CN116656243B

CN116656243B - 一种碳化硅晶圆抛光液

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Publication number: CN116656243B
Application number: CN202310608081.2A
Authority: CN
Inventors: 梁振
Original assignee: Wuxi Henglihong Industrial Co ltd
Current assignee: Wuxi Henglihong Industrial Co ltd
Priority date: 2023-05-26
Filing date: 2023-05-26
Publication date: 2024-03-29
Anticipated expiration: 2043-05-26
Also published as: CN116656243A

Abstract

本发明提供了一种碳化硅晶圆抛光液，采用的抛光液为中性试剂，存储稳定性高，且其中不含有任何的氧化剂，绿色无污染，性价比高。

Description

一种碳化硅晶圆抛光液

技术领域

本发明属于抛光加工技术领域，涉及一种碳化硅晶圆抛光液。

背景技术

随着半导体、新能源、高端智能制造、5G 信息技术、AI 人工智能等高新技术企业的发展，半导体行业越来越成为一种新型热门行业。半导体材料的制备与工艺研究进展也密切的关系到国家军事、国防、航天航空等重要国家战略领域。半导体市场随之火爆，半导体材料的数量需求越来越大，质量需要也越来越高。在各种半导体材料中，碳化硅（Single-crystal silicon carbide ,SiC）单晶片便是其中一种最具有代表性的第三代半导体材料，SiC单晶广泛应用于 IT、消费、汽车、工业、航空航天、智能电网、轨道交通、电力电子、船舶等许多重要领域。

碳化硅的热膨胀系数小、硬度高、强度好，在高温高压下性能稳定，还具有高崩溃电场强度及最大电流密度、耐腐蚀性强、高弹性模量、使用寿命长等特点，可用于放射性、腐蚀性、高温高压等诸多复杂工况的环境，SiC 也是一种比较理想的衬底材料，因为 SiC 单晶具有良好的热膨胀系数和热导率，所以可以作为大功率照明设备，如 LED 照明设备的衬底材料，以来解决大功率器件在应用中的散热问题。除此之外，SiC 单晶元器件材料的尺寸稳定性比较高、具有较强的耐热冲击能力、化学性质稳定、无毒无害、密度适中等特性，因此SiC 元器件材料也作为反射镜材料，被用于地基、空间等光学系统中，并被大量用来研制一些轻量化、大型化光学零件。

目前，SiC 单晶片的加工工艺流程大致是：切割、粗研磨、精研磨、粗抛光（机械抛光）、精抛光（化学机械抛光）等。由于 SiC 硬度比较高，加工难度很大，当晶体的直径比较大时（直径为 50mm 或以上），采用传统的技术已不能满足要求，人们通常采用线切割技术，使工件成为合乎要求的尺寸大小及形状精度的方法，SiC 晶体最终加工后的表面粗糙度能达到纳米级。

对于单晶 SiC 器件的应用来说，没有划痕和亚表面损伤的光滑表面是至关重要的。然而，单晶 SiC 由于其硬脆的材料特性和强的化学惰性而难以抛光。但是，可以通过SiC 电化学阳极氧化来提高反应速率的方法来提高抛光的效果，SiC 电化学过程要避免SiC 试件过度腐蚀。在电化学机械抛光工艺中，通过阳极氧化将 SiC 的表面改变为疏松的氧化物层，然后通过硬度小于 SiC 的研磨剂如 CeO₂/SiO₂轻松去除，最终实现无划痕和亚表面损伤。

具体而言：

CN110197789A西安理工大学公开了一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置及方法，SiC单晶片和不锈钢电极分别与脉冲电源的正极和负极相连，在抛光液中构成闭合回路，晶片作为阳极发生阳极氧化生成一层氧化膜，在通过抛光垫和磨粒机械性地去除氧化层该方法抛光材料去除效率高，机械抛光不会对SiC单晶基材造成损失；且不会消耗大量电能，节能环保，另外本发明加工装置简单，加工方法易实现，适合大范围推广使用。

