CN117417696A - 一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液 - Google Patents

一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液 Download PDF

Info

Publication number
CN117417696A
CN117417696A CN202311354445.5A CN202311354445A CN117417696A CN 117417696 A CN117417696 A CN 117417696A CN 202311354445 A CN202311354445 A CN 202311354445A CN 117417696 A CN117417696 A CN 117417696A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gallium nitride
polishing solution
polishing
chemical mechanical
potassium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311354445.5A
Other languages
English (en)
Inventor
咸文豪
张保国
刘敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Technology
Original Assignee
Hebei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei University of Technology filed Critical Hebei University of Technology
Priority to CN202311354445.5A priority Critical patent/CN117417696A/zh
Publication of CN117417696A publication Critical patent/CN117417696A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09G—POLISHING COMPOSITIONS; SKI WAXES
    • C09G1/00—Polishing compositions
    • C09G1/02—Polishing compositions containing abrasives or grinding agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B29/00—Machines or devices for polishing surfaces on work by means of tools made of soft or flexible material with or without the application of solid or liquid polishing agents
    • B24B29/02—Machines or devices for polishing surfaces on work by means of tools made of soft or flexible material with or without the application of solid or liquid polishing agents designed for particular workpieces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/30625—With simultaneous mechanical treatment, e.g. mechanico-chemical polishing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

本发明为一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液。该抛光液的组成包括：氧化剂的质量百分浓度为3.5～4.5％，表面活性剂的质量百分浓度为0.15～0.35％，抛光液体系的pH值为1.0～2.0，磨料的质量百分浓度为15～25％；所述的氧化剂为过硫酸钾；所述的磨料为二氧化硅；所述的表面活性剂为乙酸钾和甲酸钾，二者质量比为1～2：1。本发明实现了对氮化镓晶圆去除厚度不超过100nm的前提下，获得表面极平滑的氮化镓薄膜。

