CN109866084A - 一种uv光催化辅助化学机械抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种UV光催化辅助氮化镓化学机械抛光装置及抛光方法。所述UV光催化辅助化学机械抛光装置，包括：工作台，其表面设有抛光垫；高透光载具，位于所述抛光垫上方，用于固定待抛光处理的工件；旋转套，用于固定并带动所述高透光载具及工件在所述抛光垫上旋转；UV光源，位于所述高透光载具的正上方，其能够朝向正下方射出平行UV光线；保持环模板，位于所述旋转套或所述高透光载具的下方，用于固定待抛光处理的工件。采用本发明所述方法，可大幅度提高氮化镓的去除率，进而提高氮化铝材料平坦化精度、表面质量和抛光效率，延长其使用寿命。

Description

一种UV光催化辅助化学机械抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种UV光催化辅助化学机械抛光装置及抛光方法。

背景技术

氮化镓(GaN)材料是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与碳化硅、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代镉、硅半导体材料、第二代砷化镓、磷化铟化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。由于氮化镓具有直接带隙宽、原子键强、热导率高、化学稳定性好、抗辐照能力强等显著优点。因此，以GaN基的光电子、高温大功率器件和高频微波新型电子器件在航空航天、核能开发、新型光源、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化、火焰传感、血液分析、水银灯消毒监控、激光探测器、光存储密度、材料加工、大屏幕全彩色显示、激光打印、大气污染监控等诸多领域发挥着极其重用的作用，具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

现有氮化镓晶体表面抛光技术包括机械抛光和化学机械抛光两个工艺步骤。机械抛光的目的是将GaN表面明显的高低起伏研磨平整，并避开或除去肉眼可见的宏观缺陷，提高晶体表面的平整度；然而，在氮化镓衬底的机械抛光过程中抛光材料与晶体表面摩擦切削会对晶体的表面晶格产生破坏，形成点缺陷、位错、微裂纹等缺陷，如果这些缺陷不被处理，会严重影响二次外延晶体的质量，进而影响器件的性能。如H.Aida等(ChemicalMechanical Polishing of Gallium Nitride with Colloidal Silica)采用二氧化硅抛光液对氮化镓表面进行抛光，但材料去除率较低，仅为17nm/h；但若采用高硬度磨料，则又导致氮化镓表面产生滑痕、缺陷等机械损伤或非均匀缺陷。因此，需采用化学机械抛光除去机械抛光造成的微观缺陷，将晶体表面损伤层去除，进一步提高二次外延层的晶体质量。

但由于氮化镓晶体属于六方钎锌矿，每个Ga原子与周围四个N原子与周围四个N原子以共价键结合，由于Ga-N键能较高，导致材料硬度高，晶体的稳定性好，常温下不易被酸碱腐蚀，因此氮化镓化学机械抛光的加工效率较低；而且，Ga和N的极性面不具有翻转的晶体学对称性，导致两个不同极性表面的材料去除率也不同。

光催化化学机械抛光方法是通过光照射抛光垫上流动抛光液，使其中的催化剂生成的空穴能够与吸附在催化剂表面OH^-或H₂O发生反应，进而生成具有强氧化性的·OH自由基，从而在GaN表面发生氧化反应，形成软化层，再利用抛光液中的磨料将软化层去除，以达到使GaN材料表面平坦化的目的。

Jie Wang等(Effects of Catalyst Concentration and UltravioletIntensity on Chemical Mechanical Polishing of GaN)在SiO₂与H₂O₂为基体的抛光液中加入TiO₂、SnO₂、Fe₂O₃等N型半导体颗粒作为催化剂，氮化镓材料的去除率仅为158.7nm/h；发明专利申请CN201710994767.4公开了将氮化镓浸入到K₂S₂O₈抛光液中，光从下向上间歇性照射在氮化镓加工表面，材料去除率达到202nm/h，去除率仍然不理想；而且，该方法还受到抛光装置的限制，UV光只能照射在抛光垫表面上的催化剂及GaN工件边缘，工件和抛光垫间的催化剂接收不到光照射，由于半导体光催化剂瞬间产生的光生电子空穴会很快在催化剂表面发生复合，导致该方法去除率较低；此外，抛光垫上催化剂颗粒分布的均匀性和密度等也直接影响最终的催化效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明特提出一种高效、高质量的光催化辅助化学机械抛光装置和抛光方法。采用本发明所述方法，可大幅度提高工件(特别是氮化镓)的去除率，进而提高工件材料平坦化精度、表面质量和抛光效率，延长其使用寿命。

