CN107953152A - 一种GaAs晶片的精密抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GaAs晶片的精密抛光方法，该方法首先制备一种CMP抛光液，然后采用此抛光液分两个阶段对GaAs晶片进行化学机械抛光，第一阶段使用聚氨酯抛光垫，第二阶段使用无纺布抛光垫。通过上述操作，可使晶片的表面粗糙度、表面平整度等表面精度指标得到进一步提高，表面粗糙度低于0.12nm，表面平整度不超过4μm，同时保证晶片在抛光过程中具有较高的去除速率。

Description

一种GaAs晶片的精密抛光方法

技术领域

本发明属于半导体加工的技术领域，具体涉及一种GaAs晶片的精密抛光方法。

背景技术

砷化镓(GaAs)是一种极其重要的第二代半导体材料，具有电子迁移率高、宽禁带、直接带隙、功率消耗低等特性，在微电子和光电子产业，尤其是国防和卫星通讯领域发挥着非常重要的作用。用GaAs制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好及噪声小、抗辐射能力强等优点。虽然GaAs具有优越的性能，但其高温分解，使得生产理想化学配比的高纯单晶材料的技术难度较高。GaAs是目前生产量最大、应用最广的化合物半导体材料，是重要性仅次于硅的半导体材料。

由于GaAs材料的优异特性，我国及世界各主要国家正大力支持其相关行业的蓬勃发展。随着智能手机进入4G时代，以至于后面的5G及物联网的崛起，多模多频的GaAs微波功率器件需求量将大幅提升。未来几年，随着我国光电通信及其它新行业(如太阳能薄膜发电)的快速发展，GaAs材料的市场需求将会更大。预计到2022年，我国GaAs市场销售额将会达到100亿元。

GaAs电路和器件均是以GaAs抛光晶片为衬底，抛光晶片的表面质量直接影响着器件的性能和成品率，抛光晶片的表面质量越好，器件的性能和成品率就越高。GaAs晶片是由纯Ga和纯As合成并生长得到的单晶材料经过切、磨、抛等工艺制成，因此抛光工艺是GaAs晶片最终达到超精密表面要求的关键工序。目前，国内外普遍采用的抛光工艺是化学机械抛光(CMP)工艺。CMP工艺是化学腐蚀和机械磨削交替作用的组合工艺，结合了化学抛光和机械抛光的优点，借助于抛光液的化学腐蚀作用和磨料的机械磨削作用，在良好的抛光机性能和合适的抛光垫基础上，使GaAs晶片获得超光滑超平坦的表面。所以，在CMP工艺中，抛光垫的作用对抛光晶片表面质量的影响也是至关重要的。

目前，国内专利对GaAs晶片抛光用CMP抛光液的报道已有一些，但对GaAs晶片抛光用CMP抛光垫的报道还很少涉及。随着集成电路、器件等尺寸微型化趋势的加快，对GaAs晶片表面精度的要求必然越来越高。因此，有必要对GaAs晶片抛光用CMP抛光垫进行研究，以期进一步提高GaAs晶片的表面精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种GaAs晶片的精密抛光方法，该方法使晶片的表面粗糙度、表面平整度等表面精度指标得到进一步提高。其改进之处为：采用抛光液分两个阶段对GaAs晶片进行化学机械抛光，第一阶段使用聚氨酯抛光垫进行抛光，第二阶段使用无纺布抛光垫进行抛光。

优选的，所述聚氨酯抛光垫的硬度为为75～95(Shore A)，压缩率为1.5～5％，密度为0.45～0.65g/cm³，且为无沟槽型；

进一步优选，所述聚氨酯抛光垫的硬度为为80～90(Shore A)，压缩率为2.5～4％，密度为0.50～0.60g/cm³。

优选的，所述无纺布抛光垫的硬度为40～60(Shore A)，压缩率为6～10％，密度为0.25～0.45g/cm³，且为无沟槽型；

进一步优选，所述无纺布抛光垫的硬度为50～60(Shore A)，压缩率为7.5～9％，密度为0.30～0.40g/cm³。

优选的，第一阶段抛光中，控制抛光盘的转速为75～90rpm，抛光头往复的速度为13～17次/min，抛光液的流速为170～240ml/min，抛光压力为90～130g/cm²，抛光头转速为55～70rpm；