CN114654380A碳化硅晶片电化学机械抛光方法，属于抛光加工技术领域。首先，将碳化硅晶片通过导电胶粘接至与电源正极连接的铜抛光头，将带通孔的聚氨酯抛光垫用树脂螺钉固定至与电源负极连接的石墨盘。抛光电源为直流稳压电源。在电机驱动下抛光垫与晶片产生相对运动，抛光时抛光垫和晶片浸入电解液，电解液液面高于抛光垫面，抛光液通过蠕动泵滴加至抛光垫表面。本发明利用碳化硅晶体在NaNO₃电解液中发生的阳极氧化反应来实现碳化硅晶片的高效抛光，在抛光液中使用小粒径金刚石磨料，可起到为氧化过程提供应力源的作用，加快阳极氧化的发生，从而提高抛光效率。另外，本发明能够显著提高碳化硅晶片的抛光速率，在精抛阶段也能保证好的表面质量。

上述专利虽然公开了电氧化处理碳化硅晶片的手段，或者使用脉冲电源来处理碳化硅，但是上述专利偏向装置，并没有公开具体的电化学抛光的试剂或者组成。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种偏中性、无氧化剂的电化学抛光液，通过脉冲切换电源实现碳化硅晶圆的氧化和还原，有效的在阳极时获得OH-离子，在作为阴极时获得强氧化性质的双氧水，有效的氧化碳化硅获得碳化硅-氧化硅表面，然后通过抛光液中的氧化硅进行化学机械抛光，最终获得纳米级粗糙度的碳化硅晶圆产品，所述电化学抛光液绿色无污染，中性溶液便于存储和使用，组成简单，性价比极高，具体而言：

一种碳化硅基材抛光方法，包括如下步骤：

（1）碳化硅基材表面预处理；

（2）以碳化硅为工作电极，石墨材料为对电极，置于电解抛光液中，进行电解抛光反应；

（3）氮气吹扫干燥处理；

其中所述电解抛光液包括如下成分:

20-30wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

5-7wt.%Na₂SO₄；

0.2-0.3wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.1-0.2wt.%α-烯基磺酸盐；

2-3wt%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.2-0.3m³/h。

氧气通气装置为气泡石；

碳化硅与石墨材料的距离为3-5cm。

所述电源为脉冲电源。

脉冲电源参数如下：正向脉冲电压：10-12V，正向脉冲宽：400-500μs，正向占空比：30-40%，负向脉冲电压：20-30V，负向脉冲宽：2-3s，负向占空比：50-65%，脉冲时间为5-30min，温度：10-15℃。

所述碳化硅基材表面预处理，所述预处理包括有定向切割、研磨和机械抛光。

所述抛光液用于碳化硅超精密抛光。

抛光后碳化硅晶圆的表面粗糙度为0.05-0.1nm。

碳化硅晶圆在抛光液中的去除率为200-400nm/h。

.一种碳化硅晶圆抛光液，抛光液包括有：

20-30wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

5-7wt.%Na₂SO₄；

0.2-0.3wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.1-0.2wt.%α-烯基磺酸盐；

2-3wt%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.2-0.3m³/h，

所述碳化硅晶圆为工作电极，放置于抛光液中，开启脉冲电源，进行电解抛光处理，脉冲电源参数如下：正向脉冲电压：10-12V，正向脉冲宽：400-500μs，正向占空比：30-40%，负向脉冲电压：20-30V，负向脉冲宽：2-3s，负向占空比：50-65%，脉冲时间为5-30min，温度：10-15℃。

关于本发明电化学处理抛光碳化硅的理论基础如下：

在电化学抛光过程中，利用金属在适当的电解液中阳极工件表面微粗糙峰凸起处溶解速度大的原理，逐渐减小峰值，降低表面粗糙度，理论上可以达到离子级别的抛光精度。

本发明使用双向脉冲电源，即碳化硅在阳极和阴极之间随时切换。

作为阳极时，对碳化硅的粗糙尖端部进行电化学氧化，对本发明的 SiC表面进行改性，变为疏松的 SiO2氧化物层，即该过程中主要发生的是电化学氧化，主要的方程式可能为：SiC+4H₂O-8e^-→SiO₂+CO₂+8H⁺；

作为阴极时，由于抛光液中不断的通入氧气，抛光液为饱和氧状态，在电极附近形成高活性的氧化物，HO^2-和OH^-，新制备的HO^2-和OH^-失去电子形成具有强氧化性的•OH，O2得电子产生 O^2-，其氧化性远远高于双氧水、高锰酸钾或者次氯酸，进而化学氧化氮化硅，可能的方程式如下：

O₂+H₂O+2e^-→HO^2-+OH^-;

O₂+H₂O+4e^-→4OH^-;

2H₂O+2 e^-→2OH^-+H₂;

