碳化硅單晶表面多級化學機械拋光方法技術

本發明專利技術涉及碳化硅單晶表面多級化學機械拋光方法，屬于晶體材料加工技術領域。本發明專利技術對碳化硅單晶采用多級化學機械拋光、調控不同ｐＨ值、拋光壓力及轉速，使得在保持低翹曲，低彎曲，高平整度，厚度均勻性好的前提條件下，有效地降低了晶片的表面損傷，改善了晶片表面粗糙度水平。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是涉及，屬于晶體 材料加工

技術介紹
SiC (碳化硅)是寬禁帶半導體的核心材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好 的化學穩定性等優越性質，成為繼鍺、硅、砷化鎵之后制造新一代微電子器件和電路的關鍵半導體材料。SiC晶體材料在制作微波大功率器件、耐高溫器件和抗輻照器件方面具有得天獨厚的優勢，是實現微 波與大功率、高溫與抗輻射相結合的理想材料，是微電子、電力電子、 光電子等高新技術以及國防工業、信息產業、機電產業和能源產業等支柱產業進入21世紀后賴以繼續發展的關鍵基礎材料。同時，由于 SiC與制作光電子器件的理想材料氮化鎵(GaN)之間晶格失配低， 熱膨脹系數差別小，所以SiC單晶也是制備GaN晶體的理想襯底材 料。SiC單晶材料，晶片的表面處理質量將直接影響其制備的器件以 及外延片GaN的質量，所以在SiC單晶加工過程中，要求低表面損 傷層，低翹曲，低彎曲，高平整度，厚度均勻性好，SiC單晶的多級 化學機械拋光技術將有效保持晶片的低翹曲、低彎曲、高平整度以及 厚度均勻性，同時有效地降低由于機械加工導致晶片表面損傷，改善 晶片表面粗糙度，從而提高器件性能和外延片的質量。現有的化學機械拋光采用一步化學機械拋光的方法，拋光后的晶片粗糙度約為lnm，表面多有損傷，損傷深度達到4 5nm，影響了 器件性能和外延片的質量。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對SiC單晶化學穩定性的特點，采用多級化 學腐蝕作用和機械研磨作用相結合的加工工藝，可獲得SiC晶片極低 的表面損傷，低翹曲，低彎曲，高平整度，厚度均勻性好的化學機械 拋光方法。SiC單晶片經過機械拋光后，留下過多的表面損傷，將經過機械 拋光的晶片進行多級的化學機械拋光，在保持晶片低翹曲，低彎曲， 高平整度，厚度均勻性好的條件下，將化學腐蝕與機械作用相結合， 改善SiC單晶片的表面粗糙度，提高光潔度，通過多級化學腐蝕降低 晶片的表面損傷。本專利技術的，包括下述步驟(1) 對碳化硅單晶表面采用pH值為12 13.5，濃度為30% 50%，粒度大小為80 100nm的SiO2膠體作為拋光液進行拋光，采 用拋光布并控制拋光壓力為150 400g/cm2，拋光盤轉速為70 100r/min;步驟(1)中優選采用邵氏硬度為75 90的拋光布；(2) 對步驟(1)加工后碳化硅單晶表面采用pH值為10 12， 濃度為15% 30%，粒度大小為50 80nm的Si02膠體作為拋光液進 行拋光，采用拋光布并控制拋光壓力為400 1000g/cm2，拋光盤轉速 為50 70r/min;步驟(2)中優選采用邵氏硬度為65 80的拋光布；(3) 對步驟(2)加工后碳化硅單晶表面采用pH值為8 10， 濃度為5% 15%，粒度大小為30 50nm的Si02膠體作為拋光液進4行拋光，控制拋光壓力為150 400g/cm2，拋光盤轉速為30 50r/min; 步驟(3)中優選采用邵氏硬度為55 70的拋光布。 所述的步驟(1) 步驟(3)中的拋光溫度為25 65。C。 上述步驟(1)、步驟(2)步驟(3)可分別稱為CMP (化學機械拋光)1、 CMP2、 CMP3。多級化學機械拋光所用的設備可以相同，均是典型的晶體拋光設備，譬如韓國AM Technology的ASP-610、英國Logitech的PM5 、DH600等，具有壓力可調，轉速可調，時間可控，自動添加拋光液的特點。在多級化學機械拋光前，2英寸SiC晶片經過機械拋光的表面粗 糙度Ra用Veeco的臺階儀檢測為 0.8nm，翹曲度小于8u，彎曲度 小于8u，總厚度偏差小于8u，晶片表面損傷明顯，深度可達 7nm。CMP1過程中，材料除去率為0.04 0.05u/min。 CMP1后，用 Veeco的臺階儀檢測，Ra 0.9nm，損傷增多，深度加深，翹曲度小 于8u，彎曲度小于8u，總厚度偏差小于8u。步驟(1)過程中，材料除去率為0.03 0.04u/min。步驟(2)后， 用Veeco的臺階儀檢測，Ra 0.7nm，損傷明顯減少，深度變淺，翹 曲度小于8u，彎曲度小于8u，總厚度偏差小于8u。步驟(3)過程中，材料除去率為0.01 0.03u/min。步驟(3)后， 用Veeco的臺階儀檢測，Ra 0.5nm，損傷進一步減少，甚至基本消 除，翹曲度小于8u，彎曲度小于8u，總厚度偏差小于8u。本專利技術具有以下優點1、 多級化學機械拋光在保持低翹曲，低彎曲，高平整度，厚 度均勻性好的前提條件下，有效地降低了晶片的表面損傷，改善了晶 片表面粗糙度水平。2、 多級化學機械拋光可以在同一設備進行；對設備的限制條 件少，自動化程度高；3、 工藝流程簡單，多片可以在同一設備上同時進行同一級化 學機械拋光，成本低廉，效率高，可以批量加工。附圖說明圖1為現有的化學機械拋光技術對晶片進行處理后，用Veeco的 臺階儀對晶片粗糙度檢測的結果，檢測的結果Ra為l.OOnrn。圖2為現有的化學機械拋光技術對晶片進行處理后，用Veeco的 臺階儀對晶片表面損傷深度檢測的結果，檢測的結果顯示損傷深度達 至!] 4nm。圖3為采用多級化學機械拋光技術對晶片進行處理后，用Veeco 的臺階儀對晶片粗糙度檢測的結果，檢測的結果Ra為0.41nm。圖4為采用多級化學機械拋光技術對晶片進行處理后，用Veeco 的臺階儀對晶片表面損傷深度檢測的結果，檢測的結果顯示損傷深度 小于1.5誰。具體實施方式 實施例1SiC單晶片在經過機械拋光后，采用多級化學機械拋光技術，有 效地保證了低翹曲，低彎曲，高平整度，厚度均勻性好，實現了有效 地減少了表面損傷層，改善了晶片表面的粗糙度，提高了晶片表面的 光潔度。具體化學機械拋光方法如下 (1) C證h1) 采用流動性好、pH值為12.8，濃度為35%，粒度大小為90nm的Si02膠體作為拋光液；2) 采用的溫度為5(TC，拋光壓力為300g/cm2;3) 拋光盤轉速為90r/min;4) 采用邵氏硬度為85的拋光布；1) 采用流動性好、pH值為10.8，濃度為20%，粒度大小為70nm的Si02膠體作為拋光液；2) 采用的溫度為5(TC，拋光壓力為750g/cm2;3) 拋光盤轉速為60r/min;4) 采用邵氏硬度為70的拋光布；(3) CMP3:1) 采用流動性好、pH值為9.5，濃度為10%，粒度大小為50nm 且粒度分布是正態分布的Si02膠體作為拋光液；2) 采用的溫度為5(TC，拋光壓力為250g/cm2;3) 拋光盤轉速為45r/min;4) 采用邵氏硬度為60的拋光布。多級化學機械拋光均采用Logitech的PM5機型拋光機。CMP1前，SiC晶片經過機械拋光后，晶片翹曲度小于8u，彎曲 度小于8u，總厚度偏差小于8u。用Veeco的臺階儀測得的表面粗糙 度為0.82nm，晶片表面有很多損傷，總長度約為3cm，劃痕最深處 的深度為7nm， CMP1后，晶片翹曲度小于8u，彎曲度小于8u，總 厚度偏差小于8u。用Veeco的臺階儀測得的表面粗糙度為0.95nm， 晶片表面損傷增多，總長度約為4cm，損傷深度增加，最深處約為 7.5nm。CMP2后，晶片翹曲本文檔來自技高網...

