CN106601607A - 激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其中，所述激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法至少包括如下步骤：S1，采用激光对所述氮化镓晶体的表面进行照射修饰；S2，在化学腐蚀与机械研磨的作用下对照射修饰后的所述氮化镓晶体进行抛光和表面平坦化。本发明通过激光辅助的方式对氮化镓晶体进行CMP之前的表面处理，克服了氮化镓晶体研磨过程耗时久和易碎的技术瓶颈，减小了物料消耗，提高了研磨效率，降低了氮化镓晶体的损伤程度，可以显著提高研磨效率和良率。

Description

激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法。

背景技术

制备晶圆片的最后一步是化学机械平坦化(CMP，Chemical MechanicalPlanarization，又叫化学机械抛光)它的目标是高平整度的光滑表面。平整度是晶圆片最主要的参数之一，主要因为光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。晶圆片平整度是指在通过晶圆片的直线上的厚度变化，它是通过晶圆片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。对于一个晶圆片来说，如果它被完全平坦地放置，参考面在理论上就是绝对平坦的背面，比如利用真空压力把它拉到一个清洁平坦的面上。平整度可以规定为晶圆片上一个特定点周围的局部平整度，也可以规定为整体平整度，它是在晶圆片背面的固定质量面积上整个晶圆片的平整度。固定质量面积不包括晶圆片表面周边的无用区域。测量大面积的平整度要比小面积难控制得多。随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小，对于晶片表面平整度的要求越来越高，且需要从加工性能和速度上同时满足晶圆片图形加工的要求。机械抛光过程可以大致分为四个部分：CMP之前的表面处理，粗抛光，细抛光和精抛光。CMP之前的表面处理目的为降低翘曲率，减少表面受损层，减少表面粗糙度等，还有对其进行倒角加工，减少裂片、崩碎的可能性以及提高良率。粗抛光主要是大幅度减薄晶圆片的受损层，表面粗糙度降低到100nm以下。细抛光主要是控制表面粗糙度，达到10nm以下，降低缺陷密度，并对表面进行平坦化。精抛光是最后的抛光步骤，可以对晶圆片进行定点平坦化和抛光，实现高质量和高精度的晶圆片。

无论是消费电子产品、通讯硬体、电动车(EV)或家用电器，工程师正面对严格的要求，必须提升电源转换效能、提高功率密度水准、延长电池使用时间以及加快开关速度。这一切皆意味着电子产业将会变得越来越依赖于新型的功率半导体，采用不再以硅(Si)为基础的制程技术。随着容量可能达到前所未有的性能基准，氮化镓(GaN)正成为一项新兴的制程技术，影响电力电子系统设计的未来发展。在任何电源系统设计中，某种程度的电源转换损耗是肯定的，但由于宽频间隙，GaN明显比硅表现出更低的损耗，这也意味着更好的电源转换效能。因为GaN晶圆片可比等效的硅晶圆片更小，使用此技术的元件可被置于尺寸更小的封装规格中。由于其高流动性，GaN在用于要求快速开关的电路中效能极高。而且，提高的开关速度也有助于节省空间，因为电源电路所含被动元件可以更少，配套的磁性元件中使用的线圈可以更小。此外，GaN提供的更高的电源转换效能意味着更少的散热量，缩小了需要分配给热管理的空间。由于GaN具有一些和硅有所区别的关键功能，令它特别适合功率应用。然而，到目前为止，GaN作为一个功率元件材料的进展缓慢。其中一个技术瓶颈就是氮化镓晶体的CMP研磨过程耗时久和易碎。由于氮化镓晶体本身材料的缺陷密度较高，并且常为异质衬底上外延生长得来，其晶体内部残留大量的应力，宏观表现为晶圆片较大的翘曲度，通常而言超过200微米，从而使研磨难度较高，研磨效率低，研磨物料消耗大，制程时间过长；且在研磨过程中，氮化镓晶体内部快速释放的大量应力难以控制，会导致氮化镓晶体的损伤程度较大，碎裂的可能性也大大增加，从而降低了氮化镓晶体生产的良率。

因此，如何突破氮化镓晶体研磨过程耗时久和易碎的技术瓶颈，减小物料消耗、提高研磨效率并降低氮化镓晶体的损伤程度，提高氮化镓晶体生产的良率，是亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，不仅可以用于解决现有技术中氮化镓晶体研磨过程耗时久和易碎的问题，并且也适用于对氮化镓晶块的化学机械抛光。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其中，所述激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法至少包括如下步骤：