进一步优化，控制抛光盘的转速为80～85rpm，抛光头往复的速度为14～16次/min，抛光液的流速为200～220ml/min，抛光压力为100～120g/cm²，抛光头转速为60～65rpm。

优选的，第二阶段抛光中，控制抛光盘的转速为55～70rpm，抛光头往复的速度为8～12次/min，抛光液的流速为90～130ml/min，抛光压力为50～65g/cm²，抛光头转速为40～55rpm；

进一步优化，控制抛光盘的转速为60～65rpm，抛光头往复的速度为9～11次/min，抛光液的流速为100～120ml/min，抛光压力为55～60g/cm²，抛光头转速为45～50rpm。

优选的，两次抛光中所使用的抛光液的组成为：每100重量份的抛光液中，包括磨料0.1～50份、表面活性剂0.001～0.4份、成膜剂0.001～0.6份、pH值调节剂0.05～10份、抛光促进剂0.01～4份、余量为水，抛光液pH值范围为9.5～12.5；进一步优选，每100重量份的抛光液中，包括磨料1～40份、成膜剂0.02～0.4份、表面活性剂0.005～0.2份、抛光促进剂0.05～2份、pH值调节剂0.1～8份、余量为水；抛光液pH值范围为10～12。采用此抛光液对GaAs晶片进行抛光，可以使抛光去除速率、抛光后的晶片表面粗糙度和平整度、抛光效果的稳定性等各项性能指标均能达到更为满意的要求，且易于清洗。

优选的，所述磨料为硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶、铈溶胶或钛溶胶中的一种或几种组合。

优选的，所述溶胶中磨料的粒径范围为5nm～150nm，所述溶胶的pH值为8～10；进一步优选，所述磨料的粒径范围为10nm～100nm。

优选的，所述成膜剂为纤维素醚类、丙烯酸共聚物、聚乙烯类共聚物、烃类共聚物或有机硅聚合物中的一种或几种组合，或是其相互改性的品种。

优选的，所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚丙二醇的环氧乙烷加成物、失水山梨醇酯或烷基醇酰胺中的一种或几种组合。

优选的，所述抛光促进剂为高铁酸盐、过硫酸盐、高锰酸盐、重铬酸盐、高氯酸盐、次氯酸盐、高碘酸盐中的一种或几种组合。

优选的，所述pH值调节剂为氢氧化物、碱性无机盐或伯胺、叔胺、季铵碱、亚胺中的一种或几种组合。

优选的，制备抛光液、抛光及清洗过程中所用的水为去离子水；进一步优选，所用水为纯水；最优选，所用水为超纯水。在超纯水中，无机电离杂质，烷基苯磺酸、油、有机铁、有机铝以及其它碳氢化合物等有机物杂质，尘埃、氧化铁、铝、胶体硅等颗粒杂质，细菌、浮游生物和藻类等微生物杂质，N₂、O₂、CO₂、H₂S等溶解气体杂质均已去除至极低水平，最大程度地减少或降低了对抛光液性能的影响因素，并有利于抛光后晶片表面的清洗。

作为优选的方案，本发明的方法包括如下步骤：

1)配制抛光液：所述抛光液的组成为磨料1～40份、表面活性剂0.005～0.2份、成膜剂0.02～0.4份、pH值调节剂0.1～8份、抛光促进剂0.05～2份、余量为水，抛光液pH值范围为10～12；

2)使用无沟槽型聚氨酯抛光垫进行第一次抛光，所述聚氨酯抛光垫的硬度为80～90Shore A，压缩率为2.5～4％，密度为0.50～0.60g/cm³；抛光的过程中，控制抛光盘的转速为80～85rpm，抛光头往复的速度为14～16次/min，抛光液的流速为200～220ml/min，抛光压力为100～120g/cm²，抛光头转速为60～65rpm；

