CN116872076A - 一种氮化镓多基片研磨设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种氮化镓多基片研磨设备和方法。设备包括：多片研磨载台同时容纳多片GaN衬底；加热系统对多片研磨载台和多片研磨载台上承载的GaN衬底加热；磨片盘设置于多片研磨载台的上方，对多片研磨载台上承载的GaN衬底进行研磨；磨片盘的中心设有液体供给管路；研磨液供给系统和清洗液供给系统分布包括研磨液储存罐、泵、流量计和控制阀，研磨液供给系统通过液体供给管路将研磨液输送至磨片盘与GaN衬底之间；清洗液供给系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与GaN衬底之间；氧化气氛供给装置用于在研磨过程中提供可控的氧化环境；多片研磨载台、加热系统、磨片盘、研磨液供给系统、清洗液供给系统和氧化气氛供给装置与控制系统相连。

Description

一种氮化镓多基片研磨设备和方法

技术领域

本发明涉及半导体制备技术领域，尤其涉及一种氮化镓多基片研磨设备和方法。

背景技术

在当今的半导体产业中，氮化镓(GaN)作为一种重要的宽禁带半导体材料，因其优越的电子特性和高频性能，被广泛应用于高功率、高频率和高温环境下的电子器件，如射频功率放大器、蓝光LED和激光二极管等。为了满足这些应用的严格要求，GaN衬底的质量和表面特性至关重要。

然而，由于GaN材料的特殊性质，其加工和制备过程具有挑战性。在制备GaN器件之前，通常需要对GaN衬底进行精细的加工，以获得平坦、光滑和无缺陷的表面。研磨是一种常见的方法，用于去除GaN衬底表面的不平坦性、缺陷和杂质，以提高器件的性能和可靠性。

然而，传统的研磨方法可能面临一些问题。首先，单个GaN衬底的研磨可能会导致效率低下，时间成本高。其次，研磨过程中缺乏有效的环境控制，可能会导致氧化或其他化学反应，影响GaN的性能。此外，研磨过程中的速率控制也对研磨质量起到了关键作用。

为了克服这些问题，需开发一种高效、精确、可控的氮化镓多基片研磨设备和方法。

因此，本发明旨在提供一种创新的氮化镓多基片研磨设备和方法，通过集成多项功能，如多基片处理、氧化气氛控制、酸/碱供给系统、表面分析和清洁，以及优化的散热设计，从而实现高效、精确、可靠的GaN衬底加工，为高性能GaN器件的制备提供更好的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮化镓多基片研磨设备和方法，该设备能同时处理多个GaN衬底，提供合适的温度和气氛控制，通过高温氧化性环境下在GaN表面形成氧化膜，以可调控的研磨液供给系统和研磨间距的控制，有助于在研磨步骤中平整化表面和去除表面缺陷，同时考虑到GaN的热导率较高，因此在研磨过程中需要更好的散热措施，通过散热系统可以防止过高的温度损害样品，并进行研磨速率的控制。同时配合表面清洗和吹干，获得平整、干净的表面。

为此，第一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓多基片研磨设备，包括：

多片研磨载台，用于同时容纳多片GaN衬底；

加热系统，设置于所述多片研磨载台之下方，用于对多片研磨载台和所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底加热；

磨片盘，设置于多片研磨载台的上方，用于对所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底进行研磨；所述磨片盘的中心设有液体供给管路；

研磨液供给系统，包括研磨液储存罐、泵、流量计和控制阀，所述研磨液供给系统通过所述液体供给管路将研磨液输送至所述磨片盘与多片GaN衬底之间；

清洗液供给系统，包括清洗液储存罐、泵、流量计和控制阀，所述清洗液供给系统通过所述液体供给管路将清洗液输送至所述磨片盘与多片GaN衬底之间；

氧化气氛供给装置，用于在研磨过程中提供可控的氧化环境；

控制系统，所述多片研磨载台、加热系统、磨片盘、研磨液供给系统、清洗液供给系统和氧化气氛供给装置与所述控制系统相连。

优选的，所述多片研磨载台包括多个GaN片承载槽；所述多个GaN片承载槽均匀分布于所述多片研磨台上。

优选的，所述多片研磨载台和/或所述磨片盘连接有转轴，用以所述磨片盘对所述多片GaN衬底转动研磨。

优选的，所述氮化镓多基片研磨设备还包括散热系统，设置于所述多片研磨载台之下方，用于对多片研磨载台和所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底散热。