Description

一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液
技术领域
本发明属于超精密加工的化学机械抛光领域，具体涉及一种用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液及其制备方法。
背景技术
作为第三代半导体材料的代表，Ⅲ族氮化物在微电子和光电子领域具有广阔的应用前景，这使得氮化镓受到了半导体制造和研究领域的广泛关注。与第一和第二代半导体材料相比，氮化镓这类第三代半导体具有更高的击穿电场、热导率和抗干扰能力。与此同时第三代半导体也具有高硬度和强化学惰性的特点，这大大提高了第三代半导体的加工难度。
在氮化镓基半导体器件的制备过程中，一个平滑且无缺陷的晶体表面可以大大提高制得器件的性能表现，因此获得一个表面光滑且平整的氮化镓薄膜非常重要。目前使用硅溶胶抛光液对氮化镓进行长时间化学机械抛光处理是获取超光滑的氮化镓表面的主流方式，长时间的抛光一方面会带来很大的原料成本，另一方面也会导致氮化镓薄膜的去除量过大。因此使用化学机械抛光技术对氮化镓薄膜进行高效的平滑处理是目前需要解决的主要问题。
目前制备光滑氮化镓薄膜的化学机械抛光技术存在抛光时间长、氮化镓薄膜的去除量过多的问题。例如Hideo Aida等人(DOI:10.1149/2.024112jes)中，采用质量浓度40％的硅溶胶作为氮化镓化学机械抛光过程中的抛光液，由于抛光过程中仅存在二氧化硅和氮化镓表面之间的机械摩擦，氮化镓的去除效率很低的原因，存在较多的抛光液损耗和氮化镓的去除总量过多的局限，抛光总时长为150小时而去除厚度大约为2550nm；韦伟等人(DOI:10.19289/j.1004-227x.2021.01.008)的研究中，采用紫外光催化氧化工艺作为提升抛光液氧化能力的方式，虽然该方式可以有效的加快抛光液对氮化镓表面的氧化速率，但是由于抛光过程中硅溶胶抛光液不能与氮化镓表面充分接触的原因，存在将氮化镓薄膜的表面粗糙度降低至0.1nm的范围内，但是抛光时间仍然大于1小时且氮化镓薄膜的去除厚度为502nm，依旧存在抛光时间过长和去除量过多的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液。该抛光液采用乙酸钾和甲酸钾复配的表面活性剂、将抛光液pH调节至1.0～2.0，利用甲酸根和乙酸根形成的双电层，增加二氧化硅颗粒之间的静电作用力从而提高抛光液的分散性能，解决了硅溶胶抛光液在氮化镓化学机械抛光过程中不能与氮化镓表面充分接触的问题。结合了过硫酸钾的强氧化作用和乙酸钾有机盐对抛光液吸附性和扩散性的优化作用使得在化学机械抛光过程中氧化层能够实现对氮化镓表面的充分保护。本发明实现了对氮化镓晶圆去除厚度不超过100nm的前提下，获得表面极平滑的氮化镓薄膜。
本发明解决技术问题的方案是：
一种用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液，该抛光液的组成包括：氧化剂的质量百分浓度为3.5～4.5％，表面活性剂的质量百分浓度为0.15～0.35％，抛光液体系的pH值为1.0～2.0，磨料的质量百分浓度为15～25％；
所述的氧化剂为过硫酸钾；所述的磨料为二氧化硅；所述的表面活性剂为乙酸钾和甲酸钾，二者质量比为1～2：1；
pH值调节剂为硝酸，硝酸的浓度为20～40％；
所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液得制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：去离子水中加入硅溶胶抛光液；
步骤S2：向抛光液中加入过硫酸钾；
步骤S3：使用硝酸调节抛光液的pH；
步骤S4：向调节完pH的抛光液中分别加入乙酸钾和甲酸钾；
优选地，所述硅溶胶抛光液的质量浓度为15～25％；平均粒径为105～115nm，过硫酸钾质量浓度为3.5～4.5％，乙酸钾质量浓度为0.1～0.2％；甲酸钾质量浓度为0.05～0.15％；
所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液的应用，用于给氧化铝衬底上的氮化镓薄膜进行抛光。
使用抛光液进行氮化镓抛光的条件是：
抛光机型号为Rui Xuan SSP-500，抛光时间为40min、抛光压力为5.2psi、抛光液流量为80ml/min、抛头转速为50r/min、抛盘转速50r/min。
本发明的实质性特点为：
因为目前对氮化镓的研究中使用化学机械抛光技术提高氮化镓表面质量的思路是，提高抛光液对氮化镓的氧化速率，氧化层可以保护氮化镓表面不被抛光液中的磨料损伤，所以大多都是针对氧化剂或者是催化氧化工艺进行研究的。
本发明的思路是，加入乙酸钾和甲酸钾来增加抛光过程中抛光液与氮化镓表面的接触面积，使得短时间内抛光液对氮化镓表面氧化的更加充分或者说是让氮化镓表面的氧化层产生的厚度更均匀。这样就可以实现氮化镓薄膜去除量不高的同时还提高了表面质量。
在pH 1～2时，二氧化硅带正电，甲酸钾和乙酸钾中的阴离子(也就是甲酸根和乙酸根离子)带负电，此时甲酸根和乙酸根可以吸附在二氧化硅上产生双电层效应，而单一阴离子形产生的静电作用力小于两种阴离子复配之后的静电作用力，因此复配后的抛光液中二氧化硅的分散性能更好，这可以使得抛光液更好地铺展在氮化镓表面，从而产生厚度均匀性更好的氧化层。
本发明的有益效果是：
本发明在传统硅溶胶抛光液的基础上制备了一种酸性的复合型硅溶胶抛光液，该抛光液pH值稳定在1.0～2.0的范围内，并且含有强氧化剂过硫酸钾、有机盐乙酸钾和甲酸钾。酸性条件下，乙酸钾和甲酸钾可以促进抛光液在氮化镓表面的扩散，使得化学机械抛光过程中由过硫酸钾产生的氧化层能够在氮化镓表面分布更均匀，进而提高了化学机械抛光后的氮化镓的表面质量。本发明最终可以实现抛光40min，氮化镓薄膜的去除厚度为80～90nm，表面粗糙度为0.6～0.7nm，本发明对于氮化镓薄膜，抛光效率和抛光性能都非常出色。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液的配置流程示意图；
图2为实施例1中未抛光过的氮化镓表面形貌；
图3为实施例2使用仅含有硅溶胶的抛光液抛光的氮化镓表面形貌；
图4为实施例3使用添加了过硫酸钾和乙酸钾的酸性抛光液抛光的氮化镓表面形貌；
图5为实施例1未抛光过的氮化镓表面的原子力显微镜图像；
图6为实施例2使用仅含有硅溶胶的抛光液抛光的氮化镓表面的原子力显微镜图像；
图7为实施例3使用添加了过硫酸钾、乙酸钾和甲酸钾的酸性抛光液抛光的氮化镓表面的原子力显微镜图像。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供了一种用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液，包括如下步骤：
步骤S1：去离子水中加入质量浓度m1的硅溶胶抛光液；
步骤S2：缓慢加入质量浓度m2的过硫酸钾；
步骤S3：使用硝酸调节抛光液的pH；
步骤S4：向调节完pH的抛光液中分别加入质量浓度m3的乙酸钾和质量浓度m4的甲酸钾；
在本发明的步骤S1中，所述硅溶胶抛光液的质量浓度m1为15～25％，平均粒径为105～115nm；
在本发明的步骤S2中，过硫酸钾质量浓度m2为3.5～4.5％；
在本发明的步骤S3中，所述硝酸为pH调节剂，浓度为30％；
在本发明的步骤S4中，乙酸钾质量浓度m3为0.1～0.2％，甲酸钾质量浓度m4为0.05～0.1％，所述经过硝酸调节后的抛光液pH值在1.0～2.0的范围内。
实施例1
测试四英寸氮化镓薄膜的表面形貌及表面粗糙度
将四英寸氮化镓薄膜清洗干净后，分别使用奥林帕斯公司生产的OLS5100-LAF激光扫描显微镜和法国安捷伦公司生产的Agilent5600LS原子力显微镜测试其表面形貌和表面粗糙度；(实施例2-3的测试条件同此)
实施例2
配制2000g的抛光液；
向1000g去离子水中加入1000g质量浓度为40％、平均粒径为105～115nm的硅溶胶抛光液，搅拌并在室温下混合10分钟；
抛光时，采用的化学机械抛光机型号为Rui Xuan SSP-500，工艺条件为：抛光液流量为80ml/min、抛头转速为50r/min、抛盘转速50r/min、压力为5.2psi；选择对4英寸、厚度为3000nm的氮化镓薄膜进行化学机械抛光。(以下实施例同)
实施例3
配制2000g的抛光液；
将1000g质量浓度为40％、平均粒径为105～115nm的硅溶胶抛光液加入到800g去离子水并搅拌均匀；加入80g过硫酸钾，搅拌并在室温下混合10分钟；用质量浓度为30％的硝酸调节抛光液pH至1.5；向调节完pH的抛光液中加入4g的乙酸钾和2g的甲酸钾，最后用去离子水补齐余量，搅拌；
实施例4
配制2000g的抛光液；
其他步骤同实施例3，不同之处为向调节完pH的抛光液中加入3g的乙酸钾和2g的甲酸钾，最后用去离子水补齐余量，搅拌；
得到的氮化镓表面粗糙度Sq与实施例3的结果接近；
实施例5
配制2000g的抛光液；
其他步骤同实施例3，不同之处为向调节完pH的抛光液中加入2g的乙酸钾和2g的甲酸钾，最后用去离子水补齐余量，搅拌；
得到的氮化镓表面粗糙度Sq与实施例3的结果接近；
实施例6
配制2000g的抛光液；
其他步骤同实施例3，不同之处为抛光液pH调节至2.5，最后用去离子水补齐余量，搅拌；
得到氮化镓表面粗糙度Sq为6.4nm；
实施例7
配制2000g的抛光液；
其他步骤同实施例3，不同之处为抛光液pH调节至3.5，最后用去离子水补齐余量，搅拌；
本发明实施例的抛光组合物的生产方法没有特别限制，比如，该抛光组合物可以通过搅拌和混合本发明的硅溶胶抛光液、过硫酸钾、乙酸钾和甲酸钾。
本发明在传统硅溶胶抛光液的基础上制备了一种酸性的复合型硅溶胶抛光液，该抛光液pH值稳定在1.0～2.0的范围内，并且含有强氧化剂过硫酸钾和有机盐乙酸钾。酸性条件下，乙酸钾和甲酸钾可以促进抛光液在氮化镓表面的扩散，使得化学机械抛光过程中由过硫酸钾产生的氧化层能够在氮化镓表面分布更均匀，进而提高了化学机械抛光后的氮化镓的表面质量。本发明最终可以实现抛光30min，氮化镓薄膜的去除厚度为60～70nm，表面粗糙度Sq为0.5～0.7nm，本发明对于氮化镓薄膜，抛光效率和抛光性能都非常出色。
表1实施例1至实施例7比对
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (7)