S1，采用激光对所述氮化镓晶体的表面进行照射修饰；

S2，在化学腐蚀与机械研磨的作用下对照射修饰后的所述氮化镓晶体进行抛光和表面平坦化。

优选地，所述步骤S2至少包括如下步骤：

S21，在照射修饰后的所述氮化镓晶体表面增设压力缓冲材料，在所述压力缓冲材料上进行图形设计和/或结构设计；

S22，将所述氮化镓晶体表面通过压力缓冲材料固定于CMP设备的研磨载体上，对其进行化学机械研磨；

S23，在所述氮化镓晶体完成化学机械研磨后，对其进行化学和/或物理清洗，将所述压力缓冲材料去除。

优选地，所述步骤S21中，在所述压力缓冲材料与所述CMP设备的研磨平台的接触面上进行的结构设计为沟道设计。

优选地，在所述压力缓冲材料上进行沟道设计时，所述沟道的深度到达所述氮化镓晶体的表面。

优选地，所述步骤S21中，在所述压力缓冲材料上进行的图形设计为图形的重复性组合设计、图形的非重复性组合设计、相同概念下不同尺寸图形的组合设计和/或以上图形的组合设计。

优选地，在所述压力缓冲材料上进行的图形设计为根据所述氮化镓晶体在所述研磨载体上的投影形状设计而成，其中，所述氮化镓晶体在所述研磨载体上的投影形状为圆形、椭圆形、三角形、多边形和/或不规则图形，根据其设计的沟道图形设计为同心形状组合、棋格形状、三角形状、同心圆形状、中心放射线形状和不规则形状中的一种或几种。

优选地，所述步骤S1至少包括如下步骤：

S11，将所述氮化镓晶体的任一表面向上固定于激光载台上，采用所述激光对该表面的选定区域进行照射；

S12，对所述氮化镓晶体被照射过的表面进行清洗；

S13，将所述氮化镓晶体未被照射过的表面向上固定于激光载台上，采用所述激光对该未被照射过的表面的选定区域进行照射；

S14，重复步骤S12～步骤S13直到所述氮化镓晶体的所有表面均被激光照射。

优选地，所述氮化镓晶体为单晶片和/或晶块；在所述氮化镓晶体为单晶片时，采用所述激光先照射所述氮化镓晶体的凹面一侧，再照射所述氮化镓晶体的凸面一侧，且所述激光照射从每一面的边缘区域开始；在所述氮化镓晶体为晶块时，采用所述激光照射所述氮化镓晶体各表面的整个平面。

优选地，在所述氮化镓晶体为单晶片时，采用所述激光从每一面的边缘向中心逐步照射，激光烧蚀深度由边缘向中心逐步增加，所述激光在所述氮化镓晶体上的照射点的重复率在50％以上，能量密度在400mJ/cm2以上，完成激光照射修饰后的氮化镓晶体的任意一点厚度不超过或少于平均厚度的50％；在所述氮化镓晶体为晶块时，选取面积最大的平面进行激光照射，以逐渐扩大该平面的面积，使该平面在所述研磨平台上的投影可以覆盖所述氮化镓晶体在所述研磨平台上的投影。

优选地，所述激光为由激光器产生的光量子波长能量值超过氮化镓材料禁带宽度，以使所述氮化镓材料分解的深紫外线激光。

如上所述，本发明的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，具有以下有益效果：本发明通过激光辅助的方式对氮化镓晶体进行CMP之前的表面处理，克服了氮化镓晶体研磨过程耗时久和易碎的技术瓶颈，减小了物料消耗，提高了研磨效率，降低了氮化镓晶体的损伤程度，可以显著提高研磨效率和良率。

附图说明

图1显示为本发明第一实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法示意图。

图2显示为本发明第一实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法中压力缓冲材料包裹住氮化镓晶体的凹面和凸面的结构示意图。

图3显示为本发明第一实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法中在压力缓冲材料上形成棋格结构的沟道的结构示意图。

