一种抛光组合物及其制备、抛光方法与流程

本发明属于微电子制造技术领域，特别涉及超硬材料的超精密加工技术领域。

背景技术：

由于其热导率大、击穿场强高、禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、耐高温、抗辐射能力强和化学稳定性好等优越的理化性质，碳化硅单晶成为继硅、砷化镓之后第三代关键半导体材料。同时，由于碳化硅与制作大功率电子器件、LED光电子器件的重要外延材料氮化镓之间具有非常小的晶格失配率和热膨胀系数差，使碳化硅成为宽禁带半导体器件的重要衬底材料。

无论是碳化硅单晶作为衬底材料，还是作为器件制备材料，碳化硅晶片的表面加工质量直接影响着所制备器件的性能。与此同时，碳化硅单晶的硬度极高，莫氏硬度9.2，仅次于金刚石(10)，且化学性质非常稳定，室温下几乎不与任何物质反应，所以非常难以加工，生产效率低、加工成本高。因此，碳化硅晶片的抛光技术是制约其相关器件制造技术发展的瓶颈问题之一。

Y.C.Lin等人在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》(2005年25期33-40页)上报道了对碳化硅表面抛光的摩擦化学反应机理的研究，认为碳化硅表面在铁氧化物作用下可以实现摩擦化学去除，且抛光速率可达到0.06μm/h。H.Deng等在《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》(2012年DOI10.1007/s00170-012-4430-7)通过高温高压下的等离子体抛光，获得亚纳米级碳化硅晶片表面。Y.Sano等在《ECS Journal of Solid State Science and Technology》(2013年2期N3028-N3035页)提出用含氟化氢超强腐蚀酸的无磨粒抛光液结合铂盘，对SiC晶片Si面进行抛光，获得亚纳米级表面，但去除速率低于100纳米/小时。可见，现有的抛光方法，去除速率不高，且表面光滑程度不够，或抛光组合物不环保、抛光方法复杂、条件苛刻。另一方面，为节约生产成本，用于碳化硅晶片的抛光组合物需要循环使用。因此，亟待开发一种实现碳化硅等超硬材料高效去除和光滑表面的抛光方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种实现高效去除、光滑表面的碳化硅抛光组合物及其制备、抛光方法。

一种抛光组合物，其特征在于，包括磨料、氧化剂、腐蚀剂、光催化剂、抛光稳定剂、水；其中，各组分配比为：

磨料为10～30wt％，氧化剂为0.5～15wt％，腐蚀剂为0.01～10wt％，光催化剂为0.001～5wt％，抛光稳定剂为0.1～10wt％，水余量，所述抛光组合物的pH值为8～12。

所述磨料为氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化锆或金刚石中的一种或几种，其中所述氧化硅的平均粒径为10-150纳米。

所述氧化剂为过二硫酸、过二硫酸钠、过二硫酸铵、过乙酸、过苯甲酸、次氯酸、次氯酸钠、次氯酸钾、次氯酸铵、高氯酸、高氯酸钠、高氯酸钾、次溴酸、次溴酸钠、高溴酸、高溴酸钠、次碘酸、次碘酸钠、碘酸、碘酸钠、碘酸钾、高碘酸、高碘酸钠、高碘酸钾、过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、硝酸铝或硝酸铁中的一种或几种。

所述腐蚀剂为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸铵、碳酸氢铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、四甲基氢氧化铵、甲基胺、二甲基胺、三甲基胺、乙基胺、二乙基胺、三乙基胺、乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、无水哌嗪、六水哌嗪、氨基丙醇、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、六乙烯七胺、羟乙基乙二胺中的一种或者几种的混合。

所述光催化剂为银、氧化钛、氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钼、硫化锌、硫化镉中的一种或几种。

所述抛光稳定剂为乙二胺四乙酸盐、丙二胺四乙酸盐、三乙烯四胺六乙酸盐、1,2-环己二胺四乙酸盐、氨基三亚甲基膦酸盐、羟基亚乙基二膦酸盐、乙二胺四亚甲基膦酸盐、乙二胺四亚乙基膦酸盐、二乙烯三胺五亚甲基膦酸盐、二乙烯三胺五亚乙基膦酸盐、三乙烯四胺六亚乙基膦酸盐、丙二胺四亚乙基膦酸盐、丙二胺四亚甲基膦酸盐、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸盐、羟基亚乙基二磷酸盐、2-羟基膦酸基乙酸盐、己二胺四亚甲基膦酸盐、双1，6-亚己基三胺五亚甲基膦酸盐、多氨基多醚基亚甲基膦酸盐中的一种或几种。