1.一种用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液，其特征为该抛光液的组成包括：氧化剂的质量百分浓度为3.5～4.5％，表面活性剂的质量百分浓度为0.15～0.35％，抛光液体系的pH值为1.0～2.0，磨料的质量百分浓度为15～25％；
所述的表面活性剂为乙酸钾和甲酸钾，二者质量比为1～2：1；乙酸钾质量浓度为0.1～0.2％；甲酸钾质量浓度为0.05～0.15％。
2.如权利要求1所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液，其特征为所述的氧化剂为过硫酸钾；所述的磨料为二氧化硅，平均粒径为105～115nm。
3.如权利要求1所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液，其特征为过硫酸钾质量浓度为3.5～4.5％。
4.如权利要求1所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液的制备方法，其特征为包括如下步骤：
步骤S1：去离子水中加入硅溶胶抛光液；
步骤S2：向抛光液中加入过硫酸钾；
步骤S3：使用pH值调节剂调解抛光液的pH；
步骤S4：向调节完pH的抛光液中分别加入乙酸钾和甲酸钾。
5.如权利要求1所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液的制备方法，其特征为pH值调节剂为硝酸，硝酸的浓度为20～40％；硅溶胶抛光液的质量浓度为15～25％。
6.如权利要求1所述的所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液的应用，其特征为用于给氧化铝衬底上的氮化镓薄膜进行抛光。
7.如权利要求6所述的所述的用于获得极平滑的氮化镓表面的高效化学机械抛光液的应用，其特征为使用抛光液进行抛光的条件是：
抛光机型号为Rui Xuan SSP-500，抛光时间为40min、抛光压力为5.2psi、抛光液流量为80ml/min、抛头转速为50r/min、抛盘转速50r/min。
CN202311354445.5A 2023-10-19 2023-10-19 一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液 Pending CN117417696A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311354445.5A CN117417696A (zh) 2023-10-19 2023-10-19 一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311354445.5A CN117417696A (zh) 2023-10-19 2023-10-19 一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117417696A true CN117417696A (zh) 2024-01-19