图4显示为本发明第一实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法中CMP设备的示意图。

图5(a)～图5(f)显示为本发明第一实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法中可以在压力缓冲材料2上进行的图形设计和/或结构设计，依次为非同心圆与同心圆组合、同心结构组合、同心六边形组合、同心椭圆结构、同心圆与同心六边形组合、以及中心放射线与同心圆组合。

图6(a)显示为本发明第一实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法中具有同心结构的压力缓冲材料在不规则投影形状的氮化镓晶体上的示意图。

图6(b)显示为本发明第一实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法中具有同心圆组合的压力缓冲材料在六边形投影形状的氮化镓晶体上的示意图。

图7显示为本发明第二实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法中氮化镓晶体为六棱台形状的示意图。

元件标号说明

S1～S2 步骤

1 氮化镓晶体

2 压力缓冲材料

21 沟道

3 研磨载体

4 研磨平台

5 研磨垫

6 研磨液

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-图4，本发明的第一实施方式涉及一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施方式的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法至少包括如下步骤：

S1，采用激光对氮化镓晶体的表面进行照射修饰(scanning modification)。

S2，在化学腐蚀与机械研磨的作用下对照射修饰后的氮化镓晶体进行抛光和表面平坦化。

请继续参阅图2～图4，在本实施方式中，步骤S2至少包括如下步骤：

S21，在照射修饰后的氮化镓晶体1表面增设压力缓冲材料2，在压力缓冲材料2上进行图形设计和/或结构设计。

S22，将氮化镓晶体表面通过压力缓冲材料固定于CMP设备的研磨载体3上，对其进行化学机械研磨。

S23，在氮化镓晶体1完成化学机械研磨后，对其进行化学和/或物理清洗，将压力缓冲材料2去除。

步骤S21中，在压力缓冲材料2与CMP设备的研磨平台的接触面上进行的结构设计为沟道设计。在压力缓冲材料2上进行沟道设计时，沟道21的深度到达氮化镓晶体1的表面。

并且，步骤S21中，在压力缓冲材料上进行的图形设计为图形的重复性组合设计、图形的非重复性组合设计、相同概念下不同尺寸图形的组合设计和/或以上图形的组合设计。在压力缓冲材料上进行的图形设计为根据氮化镓晶体在研磨载体上的投影形状设计而成，其中，氮化镓晶体在研磨载体上的投影形状为圆形、椭圆形、三角形、多边形和/或不规则图形，根据其设计的沟道图形设计为同心形状组合、棋格形状、三角形状、同心圆形状、中心放射线形状和不规则形状中的一种或几种。

在本实施方式中，氮化镓晶体为单晶片，在对氮化镓晶体表面进行激光照射和化学机械抛光处理之前，氮化镓晶体的表面通常是不平整的，其中一个表面是凹面，另一个表面是凸面。

因此，本实施方式的步骤S21中，在照射修饰后的氮化镓晶体1表面增设压力缓冲材料2时，需要先将压力缓冲材料2涂覆在照射修饰后的氮化镓晶体1的凹面一侧，使用金属模具在压力缓冲材料2上进行图形设计和/或结构设计，沟道深度达到氮化镓晶体表面，沟道截面为矩形，使用加热设备加热氮化镓晶体，固化压力缓冲材料2。然后将压力缓冲材料2涂敷在照射修饰后的氮化镓晶体1的凸面一侧，使用金属模具在压力缓冲材料2上进行图形设计和/或结构设计，沟道深度达到氮化镓晶体表面，沟道截面为矩形，使用加热设备加热氮化镓晶体1，固化压力缓冲材料2，冷却后，使用工业蜡将该面固定于研磨载台3上，如图4所示。需要说明的是，压力缓冲材料2包裹住氮化镓晶体1的凹面和凸面形成圆柱形结构，如图2所示，其剖面为矩形，且覆盖于氮化镓晶体1凹面一侧的压力缓冲材料2的边缘部分的厚度略高于氮化镓晶体1的凹面外缘，覆盖于氮化镓晶体1凸面一侧的压力缓冲材料2的中心部分的厚度略高于氮化镓晶体1的凸面中心。