SiC+8 OH^-→SiO₂+CO₂+4H₂O；即，作为阳极时为电化学阳极氧化，作为阴极时是化学活性基团氧化，能够有效的将粗糙的碳化硅表面氧化为低硬度的氧化硅层，然后通过化学机械抛光中抛光垫和20-30nm抛光颗粒氧化硅介质颗粒进行机械抛光，实现无划痕和亚表面损伤的要求，获得低粗糙度的碳化硅晶圆表面。

关于电化学抛光液，包括有20-30wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

5-7wt.%Na₂SO₄；

0.2-0.3wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.1-0.2wt.%α-烯基磺酸盐；

2-3wt%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.2-0.3m³/h。

首先是研磨介质为氧化铝，其硬度高于碳化硅表面氧化的氧化硅，通过晶圆表面与抛光垫紧密接触，抛光液中的氧化铝介质进入SiC表面与抛光垫间，从而有效的摩擦去除碳化硅表面的氧化物，在不断的氧化-抛摩过程中获得低粗糙度晶圆表面。

其中的电解质溶液为Na₂SO₄，主要是用于提高溶液的导电性，现有技术中有以氯化钠为电解质溶液的，但其中的氯离子会发生电解，形成氯气，不利于抛光的进行，因此本发明的电解液中严禁使用氯化钠作为电解质，对于去离子水的把握，也应当注意。

关于氧化剂，本发明的抛光液中不含有任何的氧化剂原料，现有技术中通常使用双氧水、次氯酸钠作为氧化剂，但所述氧化剂在制备为抛光液后，容易自行分解，因此一般现配现用，不易保藏，相比而言，本发明不含有任何氧化剂，同样不含有任何的易分解组分，主要通过化学氧化和电化学氧化获得碳化硅表面的氧化物，此外，本发明的电解液偏中性，非碱性或酸性，溶液环境对于氧化铝的抛光介质也十分友好，因此，本发明的电解抛光液放置3-5年也不会发生任何变质或者失效。

α-烯基磺酸盐是表面活性剂，利于提高抛光液和疏水的碳化硅表面的接触面积，从而有效的提高抛摩效果，但是容易气泡，因此需要消泡剂极少泡沫程度，需要加入聚氧丙烯甘油醚，表面活性剂与消泡剂的水溶性一般，尤其氧丙烯甘油醚的水性较差，因此需要在抛光液中加入丙二醇，以此有效分散消泡剂和表面活性剂。

此外，氧气的通入是本发明的主要氧化成分，需要在抛光前提前通入，一般氧气通入量0.2-0.3m³/h，预先通入时间为3-5min，以期达到溶解液的饱和状态。

本发明的碳化硅的电解抛光属于超精细所述抛光液用于碳化硅超精密抛光。抛光后碳化硅晶圆的表面粗糙度为0.05-0.1nm，碳化硅晶圆在抛光液中的去除率为200-400nm/h，即在抛光前需要对碳化硅进行表面预处理，所述预处理包括有定向切割、研磨和机械抛光，如附图1所示，经过表面预处理后的碳化硅表面的粗糙度为Ra=2.73nm。

有益技术效果：

（1）本发明采用电化学+化学机械抛光处理碳化硅表面，通过阳极电化学氧化和阴极活性氧氧化，有效的提高碳化硅表面的氧化层程度，进行提高碳化硅的抛光效果。

（2）本发明采用的抛光液为中性试剂，存储稳定性高，且其中不含有任何的氧化剂，绿色无污染，性价比高。

附图说明

附图1经过机械抛光处理后的碳化硅AMF图（未经过本发明抛光处理）。

附图2经过实施例2处理的碳化硅AMF图。

附图3经过对比例1处理的碳化硅AMF图。

附图4经过对比例2处理的碳化硅AMF图。

具体实施方式

实施例1

一种碳化硅晶圆抛光液，通过如下方式制备和处理：

包括如下步骤：

（1）碳化硅基材表面预处理；

（3）氮气吹扫干燥处理；

其中所述电解抛光液包括如下成分:

20wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

5wt.%Na₂SO₄；

0.2wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.1wt.%α-烯基磺酸盐；

2wt%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.2m³/h。

氧气通气装置为气泡石；

碳化硅与石墨材料的距离为3cm。

所述电源为脉冲电源。

脉冲电源参数如下：正向脉冲电压：10V，正向脉冲宽：400μs，正向占空比：30%，负向脉冲电压：20V，负向脉冲宽：2s，负向占空比：50%，脉冲时间为5min，温度：10℃。

