CN112701037A - 半导体材料的抛光方法、用于锑化镓衬底抛光的抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明是针对采用现有技术CMP工艺对锑化镓等较软的半导体材料抛光时抛光磨料、抛光液中含有的金属离子等易附着在被抛光物的表面，使抛光物表面产生划痕、抛光液的寿命低的不足，提供一种半导体材料的抛光方法、用于锑化镓衬底抛光的抛光液，方法是对莫氏硬度为1.5‑6的半导体材料进行抛光,第一步为粗抛光，采用含有硬磨料的抛光液对半导体材料衬底片进行机械抛光，第二步为中抛光，中抛光液包括软抛光磨料、弱酸性氧化剂、有机酸、亲水性非离子表面活性剂、去离子水；第三步为精抛光，精抛光液包括弱酸性氧化剂、有机酸和去离子水，采用本发明的抛光方法对半导体材料进行抛光，消除蚀坑、划痕，减少凹坑，得到表面粗糙度良好的材料。
Description
技术领域
本发明涉及光电材料抛光加工技术领域，特别涉及锑化镓衬底片的化学机械抛光方法。
背景技术
锑化镓是重要的III-V族化合物半导体材料，是良好的电子和光电子器件材料，也是制造太阳能电池的极佳材料。由于锑化镓材料具有较窄的禁带宽度和较大的晶格常数，容易与禁带宽的半导体材料相配，生长出高质量的超晶格和双异质结外延层，又是制造红外监测器件和量子阱器件极好的衬底材料。锑化镓材料制造的器件除了在光纤通信中有巨大的潜在应用价值外，在其他领域也有很大的潜在应用价值，如制作火箭和监视系统中的红外成像器件，用于火灾报警和环境污染检测及工厂中腐蚀气体和有毒气体泄漏检测的传感器，以及空间技术领域应用等。
对莫氏硬度为1.5-6的化学性质非常活跃的半导体材料，比如锑化镓，表面极易氧化、材料脆性大，较软、易产生划痕，难以加工出高质量的衬底片。随着锑化镓应用越来越广泛，对锑化镓衬底片的表面质量要求也逐步提高。
目前，对光电材料主要采用化学机械抛光方法(CMP)进行抛光来提高其表面质量。CMP工艺是将磨粒的机械研磨作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来的一项技术。该技术的本质是抛光液中的化学试剂与待抛光衬底发生化学反应，在衬底表面形成一层很薄、结合力较弱的生成物；而抛光液中的磨粒在压力和摩擦作用下对抛光衬底表面进行微量去除。所以，在CMP过程中化学腐蚀作用与磨粒机械作用程度的比例，在很大程度上决定了抛光衬底表面质量和抛光效率。通过化学机械抛光可以有效消除前道工序带来的缺陷，改善衬底表面及亚表面质量，降低残余应力的影响。同时，CMP抛光过程可对衬底表面实现纳米尺度的材料去除，从而有效的降低表面粗糙度、改善衬底平整度,可实现超精密低损伤表面加工，满足衬底片低表面缺陷、低表面损伤层的需要。
但由于CMP工艺是为了满足超大规模集成电路制造表面平坦化而发展起来的一种新技术，所加工的衬底材料硬度较大，而锑化镓是近期出现的半导体红外衬底材料，其脆性大，较软、易产生划痕，另外化学性质非常活泼，表面极易氧化；采用常规CMP工艺对锑化镓衬底进行抛光后，在锑化镓晶片表面划痕严重，抛光用的磨料易嵌在衬底表面，在衬底表面出现凹坑、麻点、表面粗糙度较大，表面粗糙度一般为1nm，采用此种抛光方法加工的衬底在经过MBE高温烘烤氧化后，划伤表面产生错位分布、影响薄膜层原子排列，造成衬底表面生长的薄膜粗糙度大，表面不平整，从而影响器件性能。而受技术保密影响，相关的专门针对锑化镓加工的CMP工艺目前还无法得到。
另外，当前对于半导体材料抛光常采用碱性抛光液，用氢氧化钾，氢氧化钠等碱性调节剂调节其PH值，抛光完成后表面残留金属离子污染，造成清洗负担，通过反复实验发现，采用含有离子的抛光液由于表面具有金属离子残留，因此易使器件漏电，影响器件性能。
为此专利申请号为201610615129.2的中国发明专利，其公开号为CN106064326A，公开了一种用于锑化镓单晶片的抛光方法，采用粗、中、精抛进行抛光，在中抛中，氧化剂采用次氯酸钠，采用磷酸作为PH值调节剂，pH值控制在6，精抛光中采用中性抛光液双氧水，采用PH调节剂进行调节，pH值控制在4，采用上述工艺进行抛光，由于中抛中采用磷酸进行抛光，氧化剂采用次氯酸钠，且pH值控制在6，磷酸为强酸、次氨酸钠为强碱，抛光液的PH值很难稳定地控制在6，抛光液的PH值处于不稳定状态，因此，抛光一会后易在衬底表面产生比较粗的划痕、凹坑等缺陷，难以维持良好的抛光效果，需频繁地更换抛光液或者加入酸、氧化剂进行调整，精抛光中采用中性抛光液双氧水，精抛液呈酸性，双氧水不稳定，其自身既有氧化性又有还原性，在酸性中不稳定，导致抛光液性能不稳定，易使表面产生比较明显的缺陷，每次调整PH值后抛光液使用的时间短，为保证抛光质量，需频繁调整抛光液的PH值。同时，由于中抛光中抛光液中含采用氧化剂次氯酸钠，钠离子易附着在被抛光的表面，不易被抛光液带走，