本发明的技术方案如下：

一种UV光催化辅助化学机械抛光装置，包括：

工作台，其表面设有抛光垫；

高透光载具，位于所述抛光垫上方，用于固定待抛光处理的工件；

旋转套，用于固定并带动所述高透光载具及工件在所述抛光垫上旋转；

UV光源，位于所述高透光载具的正上方，其能够朝向正下方射出平行UV光线；

保持环模板，位于所述旋转套或所述高透光载具的下方，用于固定待抛光处理的工件。

采用上述装置对工件进行抛光处理时，由于高透光载具的存在，平行UV光源能够最大程度地减少损失，垂直照射到抛光液上；而且由于光源、工件及抛光垫之间的位置关系，使得更多的抛光液能够被UV光照射，进而使抛光液中的催化物质产生更多的自由基：抛光液中的催化剂能够被光子激活，实现电子或空穴流动，吸附催化剂表面OH^-或H₂O，生成·OH自由基；而抛光液中的催化介质则会在UV光垂直照射下产生尽可能多的·OH自由基。

由于·OH自由基会对工件表面产生很强的氧化作用，在大量自由基存在的情况下，能够显著提高工件的去除率，同时在工件表面形成硬度较低的钝化膜，更有利于提高工件材料平坦化精度、表面质量和抛光效率，延长工件的使用寿命。

所述抛光垫可采用本领域技术人员所掌握的可用于磨削工件的常规抛光垫，其材质可为聚氨酯、无纺布，优选材质为聚氨酯，磨削效果更好。

所述高透光载具的材质为对UV光具有高透光性、且能与工件背面粘合的材料，如光学石英玻璃、钠钙透紫外玻璃、丙烯酸酯类透明玻璃钢、聚甲基丙烯酸甲酯等。

所述UV光源可以采用LED、高压汞灯、高压钠灯等光源，推荐使用UVLED光源，波长可选择100nm～420nm，如420nm、400nm、395nm、390nm、385nm、380nm、375nm、370nm、365nm、360nm、320nm、280nm、260nm、200nm、100nm等，优选260～395nm，进一步优选320～385nm。在此波长范围内的UV光源可以更好的激发抛光液中的催化剂或催化介质，从而产生更多的自由基，能够更快更好的在工件表面形成钝化膜。

所述保持环模板的形状和数量可依据工件尺寸而定，若工件尺寸较大，如直径较大的圆片，则保持环模板为环形，用以固定工件；若工件尺寸较小，则保持环模板可设置多块弧状模板，共同固定每一工件。

所述旋转套和保持环模板的材质为不锈钢。

以上为所述抛光装置的核心部件，本领域技术人员可在此基础上根据实际需要增设其他设备，如随动摩擦轮等，以保证抛光实现。

适用于上述抛光装置的工件的材质可以为氮化镓，以及磷化铟、碳化硅等；其中对氮化镓的抛光效果最佳。

本发明还提供一种利用上述UV光催化辅助化学机械抛光装置的抛光方法，包括：UV光垂直照射于位于抛光垫与工件之间的抛光液，激发抛光液产生·OH自由基，从而在工件表面形成钝化膜；同时，利用抛光垫及抛光液中的磨粒对工件表面形成的钝化膜进行磨削处理。

采用本发明所述的抛光方法，可使平行UV光能够垂直照射到位于工件和抛光垫间的抛光液，进而使得所有抛光液的中催化物质被激活，产生更多的·OH自由基，进而在GaN表面快速形成硬度较低的钝化膜。

与此同时，利用多孔抛光垫、抛光液中的软磨粒的机械作用对工件表面钝化膜进行轻微磨削，表面凸起处的钝化膜首先被磨掉，光催化辅助化学反应得以在暴露出的表面处继续进行；而凹陷处的钝化膜未被去除，阻碍了化学反应；从而在光催化和化学机械的复合作用下，使得工件表面凸起处被快速去除，表面粗糙度也迅速减小，最终实现工件表面的高度平坦化。

