕以及表面损伤层的去除，研磨负荷为1～25g/cm2，研磨转速为50～200转/分钟，研磨时间为5～30min；
第二步，使用W1.5的金刚石抛光膏均匀涂抹在抛光垫之上，抛光垫为丝绸材质，将第一步处理后氧化镓衬底的压在抛光垫之上进行加工，去除大的解理凹坑，实现粗糙度的快速大幅降低；其中，抛光助剂为粒径为W1.5的金刚石抛光膏，抛光膏每30min添加0.2g，首次用量加倍；添加去离子水作为中间媒介，抛光负荷为50～150g/cm2，抛光转速为50～200转/分钟，抛光时间为120～240min；
第三步，使用W0.5的金刚石抛光膏均匀涂抹在抛光垫之上，抛光垫为丝绸材质，将第二步处理后氧化镓衬底，压在抛光垫之上进行加工，去除小的解理凹坑，实现衬底表面的抛光；其中，抛光助剂为粒径为W0.5的金刚石抛光膏，抛光膏每30min添加0.2g，首次用量加倍；添加去离子水作为中间媒介，抛光负荷为50～150g/cm2，抛光转速为50～200转/分钟，抛光时间120～240min；
(3)试验结果
当试验过程中，第一步的压力取值为20g/cm2，转速设置为60转/分钟，加工时间为15分钟；第二步压力取值为60g/cm2，转速设置为100转/分钟，加工时间为180分钟；第三步取值为60g/cm2，转速设置为100转/分钟，加工时间为180分钟，得到图3是加工后晶面的显微图，使用KEYENCE的3D显微镜检测通过上述两种不同方案加工后的晶面，检测区域为150微米×100微米；其中，图3(a)是传统蓝宝石超精密加工后晶面的显微图；图3(b)是本发明氧化镓衬底的超精密加工方法加工后晶面的显微图。使用本发明的方法加工氧化镓衬底后，晶体表面质量实现了本质上的提升，晶体表面粗糙度Ra由296nm降低到6nm，关键是解决了氧化镓解理现象对抛光的严重影响，实现了氧化镓衬底的顺利抛光。
发明人通过以上试验步骤，变换加工参数取值，加工步骤后的氧化镓晶体表面使用KEYENCE的3D显微镜检测后，取样面积为10微米×10微米，粗糙度数值Ra最小达到4nm。
图4是加工后晶面的表面粗糙度图，其中，方案一为传统蓝宝石超精密加工方案，试验结果对应图3(a)；方案二为本发明氧化镓衬底的超精密加工方法，试验结果对应图3(b)。试验结果表明，方案二完全可以实现氧化镓衬底的超紧密加工制备，然而方案一在研磨阶段就由于晶面的大面积解理而导致衬底的加工失败。

Claims (5)

1.氧化镓衬底的超精密加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)切片
将氧化镓晶体切片，获得氧化镓晶体衬底基片毛坯；
2)研磨
使用砂纸作为研磨垫，研磨助剂为去离子水，对氧化镓晶体衬底基片毛坯进行粗研磨，得到研磨后的氧化镓晶体衬底；
3)抛光
粗抛光：使用丝绸作为抛光垫，对研磨后的氧化镓晶体衬底进行粗抛光，得到粗抛光后的氧化镓晶体衬底；
精抛光：使用丝绸作为抛光垫，对粗抛光后的氧化镓晶体衬底进行精抛光，得到精抛光后的氧化镓晶体衬底；
其中，抛光助剂为金刚石抛光膏；
4)清洗
将精抛光后的氧化镓晶体衬底加工后清洗封装。
2.根据权利要求1所述的氧化镓衬底的超精密加工方法，其特征在于：步骤2)中，研磨负荷为1～25g/cm2，研磨转速为50～200转/分钟，研磨时间为5～30min。
3.根据权利要求1所述的氧化镓衬底的超精密加工方法，其特征在于：步骤3)的粗抛光中，抛光助剂为粒径为W1.5的金刚石抛光膏，添加去离子水作为中间媒介，抛光负荷为50～150g/cm2，抛光转速为50～200转/分钟，抛光时间为120～240min。
4.根据权利要求1所述的氧化镓衬底的超精密加工方法，其特征在于：步骤3)的精抛光中，抛光助剂为粒径为W0.5的金刚石抛光膏，添加去离子水作为中间媒介，抛光负荷为50～150g/cm2，抛光转速为50～200转/分钟，抛光时间120～240min。
5.根据权利要求3或4所述的氧化镓衬底的超精密加工方法，其特征在于：所述的抛光膏每30min添加0.2g，首次用量加倍。
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