发明内容
本发明的目的是，针对采用现有技术CMP工艺对锑化镓等较软的半导体材料抛光时抛光磨料、抛光液中含有的金属离子等易附着在被抛光物的表面，使抛光物表面产生划痕、抛光液的寿命低的不足，提供一种半导体材料的抛光方法，特别适用于锑化镓或锑化铟等较软的半导体衬底片的抛光。
本发明进一步的目的是，在保证抛光面粗糙度的情况下，提高材料表面去除效率，提高抛光效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
半导体材料的抛光方法，对莫氏硬度为1.5-6的半导体材料进行抛光,包括如下步骤，第一步为粗抛光，采用含有硬磨料的抛光液对半导体材料衬底片进行机械抛光，第二步为中抛光，中抛光液包括软抛光磨料、弱酸性氧化剂、有机酸、亲水性非离子表面活性剂、去离子水；第三步为精抛光，精抛光液包括弱酸性氧化剂、有机酸和去离子水；
所述精抛中精抛光液按体积百分比由以下组分组成：氧化剂1-10％；有机酸0.1-5％；其余为去离子水；抛光液PH值3-5；
精抛光采用带绒毛无磨料抛光布，抛光压力30-50g/cm2，抛光转速30-50rpm，精抛光液流量10-20ml/min；所述抛光布为带绒毛合成革无磨料抛光布；
所述的中抛中抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径40-60nm的软抛光磨料10-30％；有机酸0.1-2％；弱酸性氧化剂1-10％；亲水性非离子表面活性剂0.1-0.5％；其余为去离子水；中抛光液PH值4-6；
中抛中采用抛光垫进行抛光，转速40-80rpm，压力80-100g/cm2，中抛光液供给流量5-10ml/min；所述抛光垫为聚氨酯抛光垫；
所述粗抛光中，所述粗抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径为3-8um的氧化铝磨料10-30％；亲水性非离子表面活性剂0.01-0.1％；其余为去离子水；
粗抛中采用抛光垫进行抛光，抛光转速40-80rpm，压力60-100g/cm2，粗抛光液流量为80-100ml/min；所述抛光垫为聚氨酯抛光垫；
所述氧化剂为次氯酸、过氧化氢、次氯酸盐、过氧乙酸、过硫酸铵、过氧化氯、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸一种或两种及两种以上的混合物；
所述有机酸为柠檬酸、酒石酸、乙酸和草酸一种或两种及两种以上的混合物；
所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸脂、脂肪酸聚氧乙烯脂、烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇脂肪酸酯、失水山梨醇脂肪酸酯、葡萄糖、聚氧乙烯脱水山梨糖醇烷基酸酯之一或二者以上混合物；
所述的半导体材料为锑化镓；
所述软磨料为二氧化硅、氧化铈中的一种或二者复合的纳米磨料，所述硬磨料为氧化铝、金刚石、碳化硅中的一种。
用于锑化镓衬底抛光的抛光液，抛光液按体积百分比由以下组分组成：氧化剂1-10％；有机酸0.1-5％；其余为去离子水，所述的抛光液PH值3-5；
所述的有机酸为柠檬酸、酒石酸、乙酸和草酸一种或两种及两种以上的混合物，所述的氧化剂次氯酸、过氧化氢、次氯酸盐、过氧乙酸、过硫酸铵、过氧化氯、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸中的一种或两种及两种以上的混合物；
抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径40-60nm的软抛光磨料10-30％；有机酸0.1-2％；氧化剂1-10％；非离子表面活性剂0.1-0.5％；其余为去离子水；
所述的有机酸为柠檬酸、酒石酸、乙酸和草酸一种或两种及两种以上的混合物，所述的氧化剂为次氯酸、过氧化氢、次氯酸盐、过氧乙酸、过硫酸铵、过氧化氯、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸中的一种或两种及两种以上的混合物；所述的抛光液，抛光液PH值4-6，所述的所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸脂中的一种或两混合物。