3)使用无沟槽型无纺布抛光垫进行第二次抛光，所述无纺布抛光垫的硬度为50～60Shore A，压缩率为7.5～9％，密度为0.30～0.40g/cm³；控制抛光盘的转速为60～65rpm，抛光头往复的速度为9～11次/min，抛光液的流速为100～120ml/min，抛光压力为55～60g/cm²，抛光头转速为45～50rpm。

本发明的方法具有如下有益效果：

本发明提供了一种GaAs晶片的精密抛光方法，采用该方法对GaAs晶片进行化学机械抛光，可使晶片的表面粗糙度、表面平整度等表面精度指标得到进一步提高，表面粗糙度低于0.12nm，表面平整度不超过4μm，同时保证晶片在抛光过程中具有较高的去除速率。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种抛光方法，包括如下步骤：

1)按表1的配方配制抛光液；

2)使用步骤1)所配制的抛光液和无沟槽型聚氨酯抛光垫，按表2所述的抛光工艺参数进行第一阶段的抛光，抛光垫的硬度为86(Shore A)，压缩率为3.2％，密度为0.56g/cm³；

3)第一阶段抛光完成后，使用步骤1)所配制的抛光液和无沟槽型无纺布抛光垫，按表3所述的抛光工艺参数进行第二阶段的抛光，抛光垫的硬度为54(Shore A)，压缩率为8.4％，密度为0.35g/cm³。

表1抛光液配方

表2第一步抛光使用的设备及抛光条件

表3第二步抛光使用的设备及抛光条件

实施例2

本实施例涉及一种抛光方法，包括如下步骤：

1)按表4的配方配制抛光液；

2)使用步骤1)所配制的抛光液和无沟槽型聚氨酯抛光垫，按表5所述的抛光工艺参数进行第一阶段的抛光，抛光垫的硬度为80(Shore A)，压缩率为4％，密度为0.51g/cm³；

3)第一阶段抛光完成后，使用步骤1)所配制的抛光液和无沟槽型无纺布抛光垫，按表6所述的抛光工艺参数进行第二阶段的抛光，抛光垫的硬度为59(Shore A)，压缩率为7.6％，密度为0.38g/cm³。

表4抛光液配方

表5第一步抛光使用的设备及抛光条件

表6第二步抛光使用的设备及抛光条件

实施例3

本实施例涉及一种抛光方法，包括如下步骤：

1)按表7的配方配制抛光液；

2)使用步骤1)所配制的抛光液和无沟槽型聚氨酯抛光垫，按表8所述的抛光工艺参数进行第一阶段的抛光，抛光垫的硬度为90(Shore A)，压缩率为2.7％，密度为0.59g/cm³；

3)第一阶段抛光完成后，使用步骤1)所配制的抛光液和无沟槽型无纺布抛光垫，按表9所述的抛光工艺参数进行第二阶段的抛光，抛光垫的硬度为51(Shore A)，压缩率为8.9％，密度为0.30g/cm³。

表7抛光液配方

表8第一步抛光使用的设备及抛光条件

表9第二步抛光使用的设备及抛光条件

对比例1

与实施例1相比，其区别在于，两个阶段均采用相同的聚氨酯抛光垫进行抛光。

对比例2

与实施例1相比，其区别在于，两个阶段均采用相同的无纺布抛光垫进行抛光。

对比例3

与实施例1相比，其区别在于，采用的聚氨酯抛光垫的硬度为70(Shore A)，压缩率为5.6％，密度为0.46g/cm³。

对比例4

与实施例1相比，其区别在于，采用的无纺布抛光垫的硬度为44(Shore A)，压缩率为12.1％，密度为0.29g/cm³。

对比例5

与实施例1相比，其区别在于，两个阶段抛光过程中采用的抛光工艺参数分别如表10、表11所示。

表10第一步抛光使用的设备及抛光条件

表11第二步抛光使用的设备及抛光条件

实验例

为了更好的验证发明效果，每个实施例进行了三组试验，每个对比例进行了两组试验，分别对实施例和对比例抛光得到的晶片的性能进行检测。

GaAs晶片采用石蜡粘贴在陶瓷载盘上。抛光后，采用无水乙醇、NH₄OH、H₂O₂和去离子水对GaAs晶片进行超声波清洗，并用热N₂吹干，然后检测晶片的去除速率、表面粗糙度、表面平整度。