优选的，所述氮化镓多基片研磨设备还包括氮气气氛供给装置。

第二方面，本发明实施例提供了一种氮化镓多基片研磨方法，包括：

将多片GaN衬底依次放置在多片研磨载台的多个GaN片承载槽上；

通过控制系统控制加热系统对GaN衬底进行加热，并启动氧化气氛供给装置，在所述氮化镓多基片研磨设备中提供氧化环境，从而在GaN片表面形成氧化膜；

在到达设定时间后，关闭加热系统和氧化气氛供给装置；

所述控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第一间距，控制研磨液供给系统通过液体供给管路将研磨液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行研磨，以去除表面的缺陷和沾污，并通过控制研磨液的浓度、流量和所述多片研磨载台与所述磨片盘之间的相对转速控制对GaN片的研磨速率；

在到达设定时间后，关闭研磨液供给系统；

所述控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第二间距，所述控制系统控制清洗液供给系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗，并通过氮气气氛供给系统进行吹干处理。

优选的，所述研磨方法包括：在对多片GaN衬底进行研磨的同时，所述方法还包括：

所述控制系统控制启动散热系统对多片研磨载台和所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底散热。

优选的，所述研磨方法包括：

在关闭研磨液供给系统之后以及控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第二间距之前，所述研磨方法包括：

所述控制系统控制清洗液供给系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗研磨。

优选的，所述第一间距小于所述第二间距。

本发明实施例提供的氮化镓多基片研磨设备，该设备能同时处理多个GaN衬底，提供合适的温度和气氛控制，通过高温氧化性环境下在GaN表面形成氧化膜，以可调控的研磨液供给系统和研磨间距的控制，有助于在研磨步骤中平整化表面和去除表面缺陷，同时考虑到GaN的热导率较高，因此在研磨过程中需要更好的散热措施，通过散热系统可以防止过高的温度损害样品，并进行研磨速率的控制。同时配合表面清洗和吹干，获得平整、干净的表面。

附图说明

图1为本发明实施例提供的氮化镓多基片研磨设备的结构图；

图2为本发明实施例提供的多片研磨载台的结构图；

图3为本发明实施例提供的氮化镓多基片研磨方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种氮化镓多基片研磨设备，如图1所示，包括：

多片研磨载台1，用于同时容纳多片GaN衬底100；多片研磨载台1的具体结构如图2所示，包括多个GaN片承载槽11；多个GaN片承载槽11均匀分布于多片研磨台1上。在图2中示出为6个GaN片承载槽11，但实际设备设计中，GaN片承载槽可以不限于6个，可以是1、2、3、4、8、12或其他任意可实施的方式。

加热系统2，设置于多片研磨载台1之下方，用于对多片研磨载台1和多片研磨载台1上承载的多片GaN衬底100加热。

磨片盘3，设置于多片研磨载台1的上方，用于对多片研磨载台1上承载的多片GaN衬底100进行研磨；磨片盘3的中心设有液体供给管路31。

研磨盘3是用于对多片GaN衬底100进行研磨的关键部件，其结构和材质以能够实现高效的研磨过程并保持良好的耐用性为准。研磨盘3可具体由金刚石或其他高硬度材料制成，以确保对GaN衬底100表面进行精细的磨削。

研磨盘3的具体结构可包括：研磨盘底座和磨削层。其中研磨盘底座由坚固的金属材料制成，以支撑研磨盘的各个组件。磨削层位于研磨盘顶部的一层金刚石磨料或研磨片。磨削层的材料和颗粒大小取决于所需的研磨精度和效率。

多片研磨载台1和/或磨片盘3分别各自连接有转轴，用以磨片盘3和多片研磨载台1之间产生相对转动，使得磨片盘3对多片GaN衬底100转动研磨。

研磨液供给系统4，包括研磨液储存罐、泵、流量计和控制阀，研磨液供给系统4通过液体供给管路31将研磨液输送至磨片盘3与多片GaN衬底100之间；

清洗液供给系统5，包括清洗液储存罐、泵、流量计和控制阀，清洗液供给系统5通过液体供给管路31将清洗液输送至磨片盘3与多片GaN衬底100之间；

氧化气氛供给装置6，用于在研磨过程中提供可控的氧化环境；

散热系统7，设置于多片研磨载台1之下方，优选的设置在加热系统2的上方，或者加热系统2与散热系统7为一整合的加热冷却系统。散热系统7用于对多片研磨载台1和多片研磨载台1上承载的多片GaN衬底100散热。