采用本发明的抛光方法对半导体材料进行抛光，由于中抛光液中采用了亲水性的非离子表面活性剂，抛光中脱落的磨料和抛光时产生的游离的金属离子可以在亲水性的非离子表面活性剂的作用下在水中分散并与水结合，可以被不断注入的新的抛光液冲离抛光表面，随着抛光液流走，因此，在抛光表面中不易沉积脱落的磨料及游离的金属离子，减少和避免了上述物质对于抛光表面的损伤，特别是，在精抛过程中，在去离子水的作用下进一步洗除上金属离子，使最终获得的抛光表面无划伤、划痕，不易造成器件漏电；在中抛光液和精抛光液中均采用弱酸性氧化剂，并采用有机酸进行PH值调节，因此，可保持抛光液PH值的稳定性，提高抛光液的使用寿命。采用本发明的方法对半导体材料进行抛光，粗抛时采用硬磨料机械抛光，可快速去除因切割材料带来的深划痕，使表面缺陷比较均匀，中抛光可减少粗抛光产生的应力缺陷层，去除粗抛时带来的缺陷，去除粗抛时残留的磨料，消除深的划痕、和磨点、蚀坑，精抛将中抛时残留在材料上的磨料去除，并消除蚀坑、划痕，减少凹坑，得到表面粗糙度良好的材料。
附图说明
图1是采用实施例1抛光方法获得的2英寸锑化镓衬底抛光片金相显微镜100倍的明场检测图像；
图2采用实施例2抛光方法获得的2英寸锑化镓衬底抛光片金相显微镜100倍的明场检测图像；
图3-图7分别为采用实施例6-实施例10抛光方法获得的2英寸锑化镓衬底抛光片金相显微镜100倍的明场检测图像；
图8-图10是分别为采用对比例1-3对比例抛光方法获得的2英寸锑化镓衬底抛光片金相显微镜100倍的明场检测图像；
图11-图13是分别为采用对比例11-对比例13抛光方法获得的2英寸锑化镓衬底抛光片金相显微镜100倍的明场检测图像；
图14-图23为采用实施例1-实施例10抛光方法获得的2英寸锑化镓抛光片表面颗粒度检测图像，采用表面颗粒度检测仪surfscan6200检测图像；
图24-图25为采用对比例1-对比例2抛光方法获得的2英寸锑化镓抛光片表面颗粒度检测图像，采用表面颗粒度检测仪surfscan6200检测图像；
图26-图35示出了采用实施例1-实施例10抛光方法获得的2英寸锑化镓抛光片原子力显微镜测试图像，图中为AFM平面图；
图36-图40分别为采用强酸抛光后100倍金相暗场其中，36为明场观察磷酸抛光后表面；图37硫酸抛光后表面；图38盐酸抛光后表面；图39盐酸抛光后表面；图40有机酸抛光后表面。
图41为凹坑形状示例图片；
图42为腐蚀坑形状示例图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地描述：
本发明的用于半导体材料的抛光方法包括如下步骤：先对材料进行粗抛光，而后再进行中抛光，而后再进行精抛光。其中粗抛光采用机械抛光，采用含有氧化铝、金刚石、碳化硅硬磨料颗粒的抛光液进行抛光，主要是去除材料厚度使其接近所需的厚度尺寸，减少材料加工切割时造成的划伤数量，降低材料切割时造成的划伤深度，去除切片产生的划痕，使衬底片表面无明显的麻点、划伤、凹坑，减少材料切割造成的应力缺陷层的深度，提高抛光速度；中抛光采用较软的二氧化硅、氧化铈、或二者的混合纳米磨料，在去除粗抛光产生的划伤、凹坑、麻点等缺陷的同时，减少本次抛光带来的应力缺陷，减少粗抛光的应力层深度，消除粗抛光产生的细划伤、减少粗抛光后的麻点的深度和数量，中抛光液采用二氧化硅纳米磨料，有机酸、弱酸性氧化剂；亲水性非离子表面活性剂及去离子水；中抛光液PH值为4-6；最好采用聚氨酯抛光垫；精抛光采用无磨料化学抛光，采用弱酸和弱酸性氧化剂结合的抛光液对经中抛后的材料进行腐蚀性抛光，对材料表面进行腐蚀形成氧化物溶解在抛光液中被抛光液带走，通过对材料进行腐蚀减少材料厚度使嵌在材料表面的抛光磨料颗粒松动，将残留的抛光磨料被抛光液带走，在去除材料的时候去除应力层和划伤、凹坑、麻点，去除附着在底片上的磨料颗粒、去除中抛后残留的浅痕、抛光雾、获得所需的衬底片。采用本发明方法对半导体材料进行抛光，先通过粗抛尽量降低对材料的划伤深度和数量，减少应力缺陷层的深度并使材料接近所需的厚度，因此，可提高整体抛光效率，降低后续抛光的难度，通过中抛减少粗抛产生的划伤、凹坑、磨点等缺陷的深度和数量，减少粗抛时在材料上形成的应力层深度，降低本次抛光带来的应力缺陷，去除粗抛时留存的磨料；采用无磨料弱酸性抛光液对材料进行精抛，由于在抛光中材料被抛光液腐蚀溶解，把持磨料的材料减少，因此嵌在材料上的磨料颗粒被松动，在抛光布的作用下从材料上脱离被抛光液带走，磨料颗粒脱离材料后在材料表面形成凹坑、麻点，这些凹坑、麻点及前道工序残留的细小的划伤和划痕、凹坑、麻点也由于其周围表面的材料不断被腐蚀溶解与周围材料表面的高度逐渐达到一致，因此被去除或有效减轻，而弱酸性抛光液不会对抛光材料表面产生过渡腐蚀，因此，得到的抛光面无蚀坑。采用本发明的工艺，在粗抛和中抛后采用无磨料抛光液对材料进行精抛，精抛中无抛光磨料，因此，不会因磨料的压力继续产生应力缺陷，由于是通过化学腐蚀和无磨料磨削相结合进行的抛光，因此可以减少前道工序留下的应力层的深度，得到的材料表面粗糙度低、应力层少，凹坑少、无划痕、麻点或划痕麻点数量少，且很浅。