同时，本实施方式的步骤S21中，在压力缓冲材料2上进行图形设计和/或结构设计时，由于氮化镓晶体1的凹面和凸面均需要进行研磨，覆盖于氮化镓晶体1的凹面一侧和凸面一侧的压力缓冲材料2均需要与CMP设备的研磨平台4(主要是研磨垫5)接触，因此在后续氮化镓晶体1的研磨过程中，研磨速率取决于压力缓释材料2的研磨速率，压力缓冲材料2上的图形设计和/或结构设计可以吸收研磨产生的生成物，优化研磨效果，另外也有助于应力释放，防止氮化镓晶体的破裂。在本实施方式中，如图3所示，在压力缓冲材料2上进行的结构设计为沟道设计，沟道为纵横交错的棋格结构，图3中相互垂直的横线和纵线为沟道21，空白区域为压力缓冲材料2。除此之外，在压力缓冲材料2上进行的图形设计和/或结构设计，也可以为如图5(a)～图5(f)所示的非同心圆与同心圆组合、同心结构组合、同心六边形组合、同心椭圆结构、同心圆与同心六边形组合、或者中心放射线与同心圆组合等，当然还可以为其他形状和结构，并不限于本实施方式所示出的形状和结构。如图6(a)所示为具有同心结构的压力缓冲材料2在不规则投影形状的氮化镓晶体上的示意图，如图6(b)所示为具有同心圆组合的压力缓冲材料2在六边形投影形状的氮化镓晶体上的示意图。

另外，本实施方式的步骤S22中，将氮化镓晶体1通过包裹其的压力缓冲材料2安装于CMP设备的研磨载体3上，然后对照射修饰后的氮化镓晶体1依次进行粗抛光、细抛光和精抛光；其中，根据研磨抛光区域温度的变化以及氮化镓晶体的形状和翘曲度的变化，对研磨载体3施加给氮化镓晶体1的压力、研磨载体3的转速以及研磨液6进行相应调整。

如图4所示为CMP设备的基本组成，主要包括研磨载体3、研磨平台4和位于研磨平台4上的研磨垫5。其中，氮化镓晶体1通过压力缓冲材料2连接在研磨载体3上，将氮化镓晶体1安装在研磨载体3上时，根据需要可以选择先研磨氮化镓晶体1的凹面一侧或者凸面一侧，将需要研磨的一侧方向向下安装。研磨液6喷洒在研磨垫5上，研磨载体3提供一定的下压力，使氮化镓晶体1压在研磨液6和研磨垫5上，然后通过研磨载体3和研磨平台4相反方向的转动以及调节研磨液6的PH值以及研磨区域的温度等参数来实现对照射修饰后的氮化镓晶体1的研磨和抛光。研磨垫5一般为聚氨酯材料，能够保证压力均匀并适合氮化镓晶体1表面。一般而言，随着氮化镓晶体1表面粗糙度的降低，研磨液6的PH值也要随之降低，研磨液6的研磨颗粒尺寸也要相应降低，施加的下压力先逐步升高而后逐步降低，调节的参数包括压强、温度、转速、研磨液用量和PH值以及抛光垫5的选择等。

本实施方式的步骤S23中，由于压力缓冲材料2优选方便去除的材料，例如聚环氧树脂、聚铣亚胺等材料，在抛光结束后，采用化学溶剂清洗或者物理剥离的方法可以快速便捷地去除压力缓冲材料2。值得一提的是，现有技术中晶圆片与研磨载体的连接方式有压敏胶连接、工业蜡连接等，一方面不容易去除，另一方面，这些材料很难进行图形或者结构设计，最重要的是这些材料对于氮化镓晶体的研磨起不到任何有益效果。而本实施方式中，在对氮化镓晶体进行照射修饰降低了翘曲度之后，在研磨载体和氮化镓晶体之间引入压力缓冲材料，一方面可以减少施加的压力对氮化镓晶体的损伤，另一方面可以为氮化镓晶体提供宽容度(在研磨抛光过程中，氮化镓晶体的应力会持续释放，并且研磨抛光区域的温度也会变化，氮化镓晶体的形状和翘曲度会有变化，所以要求施加的压力、转速、研磨液等据此有相应的调整，而压力缓冲材料会在保证研磨抛光参数一定的情况下，允许氮化镓晶体出现微量形变，而这种形变又不会造成氮化镓晶体受力不均)。