氮气气氛供给装置8，用于为氮化镓多基片研磨设备提供惰性环境。

排液系统10，用于排出研磨液、清洗液。

此外氮化镓多基片研磨设备还包括电源系统，为常规电源系统，在此不赘述。

控制系统9，多片研磨载台1、加热系统2、磨片盘3、研磨液供给系统4、清洗液供给系统5和氧化气氛供给装置6、散热系统7、氮气气氛供给装置8、排液系统10和电源系统分别与控制系统9相连。

上述氮化镓多基片研磨设备可执行如下研磨方法，主要步骤如图3所示，包括：

步骤310，将多片GaN衬底依次放置在多片研磨载台的多个GaN片承载槽上；

步骤320，通过控制系统控制加热系统对GaN衬底进行加热，并启动氧化气氛供给装置，在氮化镓多基片研磨设备中提供氧化环境，从而在GaN片表面形成氧化膜；在到达设定时间后，关闭加热系统和氧化气氛供给装置；

具体的，通过控制系统控制加热系统，对多片研磨载台和GaN衬底进行加热。加热温度可以控制在800℃至1000℃之间，具体温度取决于实际工艺要求和设备性能。启动氧化气氛供给装置，以提供可控的氧化环境。所供气体可以是氧气(O₂)或其他氧化性气体。氧化环境有助于在高温下形成氧化膜。在氧化环境下，暴露GaN衬底在加热状态下一段时间，以促使氧化膜的形成。优选的控制氧化时间为10分钟至60分钟之间，具体时间取决于所需的氧化膜厚度。氧化时间的控制将直接影响氧化膜的厚度。根据需要，可以选择不同的氧化时间来获得特定厚度的氧化膜。氧化膜厚度可具体控制在数纳米到数百纳米之间。

步骤330，控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第一间距，控制研磨液供给系统通过液体供给管路将研磨液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行研磨，以去除表面的缺陷和沾污，并通过控制研磨液的浓度、流量和多片研磨载台与磨片盘之间的相对转速控制对GaN片的研磨速率；与此同时，控制系统控制启动散热系统对多片研磨载台和多片研磨载台上承载的多片GaN衬底散热；在到达设定时间后，关闭研磨液供给系统。

具体的，在氧化过程结束后，开始供给研磨液体，以在研磨盘与GaN衬底之间形成合适的润滑液层，用于进行精细的研磨过程。

研磨液可以选自如下腐蚀性液体中的任一种或几种混合，如磷酸、氢氟酸、有机酸碱性溶液如乙酸和草酸，可以选用碱性溶液如氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)。研磨液浓度根据所使用的研磨液和磨削目标，优选可控制在1％至10％摩尔浓度之间。研磨液流量可根据研磨载台尺寸和研磨液供给系统的设计，控制在10ml/min至100ml/min之间。

多片研磨载台与磨片盘相对转速根据研磨液的流动和研磨效果，控制在100RPM至1000RPM之间。

研磨时间根据所需的研磨效果、研磨液的选择，转速选择和GaN衬底预先氧化厚度等参数进行设置，具体可在10分钟至60分钟之间。

步骤340，控制系统控制清洗液供给系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗研磨。

该步骤为一优选方案的步骤，通过控制系统控制清洗液供给系统，在研磨过程之后，通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗研磨能够去除残余颗粒和污染物。

清洗液可具体采用丙酮、乙醇或水。

在研磨过程中，通过研磨液带走一些研磨产物、磨削颗粒、杂质以及其他沾附在GaN表面的物质。通过清洗液的供给，可以有效地将这些残留物和污染物从GaN表面冲洗掉，确保表面的干净和纯净。清洗液具有溶解、分散和去除污渍的特性，可以帮助清除表面的污染物、氧化物和其他不良物质，从而提供一个更洁净的表面。这对于后续工艺步骤的进行至关重要。此外，清洗研磨可以改善GaN表面的质量，消除表面的缺陷、微裂纹和不均匀性，从而提高GaN器件的性能和可靠性。清洗研磨后的GaN表面为后续工艺步骤创造了更好的准备条件。无论是外延生长、薄膜沉积还是其他处理，干净的表面可以使这些步骤具有更好的稳定性和一致性。