本发明的抛光方法特别适用于质地较软的半导体材料，如锑化镓、锑化铟、也可用于砷。
本发明中，粗抛光液、中抛光液均不含分散剂，仅采用亲水性非离子表面活性剂使磨料分散，防止磨料聚集，磨料和游离在抛光液中的离子在亲水性非离子表面活性剂的作用下易分散在抛光液中，不断被抛光液带走，因此，使被抛光表面易清洗、抛光表面很少或无磨料和游离的离子沉积附着，防止抛光液本身对抛光面带来二次损伤。
下面以加工锑化镓为例对本抛光方法进行说明。
具体如下：
步骤1：粗抛光，采用机械抛光。
采用无磨料抛光垫进行抛光，抛光转速40-80rpm，压力60-100g/cm2，最好采用聚氨酯抛光垫。压力最好为60-100g/cm2。
粗抛光液流量为80-100ml/min；粗抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径为3-8um的氧化铝磨料10-30％；亲水性非离子表面活性剂0.1-1％；其余为去离子水；在选用磨料时最好选择同样大小的磨料，其粒度差范围为±0.5um，避免出现磨料粒度不均匀造成划伤，采用的磨料粒度越大所用压力越小，下一抛光工序所需的时间越长。比如磨料可采用3±0.5的粒度，也可采用8±0.5或6±0.5。
步骤2：中抛光。采用化学机械结合抛光。
采用无磨料抛光垫进行抛光，转速50-80rpm，压力80-100g/cm2，中抛光液供给流量5-10ml/min；中抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径40-60nm的二氧化硅纳米磨料10-30％；有机酸0.1-2％；弱酸性氧化剂1-10％；亲水性非离子表面活性剂0.1-0.5％；其余为去离子水；中抛光液PH值4-6；最好采用聚氨酯抛光垫。同样在选择磨料的粒度时要采用颗粒大小一致的磨料，其均匀性为±10nm。
有机酸优选柠檬酸、酒石酸、乙酸、和草酸一种或两种及两种以上的混合物。亲水性非离子表面活性剂优选脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸脂、脂肪酸聚氧乙烯脂、烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇脂肪酸酯、失水山梨醇脂肪酸酯、葡萄糖，蔗糖脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇烷基酸酯中的一种或两混合物，其使用效果大体相同。氧化剂优选次氯酸、过氧化氢、次氯酸盐、过氧乙酸、过硫酸铵、过氧化氯、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸一种或两种及两种以上的混合物。本发明中，弱酸最好采用混合酸，混合酸中至少有一种含氯的弱酸，比如二氯异氰尿酸，三氯异氰尿酸，可很好地起到稳定氧化剂的作用，最好其用量不超过总体氧化剂用量的3％。采用过氧乙酸，其氧化性体现在分解后产生氧和乙酸，使抛光液既有氧化性又有酸性，使抛光液呈复合状，因此，可配置更稳定的复合抛光液。
步骤3、精抛光，采用化学抛光。
精抛光采用带绒毛无磨料抛光布，最好是带绒毛合成革抛光布，精抛光液为无磨料抛光液，抛光压力30-50g/cm2，抛光转速30-50rpm，精抛光液流量10-20ml/min。
精抛光液按体积百分比由以下组分组成：氧化剂1-10％；有机酸0.1-5％；其余为去离子水；抛光液PH值3-5。有机酸最好采用中抛光液中所用的有机酸。
本发明中，精抛光液PH值控制在3-5，可避免抛光后的表面产生划痕、抛光雾，波纹状橘皮避免晶圆表面产生缺陷。
最好采用roller pump非循环滴液(真空挤压)的方式供给抛光液。
化学机械抛光之后，迅速使用去离子水对石英盘上的锑化镓晶片进行喷淋，防止氧化。
采用本上述方法对锑化镓衬底片进行分步抛光，粗抛时采用硬质的、颗粒相对较大的磨料氧化铝、金刚石、碳化硅硬磨料颗粒抛光液进行抛光，可以尽量减少对锑化镓衬底的划伤深度和数量，减少应力缺陷层的深度，去除锑化镓衬底片表面上深的擦痕，得到接近材料厚度的尺寸，提高抛光效率；中抛采用粒径40-60nm较软的二氧化硅、氧化铈、或二者复合的纳米磨料，在去除粗抛产生的划伤等缺陷的同时，还可降低本次抛光带来的应力缺陷，可减少由于粗抛中压力大形成的应力层的厚度，精抛采用无磨料颗粒抛光，进一步减轻中抛产生的缺陷，后道抛光工序还可有效去掉上道工序残留在衬底上的抛光颗粒，采用精抛将浅的划痕用酸性溶液进行腐蚀同时通过绒毛布摩擦磨平，用酸腐蚀掉或腐蚀松动小麻点，将把持二氧化硅颗粒的材料通过腐蚀去除掉或减少，防止磨料粘在衬底上，因此，抛光效果好，可以获得优良质量的衬底表面，锑化镓衬底片表面损伤小，平整度高、无蚀坑、麻点、抛光雾等抛光缺陷，易清洗得到表面粗糙度Ra小于0.3nm的光滑表面；采用本发明工艺，锑化镓衬底不仅表面质量良好，而且可降低衬底应力层。