实施例2

一种碳化硅晶圆抛光液，通过如下方式制备和处理：

（1）碳化硅基材表面预处理；

（3）氮气吹扫干燥处理；

其中所述电解抛光液包括如下成分:

25wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

6wt.%Na₂SO₄；

0.25wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.15wt.%α-烯基磺酸盐；

2.5wt%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.25m³/h。

氧气通气装置为气泡石；

碳化硅与石墨材料的距离为4cm。

所述电源为脉冲电源。

脉冲电源参数如下：正向脉冲电压：11V，正向脉冲宽：450μs，正向占空比：35%，负向脉冲电压：25V，负向脉冲宽：2.5s，负向占空比：558%，脉冲时间为25min，温度：12.5℃。

实施例3

一种碳化硅晶圆抛光液，通过如下方式制备和处理：

（1）碳化硅基材表面预处理；

（3）氮气吹扫干燥处理；

其中所述电解抛光液包括如下成分:

30wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

7wt.%Na₂SO₄；

0.3wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.2wt.%α-烯基磺酸盐；

3wt%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.3m³/h。

氧气通气装置为气泡石；

碳化硅与石墨材料的距离为5cm。

所述电源为脉冲电源。

脉冲电源参数如下：正向脉冲电压： 12V，正向脉冲宽： 500μs，正向占空比： 40%，负向脉冲电压： 30V，负向脉冲宽： 3s，负向占空比： 65%，脉冲时间为30min，温度：15℃。

对比例1

一种碳化硅晶圆抛光液，通过如下方式制备和处理：

（1）碳化硅基材表面预处理；

（3）氮气吹扫干燥处理；

其中所述电解抛光液包括如下成分:

25wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

6wt.%Na₂SO₄；

0.25wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.15wt.%α-烯基磺酸盐；

2.5wt%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.25m³/h。

氧气通气装置为气泡石；

碳化硅与石墨材料的距离为4cm。

所述电源为直流电源，其中碳化硅为阳极。

对比例2

一种碳化硅晶圆抛光液，通过如下方式制备和处理：

（1）碳化硅基材表面预处理；

（3）氮气吹扫干燥处理；

其中所述电解抛光液包括如下成分:

25wt% 20-40nm氧化铝研磨介质；

6wt.%Na₂SO₄；

氧气通入量0.25m³/h。

氧气通气装置为气泡石；

碳化硅与石墨材料的距离为4cm。

所述电源为脉冲电源。

脉冲电源参数如下：正向脉冲电压：11V，正向脉冲宽：450μs，正向占空比：35%，负向脉冲电压：20-30V，负向脉冲宽：2-3s，负向占空比：50-65%，脉冲时间为5-30min，温度：10-15℃。

如附图2，附图3，附图4所示，其中实施例2获得的表面粗糙度Ra=0.05nm，抛光液中的去除率为253nm/h；对比例1的表面粗糙度Ra=1.13nm，抛光液中的去除率为198nm/h；对比例2的表面粗糙度Ra=0.89nm，，抛光液中的去除率为249nm/h，其中对比例的氧化程度低，导致其抛光液中的去除率较低，且获得的粗糙度高，而对比例2中缺少必要的添加剂，虽然氧化程度或者说去除率无明显区别，但其粗糙度却明显高于实施例2。

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

1.一种碳化硅晶圆抛光液，其特征在于所述抛光液包括有：

20-30 wt.% 20-40nm氧化铝研磨介质；

5-7wt.%Na₂SO₄；

0.2-0.3wt.%聚氧丙烯甘油醚；

0.1-0.2wt.%α-烯基磺酸盐；

2-3 wt.%丙二醇；

去离子水；

氧气通入量0.2-0.3m³/h，氧气需要在抛光前提前通入，预先通入时间为3-5min；

2.如权利要求1所述的一种碳化硅晶圆抛光液，其特征在于所述抛光液用于碳化硅超精密抛光。

3.如权利要求1所述的一种碳化硅晶圆抛光液，其特征在于抛光后碳化硅晶圆的表面粗糙度为0.05-0.1nm。

4.如权利要求1所述的一种碳化硅晶圆抛光液，其特征在于碳化硅晶圆在抛光液中的去除率为200-400nm/h。