[发明专利]适用于硬脆易解理单晶氧化镓晶片的高效低损伤研磨方法

说明书

本发明公开了一种适用于硬脆易解理单晶氧化镓晶片的高效低损伤研磨方法，该方法包括a粗研磨前退火预处理、b粗研磨、c粗研磨后的退火预处理、d贴片和e精研磨等步骤。本发明工艺设计合理，可操作性强，材料去除速率快、加工效率高，晶片表面光滑，无明显划痕、解理裂纹、层间解理剥离和解理坑等缺陷，可获得表面完整性较高及表面损伤层低的高质量晶片。

技术领域

本发明涉及半导体材料晶片平坦化研磨加工技术领域，特别是一种适用于硬脆易解理单晶氧化镓(β-Ga₂O₃)晶片的高效低损伤研磨方法。

背景技术

氧化镓作为新型氮化镓衬底材料，晶格失配率低、禁带宽度高，兼具蓝宝石的透光性和碳化硅的导电性等优良特性，是代替氧化铝和碳化硅的更为理想的GaN衬底材料，在光电器件领域具有非常广阔的市场前景。

随着高亮、高效LED技术的发展，对半导体晶片表面超精密加工质量提出了更为苛刻的要求，不仅要确保晶片表面高度完整性，最终表面粗糙度的要求也达到了亚纳米级。研磨加工旨在去除晶片切割时产生的锯痕、微裂纹和亚表面损伤等变质层，作为化学机械抛光(CMP)获得超光滑无损表面之前的关键工艺步骤，显得尤为重要。

单晶氧化镓材料不仅具有与氧化铝和碳化硅等光电子材料类似的硬脆性特征，还具有独特的易解理特性，研磨等伴有晶体破碎去除的加工过程中会产生解理裂纹、层间解理剥离和解理坑等典型的解理缺陷，对研磨压力、磨粒粒度、内部应力和加工过程温度等极具敏感，进而影响后续抛光加工的整体效率和质量。

目前，适用于氧化铝、碳化硅、硅等晶体材料晶片的研磨方法，在磨料种类及粒度的选取、研磨压力、研磨速率、残余应力的控制等方面，并没有充分考虑单晶氧化镓材料本身典型的硬脆易解理特性。使用现有氧化铝、碳化硅、硅等晶体材料晶片的研磨方法对单晶氧化镓晶片进行研磨加工时，易产生严重的解理裂纹、层间解理剥离和解理坑等解理缺陷，晶片表面完整性较低、表面损伤层厚度较大，难以实现单晶氧化镓晶片的低成本、高质高效加工。

因此，对于单晶氧化镓晶片研磨方法的研究，显得尤为迫切！本发明鉴于此需求，经系列化研磨加工实验筛选，优选出一种适用于硬脆易解理单晶氧化镓晶片的高效低损伤研磨方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术中，针对现有研磨方法情况下，单晶氧化镓晶片研磨加工表面质量不高，易产生解理裂纹、层间解理剥离和解理坑等解理缺陷，严重影响晶片后续超光滑无损表面化学机械抛光加工的效率、质量与成本，提出一种适用于硬脆易解理单晶氧化镓晶片的高效低损伤研磨方法。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所采用的主要技术方案为：

一种适用于硬脆易解理单晶氧化镓晶片的高效低损伤研磨方法，包括以下步骤：

a、粗研磨前退火预处理：

将所述待加工的单晶氧化镓切割晶片装载到陶瓷工装架上，再把陶瓷工装架置于退火炉内的晶钵内，向晶钵内加入氧化镓晶体粉末，直至填满晶片与陶瓷工装架和晶钵之间的间隙，并用氧化镓晶体粉末覆盖需经退火处理的单晶氧化镓切割晶片，然后通入保护气体氮气，排出退火炉内空气，然后加热进行退火处理；

b、粗研磨：将步骤a粗研磨前退火预处理后的单晶氧化镓晶片取出，置于铸铁盘双面研磨机的行星轮的圆形预留腔内，行星轮上的轮齿分别与中心轮、外齿圈相啮合，控制上研磨盘的调节气缸，使上研磨盘下移与待加工单晶氧化镓晶片上表面均匀接触；然后向上研磨盘、下研磨盘和单晶氧化镓晶片之间持续通入抗解理悬浮研磨液，增加研磨时的润滑和切削力；

然后启动铸铁盘双面研磨机，调节控制上研磨盘和下研磨盘反向转动，行星轮在中心轮和外齿圈的共同作用下与下研磨盘同向公转，形成研磨切削作用，对单晶氧化镓晶片上、下表面同步对称研磨；中心轮由减速机和电机驱动；

c、粗研磨后的退火预处理：