【技術保護點】
碳化硅單晶表面多級化學機械拋光方法，包括下述步驟：　（１）碳化硅單晶表面采用ｐＨ值為１２～１３．５，濃度為３０％～５０％，粒度大小為８０～１００ｎｍ的ＳｉＯ↓［２］膠體作為拋光液進行拋光，采用拋光布并控制拋光壓力為１５０～４００ｇ／ｃ ｍ↑［２］，拋光盤轉速為７０～１００ｒ／ｍｉｎ；　（２）對步驟（１）加工后碳化硅單晶表面采用ｐＨ值為１０～１２，濃度為１５％～３０％，粒度大小為５０～８０ｎｍ的ＳｉＯ↓［２］膠體作為拋光液進行拋光，采用拋光布并控制拋光壓力為４００～１ ０００ｇ／ｃｍ↑［２］，拋光盤轉速為５０～７０ｒ／ｍｉｎ；　（３）對步驟（２）加工后碳化硅單晶表面采用ｐＨ值為８～１０，濃度為５％～１５％，粒度大小為３０～５０ｎｍ的ＳｉＯ↓［２］膠體作為拋光液進行拋光，控制拋光壓力為１５０～４００ｇ ／ｃｍ↑［２］，拋光盤轉速為３０～５０ｒ／ｍｉｎ。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：儲耀卿，陳之戰，施爾畏，
申請(專利權)人：中國科學院上海硅酸鹽研究所，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]