CN106141900A - 一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法 - Google Patents

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Abstract

一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法。本发明提出一种高效率研磨GaN晶片的光电化学机械抛光方法。本发明，通过光照与外加电场作用,将GaN晶片的待抛光表面氧化形成氧化镓，氧化镓与抛光液中的氢氧根离子结合形成氢氧化镓钝化层，氧化镓与抛光液中的氢离子结合形成镓离子；在所述氢氧化镓钝化层和富含镓离子的抛光液的保护下，待抛光表面低凹部分的光照与氧化被有效抑制，而待抛光表面高凸部分，则受机械作用被刨除并露出新GaN表面，继续受光照被氧化致有选择性地被刨除。调控光照强度、电压值及施加在上托盘上的压力，使待抛光晶片表面的氧化速率与机械刨除速率实现匹配，从而提高GaN晶片的表面平整度与抛光效率，得到高质量的抛光GaN晶片。

Description

一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法
技术领域
本发明涉及半导体光电材料技术领域，更具体地说，涉及一种高效率研磨抛光GaN晶片的光电化学机械方法。
背景技术
氮化镓(GaN)由于其优异性能，可应用于制备高功率高频器件等其它特殊条件下工作的半导体器件而得到广泛研究与应用。GaN外延层的晶体质量是实现高性能GaN基器件的根本保障。而采用GaN单晶衬底实现同质外延是提高GaN外延层晶体质量与GaN基器件的主要途径。
GaN单晶衬底在外延前一般要经过研磨抛光等表面处理，以得到有利于晶体外延生长的晶面。GaN晶片的抛光方法主要采用化学机械抛光(CMP)，主要通过采用化学原料(抛光液)使待抛光表面化学改性，然后采用机械方法去除改性层，这种机械辅助抛光方法很容易造成表面的机械损伤，特别是针对GaN这种硬度大、高脆性材料，往往会留下表面划痕，很难得到高质量的抛光表面。中国专利CN101220244A与CN 104364331 A通过改进抛光液的成分与配比，提高了抛光GaN晶片的表面质量，但是，由于GaN的物理化学特性稳定，其抛光周期长效率较低。电化学机械抛光方法(中国专利CN103114323 A)，在电场的辅助作用下加快GaN表面的氧化腐蚀，能有效改善CMP的机械划痕提高抛光效果，但是，由于电场在待抛光表面各处的氧化腐蚀效果基本相同，阻碍了抛光效率的提高。
发明内容
本发明提出一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法，通过光照的引入，加快了抛光速率，提高了抛光GaN晶片的表面平整度。
本发明提出的光电化学机械抛光方法，是在电化学机械抛光工艺的基础上，创造性的引入光照工艺，将能量高于GaN半导体材料吸收阀值的光照射到GaN晶片的待抛光表面，从而产生电子和空穴，外加合适的电场，使光催化产生的电子向一定的方向移动，抑制电子—空穴的自发复合，实现光生电子—空穴的分离；被分离的Ga离子在GaN待抛光表面被氧化而形成氧化镓，氧化镓与抛光液中的氢离子结合形成镓离子，氧化镓与抛光液中的氢氧根离子结合形成氢氧化镓钝化层，即，通过光照及电化学过程，使待抛光GaN晶片的表面氧化形成钝化层，在氢氧化镓钝化层与富含镓离子的抛光液的保护下，GaN待抛光表面低凹部分的光照与氧化得到有效抑制；之后，通过机械研磨过程，选择性地刨除待抛光表面高凸部分的钝化层而露出新的GaN表面，继续被光照氧化；如此，先后反复通过所述的光照-电化学-机械抛光过程，实施有选择性地刨除待抛光GaN晶片表面的高凸部分，直至整个表面平整。通过调控光照强度、电压值及施加在上托盘上的压力，使待抛光晶片表面被氧化速率与机械刨除速率实现匹配，从而提高GaN晶片表面平整度与抛光效率，得到高质量的抛光GaN晶片。
本发明的一种高效率研磨抛光GaN晶片的装置，如图1、图2所示，其抛光系统包括：上托盘12、上转轴11、下抛光盘14、下转轴13、光源41、待抛光GaN晶片3、抛光液21；所述待抛光GaN晶片3，是固定在上托盘12上的，其待抛光表面与下抛光盘14间，可以是接触式或者半接触式；所述光源41(光照用)，可以安装在下抛光盘14外部或内嵌在下抛光盘14的抛光区域，其光线透射或直接照射到GaN晶片3的待抛光表面；也可以安装在下抛光盘14的轴中心，其光线从GaN晶片3的侧面入射；所述光源41，其激发光波的波长，可以是小于365nm的任何波长；其激发的光，可以是单一波长的光，也可以是两种或两种以上波长的复合光；其激发的光，可以是持续光，也可以是脉冲光；光源数目可以是一个，也可以是两个或两个以上。
本发明的优势：
1.采用光化学方法腐蚀GaN晶片表面，机械方法移除腐蚀层，这样有效保护与防止GaN晶片表面的机械划伤，提高抛光表面的平整度与粗糙度；
2.光照后在GaN晶片表面形成的钝化层与含镓离子抛光液，能有效阻挡光的照射与表面的进一步氧化，实现有选择的腐蚀与抛光，提高抛光效率。
附图说明
附图1是本发明的采用穿透下抛光盘光入射的GaN晶片光电化学机械抛光示意图；
附图2是本发明的采用水平光入射的GaN晶片光电化学机械抛光示意图；
附图标记说明：
11：上转轴，12：上托盘，13：下转轴，14：下抛光盘，21：抛光液，3：GaN晶片，41：光源。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述仅用于解释本发明的具体实施例，而并不限定本发明的权利要求范围。
实施例一：
如图1所示，上托盘12与电源正极相连，其转动通过上转轴11实现，下抛光盘14连接电源负极，其转动通过下转轴13实现。将清洗干燥后的GaN晶片3固定在抛光装置的上托盘12上，使GaN晶片3的待抛光表面与下抛光盘14的正面相向，处于接触或半接触状态；开启光源41，照射到GaN晶片3的待抛光表面；设置合适电压值开启电源使上托盘12、待抛光GaN晶片3、下抛光盘14形成电流回路；待抛光表面形成一定的氧化层后，喷射抛光液21，开启抛光装置的所有旋转程序，并在上托盘12上施加适宜的向下压力，去除待抛光GaN晶片3高凸表面部分的氧化层，露出新的GaN表面又被光照形成氧化层而后被机械去除，而待抛光GaN晶片3的低凹表面部分被氢氧化镓钝化层与含镓离子抛光液保护，光照不能进入GaN表面而抑制其氧化进程，这样，待抛光GaN晶片3的低凹表面部分与高凸表面部分的高度差越来越小，同时，调控光照强度、电压值、以及施加在上托盘12上的压力，使待抛光GaN晶片3的表面氧化速率与机械移除速率匹配，减少机械抛光对GaN晶片的机械损伤，得到高平整度的GaN抛光晶片。
实施例二：
如图2所示，上托盘12与电源正极相连，其转动通过上转轴11实现，下抛光盘14连接电源负极，其转动通过下转轴13实现。将清洗干燥后的GaN晶片3固定在抛光装置的上托盘12上，使GaN晶片3的待抛光表面与下抛光盘14的正面相向，处于半接触状态；开启光源41，照射到GaN晶片3的侧面与待抛光表面；设置合适电压值开启电源使上托盘12、待抛光GaN晶片3、下抛光盘14形成电流回路；待抛光表面形成一定的氧化层后，喷射抛光液21，开启抛光装置的所有旋转程序，并在上托盘12上施加适宜的向下压力，去除待抛光GaN晶片3高凸表面部分的氧化层，露出新的GaN表面又被光照形成氧化层而后被机械去除，而待抛光GaN晶片3的低凹表面部分，因被氢氧化镓钝化层与含镓离子抛光液保护，光照不能进入GaN表面而抑制其氧化进程，这样，待抛光GaN晶片3的低凹表面部分与高凸表面部分的高度差越来越小。同时，调控光照强度、电压值、以及施加在上托盘12上的压力，使待抛光GaN晶片3的表面氧化速率与机械移除速率匹配，减少机械抛光对GaN晶片的机械损伤，得到高平整度的GaN抛光晶片。