上述的组合物适用于碳化硅的抛光。

本发明的一种抛光组合物的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

先加入氧化剂、腐蚀剂、抛光稳定剂、水，搅拌使其分散均匀；

再加入磨料，搅拌使其分散均匀；

再加入光催化剂，搅拌使其分散均匀配制完成。

上述的搅拌采用搅拌器或超声波混合至物料分散均匀。

采用本发明抛光组合物的抛光方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将晶片安装在抛光头上；

将撰所述抛光组合物引入到抛光垫上；

将紫外光照射在抛光垫上的抛光组合物；

启动抛光机，抛光垫相对于碳化硅晶片运动进行抛光以实现材料去除。

本发明提供的抛光组合物及其抛光方法主要适用于半导体照明LED芯片衬底、功率器件、通讯射频器件制造中碳化硅晶片的抛光，经其抛光后的碳化硅晶片表面极其光滑，无划痕、凹坑等表面缺陷，AFM所测的表面粗糙度Ra低，表面呈现原子台阶形貌(如图2所示)；与此同时，具有抛光去除速率高、循环抛光性能好的特点，晶片的循环抛光去除速率可达到300纳米/小时以上。

附图说明

图1是本发明抛光方法所用装置的示意图。

图2是本发明实施例4抛光碳化硅晶片后的表面原子力显微镜(AFM)图，表面粗糙度Ra：0.054nm，呈现出清晰规整的原子台阶形貌。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

一种抛光组合物，包含磨料、氧化剂、光催化剂、腐蚀剂、抛光稳定剂和水。

实施例1～8及对比例1～2的抛光组合物如表1所示，其制备方法如下：

先将氧化剂过二硫酸钠5％、腐蚀剂碳酸钠5％、抛光稳定剂2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸四钠1％加入去离子水，搅拌3min，混合均匀；再加入磨料粒径80nm氧化硅25％，搅拌3min，混合均匀；再加入光催化剂银0.1％，超声5min，分散均匀，配制成本发明的抛光组合物pH值为10.86。

图1为用于碳化硅晶片抛光的装置示意图。

本发明的实施例1～8及对比例1～2的抛光组合物对碳化硅晶片的抛光方法如下：

将碳化硅晶片安装在抛光头上；

实施例1～8将所述含有光催化剂的抛光组合物引入到抛光垫上，比较例1为将不含有光催化剂的抛光组合物引入到抛光垫上；

实施例1～8将紫外光照射在抛光垫上的抛光组合物，比较例2没有将紫外光照射在抛光垫上的抛光组合物上；

启动抛光机，抛光垫相对于碳化硅晶片运动进行抛光以实现材料去除。

抛光条件如下：

抛光机：沈阳科晶1000S型单面抛光机；

被抛光的晶片：2英寸4H-SiC碳化硅晶片Si面；

抛光垫：SUBA600；

抛光压力：400克/平方厘米；

工件转速：60转/分钟；

下盘转速：140转/分钟；

抛光液流量：70毫升/分钟

抛光液循环抛光时间：1小时

循环抛光：是指抛光过程中，将抛光组合物的导出口与导入口相连通，抛光组合物循环反复的对晶片进行抛光加工。

抛光后，对碳化硅晶片进行洗涤和干燥，然后测量晶片的去除速率和表面质量。用分析天平测量抛光前后晶片的重量差来求出去除速率；表面粗糙度Ra用原子力显微镜(AFM)测定。测试结果如表1所示。

表1 各实施例、比较例的抛光组合物及其抛光条件、抛光表面质量

注：表中√为有紫外光照射；×这无紫外光照射

由表1的抛光效果可见，实施例1～4抛光组合物与比较例1～2相比较，将含有光催化剂的抛光组合物在紫外光照射下，对碳化硅晶片进行抛光，其抛光去除速率显著提高、循环抛光性能好，抛光去除速率可达到300纳米/小时以上；与之同时，经其抛光后的晶片表面呈极其光滑，无划痕、凹坑等表面缺陷，呈现出清晰规整的原子台阶形貌，AFM所测的表面粗糙度Ra可小于0.1nm。

比较例1抛光组合物不含有光催化剂，即使用紫外光照射，去除速率不够高，且表面质量一般。比较例2抛光组合物尽管含有光催化剂，但无紫外光照射，去除速率仍未提高。

采用本发明所述含有光催化剂的抛光组合物，在紫外光照射下，对碳化硅晶片进行抛光，去除速率显著得到提高，循环抛光稳定性好；被抛光表面超光滑，表面无划痕、凹坑等缺陷，表面粗糙度极低，呈现出规整的原子台阶形貌。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。