此外，本实施方式的特别之处在于，对于压力缓冲材料，不仅仅是将其简单地与样品进行连接，而是在压力缓冲材料上进行图形或者结构设计。在化学机械研磨过程中，氮化镓晶体和化学研磨液反应所产生的生成物需要及时地从反应区排除，并且尽量使其对研磨液的影响降低，减少团聚现象。而在压力缓冲材料上进行结构设计，一方面可以为氮化镓与研磨液反应所生成的反应物提供存储空间，另一方面，合理的中心放射线结构也有助于将生成物快速排除反应区，提高研磨效率，晶体研磨质量。此外，根据氮化镓晶体的几何形状，在压力缓冲材料上进行图形设计，例如同心圆结构，加之相应的结构设计，可以有效地吸收氮化镓晶体释放的应力，调整同心圆之间的距离，可以提高沟道对氮化镓与研磨液反应生成物的储存转移速度。而将图形和结构设计结合在一起，可以有效提高对氮化镓晶体的研磨效率。

在本实施方式中，步骤S1至少包括如下步骤：

S11，将氮化镓晶体的任一表面向上固定于激光载台上，采用激光对该表面的选定区域进行照射。

S12，对氮化镓晶体被照射过的表面进行清洗。

S13，将氮化镓晶体未被照射过的表面向上固定于激光载台上，采用激光对该未被照射过的表面的选定区域进行照射。

S14，重复步骤S12～步骤S13直到氮化镓晶体的所有表面均被激光照射。

由于本实施方式中的氮化镓晶体为单晶片，在进行上述步骤S11～步骤S13时，采用激光先照射氮化镓晶体的凹面一侧，再照射氮化镓晶体的凸面一侧，且激光照射从每一面的边缘区域开始。作为一个更优的方案，采用激光从每一面的边缘向中心逐步照射，激光烧蚀深度由边缘向中心逐步增加，激光在氮化镓晶体上的照射点的重复率在50％以上，能量密度在400mJ/cm2以上，完成激光照射修饰后的氮化镓晶体的任意一点厚度不超过或少于平均厚度的50％。具体地说：

首先，测量氮化镓晶体翘曲度W0(微米)后，将氮化镓晶体的凸面一侧向下放置于激光载台上，此时激光载台表面具有100℃～300℃，优选200℃的高温；利用单晶片的凸面与激光载台之间的负压固定氮化镓晶体；同时保证氮化镓晶体的水平度。然后，采用激光以螺旋路径对氮化镓晶体凹面一侧的边缘区域进行扫描，烧蚀厚度在1微米到2微米，激光束重复率为50％以上。接着，扫描后取下样品，使用化学溶液(例如50℃4mol/l的氯化氢溶液)对氮化镓晶体进行清洗，而后用蒸馏水对其清洗并进行氮气干燥。最后，再次测量氮化镓晶体凸面的翘曲度W1(微米)，如果翘曲度W1(微米)达到(W0-200)/2，则重复以上步骤对氮化镓晶体的凸面进行激光扫描，否则重复以上步骤直至翘曲度符合(W0-200)/2。对于氮化镓晶体表面的一些凸起、颗粒等，利用激光对它们所在的区域进行选择性烧蚀，提高氮化镓晶体表面质量。

其中，保证氮化镓晶体的水平度的方法为使氮化镓晶体的任意一条直径均与水平面平行。值得一提的是，采用激光照射氮化镓晶体可以有效降低翘曲，基于后续CMP设备以及各种参数综合考量，氮化镓晶体的翘曲能够从毫米级别降低到微米级别；在本实施方式中，较佳地，通过多次激光照射，氮化镓晶体的凹面一侧的翘曲可以降低为200μm以下。此外，在采用激光对氮化镓晶体凹面一侧照射时，还可以采用激光从氮化镓晶体凹面一侧的边缘向中心逐步照射，激光烧蚀深度由边缘向中心逐步增加。

并且，在本实施方式中，采用化学溶液对照射后氮化镓晶体的表面进行清洗时，由于氮化镓吸收激光后会发生分解，成为金属镓和氮气，金属镓可以和化学溶液反应，采用化学溶液可以去除氮化镓晶体表面被激光分解出的金属镓，从而实现对氮化镓晶体表面的清洗，以及对氮化镓晶体表面的刻蚀，释放其内部应力。化学溶液的浓度高低将直接影响氮化镓晶体表面的清洗时间，浓度越高，清洗效率越高。在本实施方式中，化学溶液可以为酸性溶液或碱性溶液，酸性溶液可以采用稀盐酸或稀硫酸，碱性溶液可以采用氢氧化钾溶液。当然，在其他的实施方式中，也可以采用其他化学溶液，只要能够实现对氮化镓晶体被照射过的表面进行清洗即可。