在上述抛光方法中，当安装工件时，将工件背面与高透光载具贴合，排出其界面间空气；由于外界大气压强远远高于工件与高透光载具之间的压强，可利用外界大气压将工件牢牢压在高透光载具上，以实现工件的固定和夹紧。

所述抛光液包含光催化剂和/或光催化介质、磨粒及水。

其中，所述光催化剂的质量浓度为0.01～10wt％；所述光催化剂选自单一或复合的半导体光催化剂、金属光催化剂。

进一步地，所述半导体光催化剂选自锐钛型TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、WO₃、SnO₂、ZrO₂、CdS等纳米颗粒中的一种或多种混合，优选TiO₂、或以TiO₂为主且混有ZnO、Fe₂O₃、WO₃、SnO₂、ZrO₂中一种或多种的混合半导体催化剂；进一步优选半导体TiO₂、或以TiO₂为主且混有ZnO、Fe₂O₃、WO₃等中一种或多种的混合半导体催化剂。

所述半导体光催化剂的颗粒尺寸为5nm～10μm，例如5nm、10nm、20nm、50nm、100nm、150nm、200nm、500nm、1μm、2μm、3.5μm、5μm、7μm、10μm，优选5nm～5μm，进一步优选5nm～500nm。

所述半导体光催化剂的浓度为0.1wt％～10wt％，例如0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％，优选0.1wt％～5wt％，进一步优选0.1wt％～3wt％。

所述金属光催化剂选自Pt、Rh、Pd等，优选Pt催化剂。

所述金属光催化剂的颗粒尺寸为1nm～10μm，例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、10nm、20nm、50nm、100nm、150nm、200nm、500nm、1μm、2μm、3.5μm、5μm、7μm、10μm，优选1nm～5μm，进一步优选1nm～500nm。

所述金属光催化剂的浓度为0.01wt％～10wt％，例如0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％，优选0.1wt％～5wt％，进一步优选0.5wt％～3wt％。

所述光催化介质的质量浓度为0.03～10wt％；所述光催化介质选自H₂O₂、FeCl₃、K₂S₂O₈、KBrO₃、K₃Fe(CN)₆、K₂O₂、CAN、Pb(OAc)₄、Mn(OAc)₃、TEMPO、二苯胺等中的一种或多种混合，优选H₂O₂、KBrO₃、FeCl₃、K₂S₂O₈、K₂O₂中的一种或多种混合，进一步优选H₂O₂、KBrO₃、FeCl₃、K₂S₂O₈中的一种或多种混合。

所述磨粒的质量浓度为1～3wt％；所述磨粒选自Al₂O₃、SiC、SiO₂、MgO、ZnO、CeO₂、TiO₂、B₄C、CBN、金刚石等磨料中的一种或多种混合，优选Al₂O₃、SiC、SiO₂、CBN、金刚石中的一种或多种混合，进一步优选Al₂O₃、SiC、SiO₂、CBN中的一种或多种混合。

为了获得更好的效果，所述抛光液可根据实际需要调整pH范围。所采用的pH调节剂选自HCl、H₂SiO₄、H₃PO₄、柠檬酸、氨水、KOH、三乙醇胺等，优选HCl、柠檬酸、氨水、KOH，进一步优选HCl、KOH，pH值调节范围3～14，优选pH值10～11。

作为本发明的优选实施方式之一，所述抛光液的具体组成为：磨粒Al₂O₃或SiO₂的浓度为1～3wt％，光催化剂TiO₂的浓度为0.1～0.3wt％，光催化介质H₂O₂的浓度为2～10wt％，其余为水，pH值为10～11。

所述抛光液的流量控制在10～300rpm，优选10～20rpm。在此范围内，抛光液中的磨粒对工件表面的处理效果最好。

所述抛光的时间为20min～60min，优选25～35min。在此范围内，GaN材料工件的去除率较高，所获得的抛光效果最佳。

此外，本发明所述的抛光方法还包括在工件抛光处理前后进行超声波清洗等常规处理步骤，采用去离子水温度范围控制在25℃～60℃，清洗时间为15min～60min。

本发明的有益效果如下：

采用本发明所述的抛光设备及抛光方法，可使氮化镓等材料工件的去除率达到16.76nm/min(换算为1005.6nm/h)，是普通化学机械抛光的60倍，是其他UV辅助化学机械抛光的近5倍，加工效率得到显著提高。