去除速率采用德国赛多利斯CPA225D型精度为0.01mg的电子天平，通过称量抛光前后晶片的重量变化，根据三次称量的平均值计算得到。

表面粗糙度Ra采用德国布鲁克Dimension Edge原子力显微镜进行检测，分辨率为0.01nm，检测范围为20×20μm²，根据测试的五点的平均值而得。

表面平整度采用日本三丰精度为1μm的数显千分表通过测量抛光前后晶片9个固定点的厚度变化，根据其平均值而得。

表12实施例与对比例抛光试验后测得的相应晶片的检测数据

从表12的检测数据可以看出，采用本发明提供的精密抛光方法对GaAs晶片进行抛光，使GaAs晶片的表面粗糙度、表面平整度等表面精度指标得到进一步提高，晶片的表面粗糙度降至0.12nm以下，表面平整度均不超过4μm。而采用对比例中提供的方法对GaAs晶片进行抛光后，测得的相应晶片的表面粗糙度和/或表面平整度等表面精度指标难以达到本发明的同等水平。

这是因为，在相同压力、相同抛光条件下，抛光垫越软，抛光垫与晶片的贴合越紧密，晶片陷入抛光垫也越深，晶片与磨料及晶片与抛光垫之间的机械摩擦力就显著增大，摩擦产生的热量也相应增多，但由于对抛光温度的控制，摩擦产生的热量会通过冷却系统除去，化学反应速度不会明显加快，所以会导致CMP过程中机械作用与化学作用的失衡，机械作用增强，抛光时的去除速率虽略有提高，但晶片表面易产生桔皮、波纹等缺陷，导致表面粗糙度增加；另外，在晶片边缘附近，越靠近晶片边缘，抛光垫的弹力及抛光液的储存量越大，与晶片的贴合更紧密，产生的机械摩擦力更大、化学作用更强，导致靠近边缘处的去除速率相对较大，出现塌边现象，所以晶片的表面平整度会下降。因此，对比例2、对比例3的第一步抛光及对比例4的第二步抛光后的晶片表面粗糙度、表面平整度均变差。

反之，在相同压力、相同抛光条件下，抛光垫的硬度增高，化学作用未发生变化，但机械作用随之减弱，化学腐蚀层不能及时除去，阻碍了化学反应的快速进行，导致去除速度降低，表面粗糙度变差，表面平整度得不到改善。因此，对比例1的第二步抛光后，晶片的表面精度未能达到本发明的效果。

第二步抛光采用的无纺布抛光垫的硬度相对较软，抛光时间、抛光压力等抛光工艺参数均大幅缩减，相互匹配性较好，对晶片的去除量较小，其主要目的是为了提高晶片的表面粗糙度，表面平整度主要是通过第一步抛光进行提高，第二步改善不大。因此，对比例2、对比例3的第二步抛光后，虽然晶片的表面粗糙度明显改善，但表面平整度改善不大，达不到本发明的水平。

在对比例5的第一步抛光中，抛光设备的压力和转速增加，抛光的去除速率本应增加较多，但由于压力和转速的增加，导致设备的稳定性下降，晶片的抛光效果不均匀，抛光去除速率虽有增加，但晶片的表面粗糙度、表面平整度等指标均下降。在第二步抛光中，抛光垫的硬度相对较低，提高抛光压力会使晶片与抛光垫贴合更为紧密，导致机械作用增强，与化学作用失去平衡，所以晶片的表面粗糙度和平整度均有所变差。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种GaAs晶片的精密抛光方法，其特征在于，配制CMP抛光液，然后采用此抛光液分两个阶段对GaAs晶片进行化学机械抛光，第一阶段使用聚氨酯抛光垫进行抛光，第二阶段使用无纺布抛光垫进行抛光。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚氨酯抛光垫为无沟槽型，其硬度为75～95Shore A，压缩率为1.5～5％，密度为0.45～0.65g/cm³；