本发明中抛光液中含有适量的非离子表面活性剂、有机酸、氧化剂，具有以下优势：1、由氧化剂控制有机酸的腐蚀速度，可获得稳定的抛光速率，抛光均匀、一致、抛光表面平整，由有机酸对材料表面进行弱酸腐蚀，腐蚀掉的材料溶解在抛光液中，亲水性非离子表面活性剂，呈亲水性，使磨料分布均匀，减少磨粒附着力，可使腐蚀掉的材料更易混合在抛光液中被抛光液及时带走，不会粘附在材料表面，防止被腐蚀掉的抛光液及磨料对材料表面造成二次损害，得到的材料表面粗糙度底。中抛光液中磨料采用粒径40-60nm的二氧化硅、氧化铈、或二者复合的纳米磨料，磨料较软，不易造成划伤和磨料渗透，因此，在去除材料时不易产生深的划痕、凹坑，得到的中间产品的粗糙度好。2、在硅溶胶中添加有机酸、非离子表面活性剂、弱酸性的过氧化氢或次氯酸等，使抛光液易保持稳定的PH值，抛光过程中ph值平稳，同时在抛光过程中改善抛光液性能，起到络合缓冲剂的作用，显著减少化学腐蚀坑等缺陷，提高表面粗糙度。该抛光液配制简单、工艺稳定；减少了强酸对环境、人体的危害和对设备器件的腐蚀。
本发明中的精抛光液，由有机酸和弱酸性氧化剂与去离子水组成，为弱酸性无磨料抛光液，有机酸和弱酸性氧化剂结合可控制有机酸的腐蚀速度，使抛光速度可以控制在一定的范围内，抛光速度稳定可控，抛光均匀，可获得好的表面质量，通过弱酸腐蚀材料去除凹坑、麻点、应力层缺陷，因此，不会因本次抛光带来二次划伤，本次抛光不会产生新的应力缺陷。
本发明中，中抛光液、精抛光液均采用弱酸性抛光材料，无需使用含有金属离子的氢氧化钾，氢氧化钠等碱性调节剂，抛光完成后表面无金属离子残留污染，不需清洗，防止增加器件漏电概率，使器件性能稳定。本发明中，采用分步抛光，每步中使用不同的抛光液，最后采用无磨料化学抛光，抛光液易配制，无防腐剂和消菌剂，节省成本，减少对环境的污染。
采用本发明抛光方法，采用有机酸作为PH值调节剂，可使抛光过程中ph值稳定、平衡，同时在抛光过程中改善抛光液性能，起到络合缓冲剂的作用，显著减少化学腐蚀坑等缺陷，提高表面粗糙度；采用有机酸作为PH值调节剂与采用无机酸作为PH值调节剂相比，无机酸酸性一般较强，抛光液中含有强氧化剂，光照或水溶液中释放【O】原子，与强酸结合氧化性更强，锑化镓容易被强酸氧化，生成锑化合物、镓化合物，抛光时容易氧化造成表面划伤，这两种氧化物不溶于水或微溶于水，不易清洗，造成抛光表面颗粒物污染。本发明的中抛光液及精抛光液的配方中，经实验证明，采用盐酸，硫酸，硝酸，磷酸作为PH值调整剂时，锑化镓表面发灰，发白，发黄，发暗，化学与机械性能不平衡，抛光后的表面有划伤和蚀坑，遇【O】原子氧化性更强；本发明采用弱酸调节PH值，抛光后被抛光表面光亮，粗糙度更好。有机酸呈弱酸，采用有机酸化学抛光，抛光液易配制，无需防腐剂，节省成本，轻微中和之后作为废液排放，减少对环境的污染；有机酸对配液、生产、环境、设备、人员等相比无机酸更有明显优势。
中抛光液中，采用亲水性非离子表面活性剂，清洗时的晶圆表面残留抛光颗粒或者晶圆氧化物颗粒包覆使其难以吸附在晶圆表面，抛光或清洗时可以被有效地去除。
采用本发明的中抛光工艺，抛光压力、转速和抛光液的流量与抛光液配方相适配，使抛光速度稳定一致，有效减少磨料带来的应力缺陷，能及时补充抛光液并将废的抛光液及时带走，减少和防止抛光材料和抛光液本身对于被抛光材料表面的污染，抛光效果更好。使抛光液能发挥更好的抛光作用。
采用本发明的精抛光工艺，采用无磨料抛光，抛光速度与抛光液配方适应，抛光压力远低与中抛的抛光压力，抛光速度稳定、抛光效率高，防止在最后的抛光工序中产生应力缺陷。
采用本发明的上抛光工艺对锑化镓衬底进行抛光时，得到的衬底的表面平整、粗糙度和TTV均满足MBE生长需要，衬底样品尺寸为2inchφ50.8±0.5mm时其Ra≤0.3nm，TTV≤3um，材料去除效率高，可达到。
实施例1
采用Gnad41研磨抛光机进行抛光。
锑化镓衬底片的工艺流程包括研磨、倒角、抛光、和清洗，本发明主要针对其中的抛光工艺进行描述。
首先去除锑化镓线切割片表面的线痕，将其研磨至工艺要求的厚度，研磨时一般单面去除厚度为40-50um；再将研磨好的锑化镓晶片用清洗剂加超声波清洗干净，确保表面无锑化镓研磨时产生的颗粒；用固体石蜡加热60-80℃将φ50.8±0.5mm锑化镓晶片均匀的粘贴在石英载盘上冷却并压实，确保TTV≤2-3um，确保后续抛光的总厚度偏差精度在可控范围内，用无尘布蘸取异丙醇(IPA)或无水乙醇擦掉石英载盘、晶片周围及晶片表面多余的石蜡，防止抛光时石蜡污染抛光垫，然后用去离子水冲洗干净。而后开始抛光处理。