附图说明

图1为实施例1所述圆形半导体晶片光催化辅助化学机械抛光装置的结构示意图。

图2为实施例2所述矩形半导体晶片光催化辅助化学机械抛光装置的结构示意图。

图中：1、旋转套；2、高透光载具；3、待抛光的工件；4、保持环模板；5、UV光源。

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。

在本申请所述具体实施例中，所采用的设备包括：

(1)Unipol-1502超精密半自动抛光机；

(2)G&C精密电子天平，精度0.0001g；

(3)Jeken数字超声波清洗机；

(4)BT600-2J精密蠕动泵；

(5)基恩士Vk260表面形貌仪。

实施例1

如图1所示，一种UV光催化辅助化学机械抛光装置，包括：

工作台，其表面设有抛光垫；

高透光载具2，位于所述抛光垫上方，用于固定待抛光处理的工件3；

旋转套1，用于固定并带动所述高透光载具2及工件3在所述抛光垫上旋转；

UV光源5，位于所述高透光载具2的正上方，其能够朝向正下方射出平行UV光线5；

保持环模板4，位于所述旋转套1或所述高透光载具2的下方，用于固定待抛光处理的工件3。

其中，所述高透光载具2的材质为石英，与工件3背面紧密粘贴。

所述UV光源5为UVLED光源，波长具体为375nm，UV光自上而下垂直透射石英2、氮化镓工件3，照射在位于氮化镓工件3与抛光垫间的抛光液上。

所述保持环模板4为一个大环状，用以固定工3件。

所述抛光装置还包括其他本领域技术人员所掌握的实现抛光处理的常规设备，如前述精密天平等。

实施例2

一种UV光催化辅助化学机械抛光装置，与实施例1结构相似，区别仅在于保持环模板的形状为弧状，数量为3个，用于固定3个小矩形半导体晶片。如图2所示。

实施例3

本实施例提供一种利用实施例1所述装置的抛光方法，包括：

(1)氮化镓自撑片，规格为10mm×15mm×0.8mm，对其进行超声波清洗，压缩空气风干，用天平测量氮化镓自撑片的初始质量；

(2)用去离子水清洗抛光载具；

(3)将氮化镓自撑片安装在载具上：将氮化镓沾水后与石英结合，水将氮化镓和石英间的空气全部排出，使外界的大气压强就远远高于氮化镓与石英界面内压强，外界大气压将氮化镓牢牢压在石英片上，实现氮化镓固定和夹紧；

(4)按工件正面朝下的方式，将抛光载具安放在抛光垫上，与随动摩擦轮接触，抛光垫的材质为聚氨酯材料；

(5)打开精密流量泵，调节抛光液流量泵速度为15rpm；

(6)启动抛光机，转速为100rpm，加工时间为30min；

(7)抛光处理后，取下氮化镓自撑片，用去离子水冲洗，在利用超声波在水温40℃，清洗30min；

(8)取出氮化镓自撑片，压缩空气风干后，用精密天平进行质量称量；

(9)采用公式MRR＝ΔM/(ρSt)，计算出材料去除率。

实施例4

采用实施例3所述的方法，其中：

抛光液配方为：磨料Al₂O₃的浓度为1wt％、光催化剂TiO₂的浓度为0.1wt％、光催化介质H₂O₂的浓度为2wt％、其余为去离子水，pH值调节为10。

抛光液的流量为15rpm，抛光加工时间30min。

经计算，GaN材料工件的去除率为16.76nm/min；

实施例5

采用实施例3所述的方法，其中：

抛光液的配方：磨料Al₂O₃的浓度为1wt％、光催化剂TiO₂的浓度为0.1wt％、光催化介质FeCl₃的浓度为0.03wt％、其余为去离子水，pH值调节为5；流量为15rpm，抛光加工时间30min。

经计算，GaN材料工件的去除率为5.83nm/min。

实施例6

采用实施例3所述的方法，其中：

配光液配方：磨料SiO₂的浓度为1wt％、光催化剂TiO₂的浓度为0.1wt％、光催化介质FeCl₃的浓度为0.03wt％、其余为去离子水，pH值调节为5；流量为15rpm，抛光加工时间30min，；