需要说明的是，对氮化镓晶体的凸面进行激光扫描的步骤与上述对对氮化镓晶体的凹面进行激光扫描的步骤大致相同，区别之处在于：对氮化镓晶体的凸面进行激光扫描时，采用激光以螺旋路径对氮化镓晶体凸面一侧的中心区域进行扫描。值得一提的是，采用激光照射氮化镓晶体可以有效降低翘曲，基于后续CMP设备以及各种参数综合考量，氮化镓晶体的翘曲能够从毫米级别降低到微米级别；在本实施方式中，较佳地，通过多次激光照射，氮化镓晶体的凸面一侧的翘曲可以降低为200μm以下。此外，在采用激光对氮化镓晶体凸面一侧照射时，可以采用激光从氮化镓晶体凸面一侧的中心向边缘逐步照射，激光烧蚀深度由中心向边缘逐步减小。

在结束激光照射后，本实施方式的方法还包括将氮化镓晶体的表面进行等离子体清洗。然后就可以在化学腐蚀与机械研磨的作用下对照射修饰后的氮化镓晶体进行抛光和表面平坦化。

需要说明的是，对于异质衬底生长的氮化镓外延片而言，由于晶格匹配缺失，外延生长的氮化镓晶体常常具有较高的位错密度，异质衬底和氮化镓的晶格失配较高，氮化镓晶体内部的应力无法完全释放，对其进行退火后，仍然存在较大的翘曲度(高于200微米)。在本实施方式中，以蓝宝石衬底为例，蓝宝石的晶格常数是12.99A(c面)，而氮化镓的晶格常数是5.12A(c面)。在蓝宝石上生长出来的氮化镓就会向蓝宝石方向翘曲，由此造成凹凸两面。得到氮化镓晶体后(凹面为氮化镓与异质衬底接触面)，在晶圆片的中心区域，还残留大量的应力，可以达到GPa级别。为了释放氮化镓晶体内部的应力，本实施方式中，首先对氮化镓晶体凹面进行激光照射，减少厚度，释放应力，使用化学溶液(例如稀盐酸或者氢氧化钾溶液)对被照射后的氮化镓晶体表面进行清洗，而后对氮化镓晶体凸面进行激光照射。在照射中心区域的时候，由于应力残留较多，所以激光的能量密度相比边缘区域降低，被烧蚀的氮化镓相对就少，这样有助于在减少碎片的条件下进行翘曲度的减少。

在本实施方式中，所采用的激光的光量子能量大于或等于氮化镓的禁带宽度(约3.5eV)，其照射氮化镓晶体后会使氮化镓晶体分解生成氮气和金属镓，通常采用激光器来产生这种激光，其波长在157nm～357nm之间，属于冷激光，无热效应，可以产生较高的脉冲频率(皮秒级别)。一般而言，激光的能量密度是服从高斯分布的，所以为了保证能量密度较为均匀，激光束的直径应在微米-毫米级别，照射大面积的氮化镓晶体只能选择扫描的方式。在本实施方式中，优选地，激光为采用准分子激光器产生的光量子波长能量值超过氮化镓材料禁带宽度的深紫外激光，其波长在220nm～248nm、能量密度在400mJ/cm2以上，激光每次照射烧蚀氮化镓晶体的厚度为1μm～2μm，激光在氮化镓晶体上的照射点的重复率在50％以上(激光在氮化镓晶体表面上的投影为圆形或者为椭圆形光斑，重复率是指每一个光斑与其任意一个相邻的光斑重合部分占光斑面积的百分比，重合率在50％以上，能够保证激光照射的均匀性)，且激光照射氮化镓晶体每一面的中心区域时所采用的激光能量密度低于激光照射氮化镓晶体每一面的边缘区域所采用的激光能量密度。