第一步粗抛光：粗抛光采用聚氨酯抛光垫，抛光液中含有粒径为3um的氧化铝磨料，压力60g/cm2，转速40rpm，采用roller pump非循环滴液(真空挤压)的方式供给抛光液，流量80ml/min。粗抛光使用的抛光液按体积百分比由以下组分组成：3um粒径氧化铝磨料10％；亲水性非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚0.5％；去离子水89.5％；
第二步中抛光：中抛光采用聚氨酯抛光垫，抛光液中含有粒径为60nm的二氧化硅纳米磨料和次氯酸，压力100g/cm2，转速80rpm，采用roller pump非循环滴液(真空挤压)的方式供给抛光液，流量5ml/min；中抛光使用的抛光液按体积百分比由以下组分组成：60nm粒径二氧化硅20％；有机酸采用柠檬酸0.1％；氧化剂采用次氯酸7％；亲水性非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚0.5％；去离子水72.4％；抛光液配比PH值4.5。
第三步精抛光：精抛光采用带绒毛合成革抛光布，抛光液为无磨料抛光液，压力50g/cm2，转速50rpm，采用roller pump非循环滴液(真空挤压)的方式供给抛光液，流量10ml/min。精抛光使用的抛光液按体积百分比由以下组分组成：氧化剂采用次氯酸1.5％；有机酸采用柠檬酸0.5％；去离子水98％；抛光液配比PH值4.5；
化学机械抛光之后，迅速使用去离子水对石英盘上的锑化镓晶片进行喷淋，一是防止氧化，二是进一步去除颗粒污染物，然后进行合适的去蜡、清洗、甩干工序。
将本实施例抛光完成后的锑化镓晶片进行如下检测：
将抛光完成后的锑化镓晶片在强光下进行目检检测，表面无划伤，无抛光雾，无崩边缺陷；
将抛光完成后的锑化镓晶片进行金相显微镜的检测，在暗场100倍下观察晶片表面无亮点、划伤，在明场100、200、500倍下观察晶片表面无凹坑、无蚀坑，无橘皮和划伤，且表面基体非常平整；见附图1。注意，本图像中视野里面的亮点是颗粒污染物并非凹坑，因清洗时未洗干净或测试时环境因素带来的颗粒污染物。
将抛光完成后的锑化镓晶片进行surfscan6200颗粒度检测仪的检测，在G6检测范围内52个颗粒/cm2；优于通常的100-200个颗粒/cm2。见附图3。
将抛光完成后的锑化镓晶片的粗糙度Ra进行AFM检测，扫描范围是10um﹡10um，检测值为Ra＝0.19nm，RMS＝0.472nm；见附图5。
实施例2
锑化镓晶片的工艺流程包括研磨、倒角、抛光、和清洗，本发明主要针对其中的抛光工艺进行阐述。首先去除锑化镓线切割片表面的线痕，将其研磨至工艺要求的厚度(一般单面去除厚度在40-50um)；再将研磨好的锑化镓晶片用清洗剂加超声波清洗干净，确保表面无锑化镓研磨时产生的颗粒；用固体石蜡加热60-80℃将φ50.8±0.5mm锑化镓晶片均匀的粘贴在石英载盘上冷却并压实，确保TTV≤2-3um，确保后续抛光的总厚度偏差精度在可控范围内，用无尘布蘸取异丙醇或无水乙醇擦掉石英载盘、晶片周围及晶片表面多余的石蜡，防止抛光时石蜡污染抛光垫，然后用去离子水冲洗干净；
第一步粗抛光：粗抛光采用聚氨酯抛光垫，抛光液中含有粒径为3um的氧化铝磨料，压力90g/cm2，转速40rpm，采用roller pump非循环滴液(真空挤压)的方式供给抛光液，流量70ml/min。粗抛光使用的抛光液按体积百分比由以下组分组成：5um粒径氧化铝磨料30％；亲水性非离子表面活性剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚与聚氧乙烯脂肪酸脂的混合物，用量为1％；去离子水69％；
第二步中抛光：中抛光采用聚氨酯抛光垫，抛光液中含有粒径为40nm的二氧化硅纳米磨料和次氯酸，压力80g/cm2，转速50rpm，采用roller pump非循环滴液(真空挤压)的方式供给抛光液，流量10ml/min；中抛光使用的抛光液按体积百分比由以下组分组成：二氧化硅40nm粒径30％；有机酸采用酒石酸，用量为2％；氧化剂采用过氧化氢10％；亲水性非离子表面活性剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚与聚氧乙烯脂肪酸脂的混合物，用量为0.1％；去离子水57.9％；抛光液PH值为4％。
第三步精抛光：精抛光采用带绒毛合成革抛光布，抛光液为无磨料抛光液，压力30g/cm2，转速40rpm，采用roller pump非循环滴液(真空挤压)的方式供给抛光液，流量20ml/min。精抛光使用的抛光液按体积百分比由以下组分组成：精抛光使用的抛光液按体积百分比由以下组分组成：氧化剂采用过氧化氢，用量10％；有机酸采用酒石酸，用量为1％；；去离子水89％；抛光液配比PH值4；