Claims (7)

1.一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法，其特征在于，其抛光系统包括：上托盘(12)、上转轴(11)、下抛光盘(14)、下转轴(13)、光源(41)、待抛光GaN晶片(3)、抛光液(21)；所述抛光方法，是在电化学机械抛光工艺中，创造性的引入光照工艺，即，先通过光照及电化学过程，使GaN晶片(3)的待抛光表面氧化形成钝化层；之后通过机械研磨过程，选择性刨除待抛光晶片表面高凸部分的钝化层而露出新的GaN表面；如此，先后反复通过所述光照-电化学-机械抛光过程，实施有选择性地刨除待抛光GaN晶片(3)的高凸部分，直至整个表面平整；在所述光照-电化学-机械抛光过程中，通过调控光照强度、电压值及施加在上托盘(12)上的压力，使待抛光晶片表面被氧化速率与机械刨除速率实现匹配，从而提高晶片表面平整度与抛光效率。
2.根据权利要求1所述一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法，其特征在于，所述待抛光GaN晶片(3)，是固定在上托盘(12)上的，其待抛光表面与下抛光盘(14)间，可以是接触式或者半接触式。
3.根据权利要求1所述一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法，其特征在于，所述光照用光源(41)，可以安装在下抛光盘(14)外部或者内嵌在下抛光盘(14)的抛光区域，其光线透射或直接照射到GaN晶片(3)上；也可以安装在下抛光盘(14)的轴中心，其光线从GaN晶片(3)的侧面入射。
4.根据权利要求1所述一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法，其中所述光源(41)，其特征在于，其激发光波的波长，可以是小于 365nm的任何波长。
5.根据权利要求1所述一种高效率的抛光GaN晶片的方法，其中所述光源(41)，其特征在于，其激发的光，可以是单一波长的光，也可以是两种或两种以上波长的复合光。
6.根据权利要求1所述一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法，其中所述光源(41)，其特征在于，其激发的光，可以是持续光，也可以是脉冲光。
7.根据权利要求1所述一种高效率研磨抛光GaN晶片的方法，其中所述的光源(41)，其特征在于，其数目可以是一个，也可以是两个或两个以上。
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