本实施方式优选采用准分子激光器产生的248nm波长的深紫外激光在氮化镓表面进行烧蚀(即照射修饰)。较佳地，在激光照射氮化镓晶体每一面的边缘区域时，激光的能量密度为500mJ/cm2，每一次照射烧蚀的厚度为2μm，激光在氮化镓晶体上的照射点的重复率为60％；在激光照射氮化镓晶体每一面的中心区域时，激光的能量密度为400mJ/cm2，每一次照射烧蚀的厚度为1μm，激光在氮化镓晶体上的照射点的重复率为50％。由于氮化镓晶体中心区域的应力大于边缘区域的应力，为了减少碎片的可能性，氮化镓晶体中心区域的应力需要缓慢释放，而氮化镓晶体边缘区域的应力则可以相对较快释放，因此激光照射氮化镓晶体每一面的中心区域所采用的激光能量密度需要低于激光照射氮化镓晶体每一面的边缘区域所采用的激光能量密度，且每一次照射烧蚀氮化镓晶体中心区域的厚度需要小于照射烧蚀氮化镓晶体边缘区域的厚度。

由上可见，本实施方式的步骤S1实际上是对氮化镓晶体的CMP之前的表面处理，通过激光辅助的方式，每烧蚀掉氮化镓晶体的一层晶格，就会释放一定的应力，降低翘曲率，提高良率。本实施方式的步骤S1的优势在于：(1)区域取向。相比较于传统化学方法处理，使用激光可以实现快速可控高精度手术刀式的表面修饰，实现研磨前的形状及表面粗糙度的要求。(2)适合翘曲较大的氮化镓晶体的处理。由于氮化镓材料的缺陷密度较大，并且常为异质衬底上外延生长得来，其晶体内部残留大量的应力，尤其在中心区域。使用激光辅助的方式可以缓慢释放氮化镓晶体的应力(可以是全局性，也可以是局部)，从而降低翘曲度。相比较于传统热处理退火的方法，它的效果更加明显(退火处理的氮化镓晶体的翘曲改变量很小，通常在5％以下，当然，这也与退火时间有关)，减少制程时间，降低研磨抛光中碎裂的可能性，极大地提高了良率，同时降低了研磨抛光难度以及氮化镓晶体的质量要求，相较于现有技术，研磨时间至少缩短了一半，同时减少了研磨损耗层和研磨液的消耗，节约成本。

本发明的第二实施方式涉及一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，先对氮化镓晶体的凹面一侧进行照射修饰，再对氮化镓晶体的凸面一侧进行照射修饰。而在本发明第二实施方式中，先对氮化镓晶体的凸面一侧进行照射修饰，再对氮化镓晶体的凹面一侧进行照射修饰。除此之外，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

需要说明的是，关于氮化镓晶体凸面和凹面的照射顺序，可以根据需要进行选择。同样的，氮化镓晶体的照射位置也可以根据需要进行选择，可以选择中心区域、边缘区域，也可以选择局部指定区域(局部指定区域可以为人为指定的需要激光照射修饰的某些氮化镓晶体表面的局部位置，例如凸起、颗粒等)特定照射，也可以多处区域分别照射。由于氮化镓晶体每一面的中心区域比边缘区域应力更大，为较少激光烧灼时间、提高研磨效率，优选方案为激光从每一面的边缘向中心逐步照射，激光烧蚀深度由边缘向中心逐步增加。

本发明的第三实施方式涉及一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法。第三实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：

在第一实施方式中，氮化镓晶体为单晶片，步骤S1中只需对氮化镓晶体的凹面和凸面进行激光照射。而在本实施方式中，氮化镓晶体为晶块(bulk)，相应的步骤S1中，采用激光照射氮化镓晶体各表面的整个平面，直到氮化镓晶体的所有表面均被激光照射。作为一个优选的方案，选取氮化镓晶体中面积最大的平面进行激光照射，以逐渐扩大该平面的面积，使该平面在研磨平台上的投影可以覆盖氮化镓晶体在研磨平台上的投影。以如图7所示的六棱台形状的氮化镓晶块为例，先选择其中面积最大的平面进行激光照射，以逐渐扩大该平面的面积，使该平面在研磨平台上的投影可以覆盖氮化镓晶体在研磨平台上的投影，然后将该平面作为基底，并以此基底为标准，对其他平面进行激光照射。由图7可见，此基底与其相对的平面并不平行，使用激光烧蚀该相对平面至与此基底平行，实线六边形与虚线六边形之间的部分是被激光烧蚀去除的；若该相对平面与此基底的平面夹角超过45°，则对其进行切除；若该相对平面与此基底的平面夹角小于45°，则选择激光照射步骤后进行切除。当完成以上步骤后，在氮化镓晶块的基底及相对平面表面制造缓冲材料层，根据晶块的形状，可以选择设计缓冲材料层为图5(f)所示的同心正六边形与中心放射线组合的形状及结构。