化学机械抛光之后，迅速使用去离子水对石英盘上的锑化镓晶片进行喷淋，防止氧化，然后进行合适的去蜡、清洗、甩干工序；
将本实施例抛光完成后的锑化镓晶片进行如下检测：
将抛光完成后的锑化镓晶片在强光下进行目检检测，表面无划伤，抛光雾，崩边缺陷；
将抛光完成后的锑化镓晶片进行金相显微镜的检测，在暗场100倍下观察晶片表面无亮点、划伤，在明场100、200、500倍下观察晶片表面无凹坑，无橘皮和划伤，且表面基体非常平整；见图2。
将抛光完成后的锑化镓晶片进行surfscan6200颗粒度检测仪的检测，在G6检测范围内不到42.1/cm2颗粒；见图4。
将抛光完成后的锑化镓晶片的粗糙度Ra进行AFM的检测扫描范围是10um﹡10um，Ra＝0.159nm，RMS＝0.447nm；见图6
采用本发明的化学机械抛光工艺，粗抛时，去除速率可达2-4um/min，中抛时去除速率达0.25-3um/min，精抛可达0.1-0.2um/min，可以在较短的时间内去除衬底表面损伤层；实现晶片表面低损伤层，无蚀坑、麻点、抛光雾等抛光缺陷；原子力显微镜(AFM)检测显示粗糙度Ra值小于0.3nm，最佳的粗糙度Ra小于0.2nm，每道抛光工序用时20-60min，自动化程度高，良品率明显提升，有利于降低成本。
实验证明，当抛光液中氧化剂与含氯的氧化剂混合使用时比单独使用该氧化剂时抛光液的寿命更长，抛光效果更稳定。
其它实施例和对比例见下表表1-表2.
对比例1氧化剂采用次氯酸钠，PH调节剂采用磷酸其余同实施例1；
对比例2氧化剂采用次氯酸钠，PH调节剂采用盐酸其余同实施例2；
对比例3氧化剂采用次氯酸钠，PH调节剂采用硝酸其余同对实施例3；
从对比例1-3与实施例1-3相比，可看出，采用弱酸性氧化剂与弱酸性PH值调节剂与采用次氯酸纳作为氧化剂，采用强酸作为PH值调节剂相比，可得到更好抛光质量的锑化镓晶片。表明有机酸作为调节剂，具有稳定抛光液中氧化剂的作用，实现抛光速率稳定、抛光液氧化剂稳定的作用，可以实现较好的抛光表面。
对比例11采用疏水性非离子表面活性剂脂肪酸山梨坦，其余同实施例1；
对比例12采用疏水性非离子表面活性剂单硬脂酸甘油脂，其余同实施例2；
对比例13采用疏水非离性子表面活性剂单月桂酸甘油酯，其余同实施例3；
对比例11-13分别与实施例1-3相比，在其它工艺条件相同的情况下，采用亲水非离子表面活性剂进行抛光能获得更好的粗糙度，可获得没有划伤的抛光表面，抛光表面无橘皮。
本发明中在次氯酸钠、双氧水中加入弱酸或者含氯的化学剂，使抛光液更稳定，减少氧化剂分解，使抛光效率更稳定。
表一：本发明抛光方法实施例1-5工艺参数表
表二：本发明抛光方法实施例工艺参数续表1
表三、采用本发明方法实施例1-5抛光后效果表
表三续：实施例6-10效果表
备注：1、凹坑：是晶体本身缺陷造成或抛光时外部硬颗粒(抛光液杂质、结晶；环境)嵌入材料后脱落造成，一般较深，在金相明场200、500倍下观察，凹坑侧面圆滑；
2、蚀坑：蚀坑是抛光时因化学腐蚀较强，与机械性能不平衡，造成的腐蚀坑，一般较浅。其侧面倾斜，不规则重叠或者呈片状连接，与正面交界处呈明显峰状。
这些都是凹缺陷，缺陷尺寸主要集侧面中在0-10um以下，缺陷数量0-10/cm2
表4：采用本发明中抛光液抛光后的抛光物表面质量情况及中抛光液和精抛光液的寿命与对比例1-3相比效果表，实验中，腐蚀坑，橘皮来衡量抛光液寿命，当抛光表面产生划痕、腐蚀坑，橘皮时，则说明抛光液PH值平衡被打破，抛光液到达使用寿命。
表4续：采用本发明中抛光液抛光后的抛光物表面质量情况及中抛光液和精抛光液的寿命与对比例1-3相比效果表，实验中，以抛光表面是否产生划痕不衡量抛光液寿命，当抛光表面产生划痕时，则说明抛光液PH值平衡被打破，抛光液到达使用寿命。
Claims (16)
1.半导体材料的抛光方法，其特征在于，对莫氏硬度为1.5-6的半导体材料进行抛光,包括如下步骤，第一步为粗抛光，采用含有硬磨料的抛光液对半导体材料衬底片进行机械抛光，第二步为中抛光，中抛光液包括软抛光磨料、弱酸性氧化剂、有机酸、亲水性非离子表面活性剂、去离子水；第三步为精抛光，精抛光液包括弱酸性氧化剂、有机酸和去离子水。
2.如权利要求1所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述精抛中精抛光液按体积百分比由以下组分组成：氧化剂1-10％；有机酸0.1-5％；其余为去离子水；抛光液PH值3-5。