经计算，GaN材料工件的去除率为5.1nm/min。

实施例7

采用实施例3所述的方法，其中：

抛光液配方为：磨料SiO₂的浓度为1wt％、光催化剂TiO₂的浓度为0.1wt％、光催化介质H₂O₂的浓度为2wt％、剩余为去离子水，pH值调节为10；流量为15rpm，抛光加工时间30min；

经计算，GaN材料去除率为13.81nm/min。

实施例8

采用实施例3所述的方法，其中：

抛光液配方：磨料SiO₂的浓度为1wt％、光催化介质H₂O₂的浓度为0.3wt％、其余为去离子水，pH值调节为9；流量为15rpm，抛光加工时间30min；

经计算，GaN材料工件的去除率为7.5nm/min。

实施例9

采用实施例3所述的方法，其中：

抛光液配方为：磨料Al₂O₃的浓度为1wt％、光催化剂TiO₂的浓度为0.1wt％、光催化介质H₂O₂的浓度为10wt％、剩余为去离子水，pH值调节为10；流量为15rpm，抛光加工时间30min；

经计算，GaN材料工件的去除率为16.76nm/min。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案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UV光催化辅助化学机械抛光装置，其特征在于，包括：

工作台，其表面设有抛光垫；

高透光载具，位于所述抛光垫上方，用于固定待抛光处理的工件；

旋转套，用于固定并带动所述高透光载具及工件在所述抛光垫上旋转；

UV光源，位于所述高透光载具的正上方，其能够朝向正下方射出平行UV光线；

保持环模板，位于所述旋转套或所述高透光载具的下方，用于固定待抛光处理的工件。

2.根据权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述抛光垫的材质优选聚氨酯、无纺布。

3.根据权利要求1或2所述的抛光装置，其特征在于，所述高透光载具的材质为对UV光具有高透光性、且能与工件背面粘合的材料；优选为光学石英玻璃、钠钙透紫外玻璃、丙烯酸酯类透明玻璃钢、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

4.根据权利要求1-3任一所述的抛光装置，其特征在于，所述UV光源的波长为100nm～420nm，优选260～395nm，进一步优选320～385nm。

5.一种利用权利要求1-4任一所述UV光催化辅助化学机械抛光装置的抛光方法，其特征在于，包括：UV光垂直照射于位于抛光垫与工件之间的抛光液，激发抛光液产生·OH自由基，从而在工件表面形成钝化膜；同时，利用抛光垫及抛光液中的磨粒对工件表面形成的钝化膜进行磨削处理。

6.根据权利要求5所述的抛光方法，其特征在于，所述抛光液包含光催化剂和/或光催化介质、磨粒。

7.根据权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，所述光催化剂选自单一或复合的半导体光催化剂、金属光催化剂；

所述半导体光催化剂选自锐钛型TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、WO₃、SnO₂、ZrO₂、CdS纳米颗粒中的一种或多种混合；优选TiO₂，或以TiO₂为主、混有ZnO、Fe₂O₃、WO₃、SnO₂、ZrO₂中一种或多种的混合半导体催化剂；进一步优选半导体TiO₂，或以TiO₂为主、混有ZnO、Fe₂O₃、WO₃中一种或多种的混合半导体催化剂；

所述金属光催化剂选自Pt、Rh、Pd，优选Pt催化剂。

8.根据权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，所述光催化介质选自H₂O₂、FeCl₃、K₂S₂O₈、KBrO₃、K₃Fe(CN)₆、K₂O₂、CAN、Pb(OAc)₄、Mn(OAc)₃、TEMPO、二苯胺中的一种或多种混合；

优选H₂O₂、KBrO₃、FeCl₃、K₂S₂O₈、K₂O₂中的一种或多种混合；

进一步优选H₂O₂、KBrO₃、FeCl₃、K₂S₂O₈中的一种或多种混合。

9.根据权利要求5所述的抛光方法，其特征在于，所述抛光液的组成包括：磨粒Al₂O₃或SiO₂1～3wt％，光催化剂TiO₂ 0.1～0.3wt％，光催化介质H₂O₂ 2～10wt％，其余为水，pH为10～11。

10.根据权利要求5所述的抛光方法，其特征在于，所述抛光液的流量控制在10～300rpm，优选10～20rpm；

和/或，所述抛光的时间为20min～60min，优选25～35min。