除此之外，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

综上所述，本发明通过激光辅助的方式对氮化镓晶体进行CMP之前的表面处理，克服了氮化镓晶体研磨过程耗时久和易碎的技术瓶颈，减小了物料消耗，提高了研磨效率，降低了氮化镓晶体的损伤程度，可以显著提高研磨效率和良率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，所述激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法至少包括如下步骤：

S1，采用激光对所述氮化镓晶体的表面进行照射修饰；

S2，在化学腐蚀与机械研磨的作用下对照射修饰后的所述氮化镓晶体进行抛光和表面平坦化。

2.根据权利要求1所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，所述步骤S2至少包括如下步骤：

S21，在照射修饰后的所述氮化镓晶体表面增设压力缓冲材料，在所述压力缓冲材料上进行图形设计和/或结构设计；

S22，将所述氮化镓晶体表面通过压力缓冲材料固定于CMP设备的研磨载体上，对其进行化学机械研磨；

S23，在所述氮化镓晶体完成化学机械研磨后，对其进行化学和/或物理清洗，将所述压力缓冲材料去除。

3.根据权利要求2所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，所述步骤S21中，在所述压力缓冲材料与所述CMP设备的研磨平台的接触面上进行的结构设计为沟道设计。

4.根据权利要求3所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，在所述压力缓冲材料上进行沟道设计时，所述沟道的深度到达所述氮化镓晶体的表面。

5.根据权利要求2所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，所述步骤S21中，在所述压力缓冲材料上进行的图形设计为图形的重复性组合设计、图形的非重复性组合设计、相同概念下不同尺寸图形的组合设计和/或以上图形的组合设计。

6.根据权利要求5所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，在所述压力缓冲材料上进行的图形设计为根据所述氮化镓晶体在所述研磨载体上的投影形状设计而成，其中，所述氮化镓晶体在所述研磨载体上的投影形状为圆形、椭圆形、三角形、多边形和/或不规则图形，根据其设计的沟道图形设计为同心形状组合、棋格形状、三角形状、同心圆形状、中心放射线形状和不规则形状中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，所述步骤S1至少包括如下步骤：

S11，将所述氮化镓晶体的任一表面向上固定于激光载台上，采用所述激光对该表面的选定区域进行照射；

S12，对所述氮化镓晶体被照射过的表面进行清洗；

S13，将所述氮化镓晶体未被照射过的表面向上固定于激光载台上，采用所述激光对该未被照射过的表面的选定区域进行照射；

S14，重复步骤S12～步骤S13直到所述氮化镓晶体的所有表面均被激光照射。

8.根据权利要求7所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，所述氮化镓晶体为单晶片和/或晶块；在所述氮化镓晶体为单晶片时，采用所述激光先照射所述氮化镓晶体的凹面一侧，再照射所述氮化镓晶体的凸面一侧，且所述激光照射从每一面的边缘区域开始；在所述氮化镓晶体为晶块时，采用所述激光照射所述氮化镓晶体各表面的整个平面。

9.根据权利要求8所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，在所述氮化镓晶体为单晶片时，采用所述激光从每一面的边缘向中心逐步照射，激光烧蚀深度由边缘向中心逐步增加，所述激光在所述氮化镓晶体上的照射点的重复率在50％以上，能量密度在400mJ/cm2以上，完成激光照射修饰后的氮化镓晶体的任意一点厚度不超过或少于平均厚度的50％；在所述氮化镓晶体为晶块时，选取面积最大的平面进行激光照射，以逐渐扩大该平面的面积，使该平面在所述研磨平台上的投影可以覆盖所述氮化镓晶体在所述研磨平台上的投影。

10.根据权利要求7～9任一项所述的激光辅助氮化镓晶体化学机械抛光方法，其特征在于，所述激光为由激光器产生的光量子波长能量值超过氮化镓材料禁带宽度，以使所述氮化镓材料分解的深紫外线激光。