3.如权利要求1或2所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，精抛光采用带绒毛无磨料抛光布，抛光压力30-50g/cm2，抛光转速30-50rpm，精抛光液流量10-20ml/min；所述抛光布为带绒毛合成革无磨料抛光布。
4.如权利要求1所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述的中抛中抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径40-60nm的软抛光磨料10-30％；有机酸0.1-2％；弱酸性氧化剂1-10％；亲水性非离子表面活性剂0.1-0.5％；其余为去离子水；中抛光液PH值4-6。
5.如权利要求1或4所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，中抛中采用抛光垫进行抛光，转速40-80rpm，压力80-100g/cm2，中抛光液供给流量5-10ml/min；所述抛光垫为聚氨酯抛光垫。
6.如权利要求1所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述粗抛光中，所述粗抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径为3-8um的氧化铝磨料10-30％；亲水性非离子表面活性剂0.01-0.1％；其余为去离子水。
7.如权利要求1或6所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，粗抛中采用抛光垫进行抛光，抛光转速40-80rpm，压力60-100g/cm2，粗抛光液流量为80-100ml/min；所述抛光垫为聚氨酯抛光垫。
8.如权利要求2或4所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述氧化剂为次氯酸、过氧化氢、次氯酸盐、过氧乙酸、过硫酸铵、过氧化氯、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸一种或两种及两种以上的混合物。
9.如权利要求2或4所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述有机酸为柠檬酸、酒石酸、乙酸和草酸一种或两种及两种以上的混合物。
10.如权利要求2或4所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸脂、脂肪酸聚氧乙烯脂、烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇脂肪酸酯、失水山梨醇脂肪酸酯、葡萄糖、聚氧乙烯脱水山梨糖醇烷基酸酯之一或二者以上混合物。
11.如权利要求1所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述的半导体材料为锑化镓。
12.如权利要求1所述的半导体材料的抛光方法，其特征在于，所述软磨料为二氧化硅、氧化铈中的一种或二者复合的纳米磨料，所述硬磨料为氧化铝、金刚石、碳化硅中的一种。
13.用于锑化镓衬底抛光的抛光液，其特征在于，抛光液按体积百分比由以下组分组成：氧化剂1-10％；有机酸0.1-5％；其余为去离子水，所述的抛光液PH值3-5。
14.如权利要求13所述的用于锑化镓衬底抛光的抛光液，其特征在于，所述的有机酸为柠檬酸、酒石酸、乙酸和草酸一种或两种及两种以上的混合物，所述的氧化剂次氯酸、过氧化氢、次氯酸盐、过氧乙酸、过硫酸铵、过氧化氯、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸中的一种或两种及两种以上的混合物。
15.用于锑化镓衬底抛光的抛光液，其特征在于，抛光液按体积百分比由以下组分组成：粒径40-60nm的软抛光磨料10-30％；有机酸0.1-2％；氧化剂1-10％；非离子表面活性剂0.1-0.5％；其余为去离子水。
16.如权利要求15所述的用于锑化镓衬底抛光的抛光液，其特征在于，所述的有机酸为柠檬酸、酒石酸、乙酸和草酸一种或两种及两种以上的混合物，所述的氧化剂为次氯酸、过氧化氢、次氯酸盐、过氧乙酸、过硫酸铵、过氧化氯、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸中的一种或两种及两种以上的混合物；所述的抛光液，抛光液PH值4-6，所述的所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸脂中的一种或两混合物。
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