Family

ID=89527777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311354445.5A Pending CN117417696A (zh) 2023-10-19 2023-10-19 一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117417696A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102127371B (zh) 一种碳化硅用抛光液的制备和使用方法
WO2008030420A1 (en) Silicon carbide polishing method utilizing water-soluble oxidizers
WO2009111001A2 (en) Silicon carbide polishing method utilizing water-soluble oxidizers
CN111303772A (zh) 一种超快速低损碳化硅衬底抛光液及其制备方法
CN110774153B (zh) 一种大尺寸单晶金刚石的抛光方法
CN113789126B (zh) 一种硅片化学机械抛光液及其应用
EP1272579A2 (en) Method for polishing a memory or rigid disk with an amino acid-containing composition
CN114231182A (zh) 一种易解理氧化镓晶片化学机械抛光工艺、抛光液及其制备方法
Wang et al. Chemical–mechanical polishing of 4H silicon carbide wafers
CN114940886B (zh) 纳米氧化铝磨粒、制备方法、应用和含该磨粒的碳化硅抛光液
CN117417696A (zh) 一种用于获得极平滑氮化镓薄膜的高效化学机械抛光液
CN112920717A (zh) 一种碳化硅单晶抛光液及其使用方法
CN115212920B (zh) 一种壳聚糖基分散催化剂、包含其的半导体材料抛光液、其制备方法及用途
CN113773806B (zh) 一种纳米二氧化硅磨料及其制备方法和用途
CN111253910A (zh) 一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法
WO2018190077A1 (ja) 合成石英ガラス基板用研磨剤及びその製造方法並びに合成石英ガラス基板の研磨方法
CN110938378B (zh) 一种用于氧化锌晶体氧面抛光的抛光液及其制备方法
CN114605922B (zh) 一种快速抛光的化学抛光液及其制备方法
CN108359383B (zh) 一种蓝宝石材料表面精密加工专用耐磨纳米浆料
CN115746712B (zh) 一种用于硅衬底抛光的抛光组合物及其制备方法和应用
CN111662641B (zh) 一种高选择比的化学机械抛光液及其应用
CN113652200B (zh) 一种自组装纳米二氧化硅磨料及含有该磨料的抛光液和应用
TWI819477B (zh) 碳化矽基板研磨液之再生方法
CN114940866B (zh) 一种用于硅晶圆的化学机械精抛液、制备方法及其应用
CN116285698A (zh) 一种用于碳化硅晶片抛光液的组合物、抛光液及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination