一种用于二维材料高取向生长的蓝宝石衬底的加工方法

本发明属于半导体抛光，更具体地，涉及一种用于二维材料高取向生长的蓝宝石衬底的加工方法。

背景技术：

1、当前，集成电路已进入后摩尔时代，单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求。二维/三维混合维度器件被认为是后摩尔时代集成电路产业的重要研究方向。混合维度异质结是超短沟道器件、自旋电子器件、能源电子器件、光电子器件等技术的“核芯”之一，在国防军工、航天航空、量子芯片、类脑计算、全彩显示及光存储等应用领域具有巨大的应用前景。高质量的混合维度器件要求二维材料外延生长为单晶尺寸大。根据晶体成核理论与生长机理等研究表明单晶蓝宝石衬底表面达到大面积原子台阶是其异质外延大单晶、高质量二维材料的关键。

2、目前单晶蓝宝石衬底表面大面积原子台阶的制备方式主要有高温退火、基于强腐蚀性抛光液的化学机械抛光及等离子抛光等方式。高温退火需要先通过化学机械抛光加工亚纳米级表面，然后在1100℃以上高温退火数小时(专利号cn110512287a)才可以形成衬底表面原子台阶，此方式存在原子台阶类型不可控、步骤繁琐、能耗大、设备要求高的问题；基于强腐蚀性抛光液的化学机械抛光方式，存在衬底表面原子台阶类型不一、蚀坑严重及环境污染大等问题；离子抛光等方式，存在加工面积小、加工效率低、成本高的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种用于二维材料高取向生长的蓝宝石衬底的加工方法，以改善上述问题。

2、本发明的目的可以通过以下方案来实现：

3、一种用于二维材料高取向生长的蓝宝石衬底的加工方法，其包括以下步骤：

4、s1，将c向[0001]单晶蓝宝石衬底安装于倾角加工设备，加工出具有c轴偏a轴方向或c轴偏m轴方向的单晶蓝宝石衬底；

5、s2，将单晶蓝宝石衬底和柔性抛光垫分别安装在抛光设备上，并加入多羟基官能团化合物和去离子水作为抛光液；所述柔性抛光垫表面设置有带电磨粒；

6、s3，设置抛光设备的载荷及转速，使单晶蓝宝石衬底与柔性抛光垫发生相对摩擦，单晶蓝宝石与抛光液中的多羟基官能团化合物在带电磨粒摩擦诱导下实现电荷快速转移，促进单晶蓝宝石衬底表面生成硬度较低的摩擦反应层；

7、s4，通过带有回弹效果的带电磨粒的机械作用将反应层均匀去除，从而实现c轴偏角单晶蓝宝石衬底表面的大面积原子台阶。

8、优选地，所述柔性抛光垫由固结磨料抛光膜、无纺布复合而成；所述带电磨粒为细粒度、具有负(-)的zeta电位的磨粒。

9、优选地，所述带电磨粒的材料为氧化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅中的一种；粒度为w0.5～w3；电位范围为-50mv-0mv。

10、优选地，所述无纺布材料为聚丙烯、涤纶、聚酯纤维材料、粘胶纤维中的一种；所述无纺布的层数为0层～5层。

11、优选地，所述载荷施加范围为0.3kg/cm3～0.6kg/cm3。

12、优选地，所述抛光设备的载盘转速范围为50rpm/min～70rpm/min，所述载物盘承载所述单晶蓝宝石衬底上，并用于向单晶蓝宝石衬底施加载荷。

13、优选地，所述抛光设备的抛光盘转速范围为120rpm/min～200rpm/min。

14、优选地，所述多羟基官能团化合物为氨酸、丝氨酸、柠檬酸、山梨醇、氨基三乙酸、乙二胺四乙酸二钠中的一种或几种。

15、优选地，所述多羟基官能团化合物在抛光液中质量百分比为0.1wt％～10wt％。

16、优选地，所述蓝宝石衬底的c轴偏角α满足范围0.1°<α≤8°；所述大面积原子台阶表面的粗糙度ra满足范围0<ra≤0.15nm；所述大面积原子台阶表面的大面积s满足范围为0.1mm2<s<5mm2。

17、本发明通过带负(-)电的磨粒摩擦诱导蓝宝石/多羟基官能团化合物实现电荷快速转移，促进化学反应进行。在带电磨粒摩擦诱导下，蓝宝石衬底表面易失去电子带正电，多羟基官能团化合物易捕获电子，实现电子的快速转移，从而促进蓝宝石表面反应层的快速生成。带负电的磨粒，与带正电的蓝宝石衬底表面产生静电吸附，促进反应层的快速去除。

18、本发明无需酸碱腐蚀液和高温退化等极端条件，并且可以适用于具有任意c轴偏转角的单晶蓝宝石衬底大面积原子台阶的绿色高效加工，极大提高单晶蓝宝石衬底原子台阶加工效率，对高质量二维/三维混合维度异质结器件领域发展具有很大的推动作用。

技术特征：

1.一种用于二维材料高取向生长的蓝宝石衬底的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述柔性抛光垫由固结磨料抛光膜、无纺布复合而成；所述带电磨粒为细粒度、具有负(-)的zeta电位的磨粒。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述带电磨粒的材料为氧化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅中的一种；粒度为w0.5～w3；电位范围为-50mv-0mv。

4.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述无纺布材料为聚丙烯、涤纶、聚酯纤维材料、粘胶纤维中的一种；所述无纺布的层数为0层～5层。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述载荷施加范围为0.3kg/cm3～0.6kg/cm3。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述抛光设备的载盘转速范围为50rpm/min～70rpm/min，所述载物盘承载所述单晶蓝宝石衬底上，并用于向单晶蓝宝石衬底施加载荷。

7.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述抛光设备的抛光盘转速范围为120rpm/min～200rpm/min。

8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述多羟基官能团化合物为氨酸、丝氨酸、柠檬酸、山梨醇、氨基三乙酸、乙二胺四乙酸二钠中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述多羟基官能团化合物在抛光液中质量百分比为0.1wt％～10wt％。

10.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底的c轴偏角α满足范围0.1°<α≤8°；所述大面积原子台阶表面的粗糙度ra满足范围0<ra≤0.15nm；所述大面积原子台阶表面的大面积s满足范围为0.1mm2<s<5mm2。

技术总结
本发明属于半导体抛光技术领域，具体涉及一种用于二维材料高取向生长的蓝宝石衬底的加工方法，其包括：将C向[0001]单晶蓝宝石衬底安装于倾角加工设备，加工出具有C轴偏A轴方向或C轴偏M轴方向的单晶蓝宝石衬底；将单晶蓝宝石衬底和柔性抛光垫分别安装在抛光设备上，并加入多羟基官能团化合物和去离子水作为抛光液；柔性抛光垫表面设置有带电磨粒；设置抛光设备的载荷及转速，使单晶蓝宝石衬底与柔性抛光垫发生相对摩擦，单晶蓝宝石衬底与抛光液中的多羟基官能团化合物在带电磨粒摩擦诱导下生成硬度较低的摩擦反应层；通过带有回弹效果的带电磨粒的机械作用将反应层均匀去除。本发明能极大提高单晶蓝宝石衬底原子台阶加工效率。

技术研发人员：柯聪明,庞义澳,刘首麟,李志强,陆静
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19