步骤350，控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第二间距，控制系统控制清洗液供给系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗，并通过氮气气氛供给系统进行吹干处理。

其中，第一间距小于第二间距。

控制系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗。在本步骤的清洗液主要采用去离子水。通过清洗液喷洒清洗进一步去除残留的研磨产物、颗粒、杂质以及其他污染物，以避免这些残留物可能在之前的清洗研磨步骤中没有完全去除，通过清洗过程，可以确保GaN表面没有残留的物质。

该清洗步骤为后续工艺步骤提供了一个干净的基底，以提高材料质量和器件性能。在清洗完成后，通过氮气气氛供给系统进行吹干处理。吹干使用氮气可以有效地去除残留的水分和溶液，从而防止水分引入后续工艺步骤，尤其是在高温环境下可能引起的氧化或其他反应。清洗和吹干过程有助于避免在后续工艺步骤中引入外部污染物，从而保证制备的GaN器件的质量和性能。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮化镓多基片研磨设备，其特征在于，所述氮化镓多基片研磨设备包括：

多片研磨载台，用于同时容纳多片GaN衬底；

加热系统，设置于所述多片研磨载台之下方，用于对多片研磨载台和所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底加热；

磨片盘，设置于多片研磨载台的上方，用于对所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底进行研磨；所述磨片盘的中心设有液体供给管路；

研磨液供给系统，包括研磨液储存罐、泵、流量计和控制阀，所述研磨液供给系统通过所述液体供给管路将研磨液输送至所述磨片盘与多片GaN衬底之间；

清洗液供给系统，包括清洗液储存罐、泵、流量计和控制阀，所述清洗液供给系统通过所述液体供给管路将清洗液输送至所述磨片盘与多片GaN衬底之间；

氧化气氛供给装置，用于在研磨过程中提供可控的氧化环境；

控制系统，所述多片研磨载台、加热系统、磨片盘、研磨液供给系统、清洗液供给系统和氧化气氛供给装置与所述控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的氮化镓多基片研磨设备，其特征在于，所述多片研磨载台包括多个GaN片承载槽；所述多个GaN片承载槽均匀分布于所述多片研磨台上。

3.根据权利要求1所述的氮化镓多基片研磨设备，其特征在于，所述多片研磨载台和/或所述磨片盘连接有转轴，用以所述磨片盘对所述多片GaN衬底转动研磨。

4.根据权利要求1所述的氮化镓多基片研磨设备，其特征在于，所述氮化镓多基片研磨设备还包括散热系统，设置于所述多片研磨载台之下方，用于对多片研磨载台和所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底散热。

5.根据权利要求1所述的氮化镓多基片研磨设备，其特征在于，所述氮化镓多基片研磨设备还包括氮气气氛供给装置。

6.一种氮化镓多基片研磨方法，其特征在于，所述研磨方法包括：

将多片GaN衬底依次放置在多片研磨载台的多个GaN片承载槽上；

通过控制系统控制加热系统对GaN衬底进行加热，并启动氧化气氛供给装置，在所述氮化镓多基片研磨设备中提供氧化环境，从而在GaN片表面形成氧化膜；

在到达设定时间后，关闭加热系统和氧化气氛供给装置；

所述控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第一间距，控制研磨液供给系统通过液体供给管路将研磨液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行研磨，以去除表面的缺陷和沾污，并通过控制研磨液的浓度、流量和所述多片研磨载台与所述磨片盘之间的相对转速控制对GaN片的研磨速率；

在到达设定时间后，关闭研磨液供给系统；

所述控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第二间距，所述控制系统控制清洗液供给系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗，并通过氮气气氛供给系统进行吹干处理。

7.根据权利要求6所述的研磨方法，其特征在于，所述研磨方法包括：在对多片GaN衬底进行研磨的同时，所述方法还包括：

所述控制系统控制启动散热系统对多片研磨载台和所述多片研磨载台上承载的多片GaN衬底散热。

8.根据权利要求6所述的研磨方法，其特征在于，所述研磨方法包括：

在关闭研磨液供给系统之后以及控制系统调整磨片盘与多片研磨载台之间的间距为第二间距之前，所述研磨方法包括：

所述控制系统控制清洗液供给系统通过液体供给管路将清洗液输送至磨片盘与多片GaN衬底之间，对多片GaN衬底进行清洗研磨。

9.根据权利要求6所述的研磨方法，其特征在于，所述第一间距小于所述第二间距。