优选的，所述聚氨酯抛光垫的硬度为80～90Shore A，压缩率为2.5～4％，密度为0.50～0.60g/cm³。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述无纺布抛光垫为无沟槽型，其硬度为40～60Shore A，压缩率为6～10％，密度0.25～0.45g/cm³；

优选的，所述无纺布抛光垫的硬度为50～60Shore A，压缩率为7.5～9％，密度为0.30～0.40g/cm³。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，第一阶段抛光中，控制抛光盘的转速为75～90rpm，抛光头往复的速度为13～17次/min，抛光液的流速为170～240ml/min，抛光压力为90～130g/cm²，抛光头转速为55～70rpm；

优选的，控制抛光盘的转速为80～85rpm，抛光头往复的速度为14～16次/min，抛光液的流速为200～220ml/min，抛光压力为100～120g/cm²，抛光头转速为60～65rpm。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，第二阶段抛光中，控制抛光盘的转速为55～70rpm，抛光头往复的速度为8～12次/min，抛光液的流速为90～130ml/min，抛光压力为50～65g/cm²，抛光头转速为40～55rpm；

优选的，控制抛光盘的转速为60～65rpm，抛光头往复的速度为9～11次/min，抛光液的流速为100～120ml/min，抛光压力为55～60g/cm²，抛光头转速为45～50rpm。

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，所述抛光液的组成为：每100重量份的抛光液中，包括磨料0.1～50份、表面活性剂0.001～0.4份、成膜剂0.001～0.6份、pH值调节剂0.05～10份、抛光促进剂0.01～4份、余量为水；抛光液pH值范围为9.5～12.5。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述磨料为硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶、铈溶胶或钛溶胶中的一种或几种组合；

和/或，所述溶胶中磨料的粒径范围为5nm～150nm，所述溶胶的pH值为8～10，优选的，所述磨料的粒径范围为10nm～100nm；

和/或，所述成膜剂为纤维素醚类、丙烯酸共聚物、聚乙烯类共聚物、烃类共聚物或有机硅聚合物中的一种或几种组合，或是其相互改性的品种；

和/或，所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚丙二醇的环氧乙烷加成物、失水山梨醇酯或烷基醇酰胺中的一种或几种组合；

和/或，所述抛光促进剂为高铁酸盐、过硫酸盐、高锰酸盐、重铬酸盐、高氯酸盐、次氯酸盐、高碘酸盐中的一种或几种组合；

和/或，所述pH值调节剂为氢氧化物、碱性无机盐或伯胺、叔胺、季铵碱、亚胺中的一种或几种组合；

和/或，所述水为去离子水。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述水为纯水或超纯水。

9.根据权利要求6～8任一项所述的方法，其特征在于，每100重量份的抛光液中，包括磨料1～40份、表面活性剂0.005～0.2份、成膜剂0.02～0.4份、pH值调节剂0.1～8份、抛光促进剂0.05～2份、余量为水，抛光液pH值范围为10～12。

10.根据权利要求1～9任一项所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)配制抛光液：每100重量份的抛光液中，包括磨料1～40份、表面活性剂0.005～0.2份、成膜剂0.02～0.4份、pH值调节剂0.1～8份、抛光促进剂0.05～2份、余量为水，抛光液pH值范围为10～12；

2)使用无沟槽型聚氨酯抛光垫进行第一次抛光，所述聚氨酯抛光垫的硬度为80～90Shore A，压缩率为2.5～4％，密度为0.50～0.60g/cm³；抛光的过程中，控制抛光盘的转速为80～85rpm，抛光头往复的速度为14～16次/min，抛光液的流速为200～220ml/min，抛光压力为100～120g/cm²，抛光头转速为60～65rpm；

3)使用无沟槽型无纺布抛光垫进行第二次抛光，所述无纺布抛光垫的硬度为50～60Shore A，压缩率为7.5～9％，密度为0.30～0.40g/cm³；控制抛光盘的转速为60～65rpm，抛光头往复的速度为9～11次/min，抛光液的流速为100～120ml/min，抛光压力为55～60g/cm²，抛光头转速为45～50rpm。