[发明专利]一种砷化镓超薄衬底及应用

说明书

技术领域

本发明半导体材料技术领域，尤其涉及一种砷化镓超薄衬底及应用。

背景技术

半导体材料被广泛的应用于热核电池能量转换材料的研究当中，随着半导体材料加工制造技术的提高，使得热核电池的实际应用成为可能。半导体材料制造的热核电池的能量转换效率较高，在输出同样的功率时，可以使用较少的放射性同位素原料，大大减少电池的重量和成本。单晶硅是最早也是最成熟的半导体材料，但是硅材料禁带宽度小，电池的能量转换效率较低。

砷化镓是一种重要的第三代半导体材料，属Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其不仅具有优异的温度特性和抗辐射特性，而且禁带宽度大，电子迁移率比硅大5～6倍。使用超薄砷化镓衬底作为热核电池能量转换材料，可以得到比运用硅基材料更高的开路电压和能量转换率，电池输出的电压和电流可达到5V1.5A。

由于砷化镓晶片材料本身强度有限，对超薄晶片生产工艺有着较高的要求。目前普遍采用化学机械抛光技术对砷化镓晶片进行过度抛光，单次抛光厚度减薄量保守在10μm以上，且在加工过程中容易发生破损，造成大量材料浪费，生产成本较高。

采用传统加工工艺，砷化镓晶片在各方面技术指标均达不到理想状态，与国际领先水平有差距，影响其能量转换效率。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种砷化镓超薄衬底，所述砷化镓超薄衬底的形状为正六边形，所述砷化镓超薄衬底的内部包括至少两个边长依次减小的多孔正六边形，呈窝蜂状。

其加工方法如下：

1)材料提纯：用西门子法对工业级砷高精度的提纯，得到6N-8N超纯砷原料；通过碱性电解-连续结晶-单晶直拉过程对工业级镓进行提纯，得到6N-8N超纯镓；

2)砷化镓多晶料制备：使用超纯砷、超纯镓多晶合成，得到砷化镓多晶料；

3)晶体生长：采用砷化镓VGF&VB(垂直梯度凝固法&垂直布里奇曼法)单晶生长工艺，制得晶棒；

4)切片：使用多线切割机将晶棒切割出一定厚度的薄片；

5)磨边：采用全自动磨边机对晶片进行磨边，边缘粗糙度Ra为1.9nm；

6)研磨：用研磨机，采用研磨液对晶片进行研磨，晶片TTV小于5μm；

7)腐蚀：用腐蚀液对晶片进行腐蚀；

8)粗抛和精抛：采用非接触式全自动超薄晶片上蜡、下蜡、化蜡机进行粗抛和精抛处理，具体操作规程为：

S1：在下列上蜡参数下，陶瓷盘加热至110℃-115℃，陶瓷盘转速为1450～2060r/min，滴蜡时间为7-16s，烘烤时间为20-30s，将晶片粘贴在上蜡机陶瓷盘上；

S2：使用抛光机，定盘转速为26-94r/min，抛光头转速为26-94r/min，抛光液流量为1.5-6.6mL/min，抛光时间为8-22min，抛光压力为180-200kg，对晶片进行粗抛处理；

S3：通过四个步骤进行化蜡、下蜡，分别为：热水、纯水、一次IPA、二次IPA进行冲洗，二次IPA温度为78℃-85℃；

S4：重复上诉步骤进行精抛处理，直至砷化镓衬底表面粗糙度低于0.3nm、平坦度低于5μm；

9)清洗：

S1：采用全自动兆声波清洗工艺与设备对精抛后的晶片进行清洗，实现晶片表面粗糙度小于0.3nm；

S2：在100级超洁净室环境里，采用非接触式抓取技术，抓取超薄砷化镓衬底，厚度为100μm-400μm，使用纯水有效去除99.9％的晶片表面颗粒，颗粒范围在0.1μm-0.3μm之间；

10)光刻腐蚀：

S1：涂胶：在衬底上涂一层厚度为1μm光刻胶；

S2：前烘：将涂好胶的衬底通过红外烘烤法在100℃下进行烘烤15min，使胶层中的溶剂挥发，增加光刻胶与砷化镓衬底的粘附力，提高和稳定胶膜的感光；

S3：光刻：使用光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对超薄砷化镓衬底表面进行一定时间的照射,使得照射部分易于腐蚀，其中光刻板覆盖部分的宽度为4μm；

S4：腐蚀：用一定体积比的氢氧化铵腐蚀液对光刻后的砷化镓衬底进行腐蚀得到正六方形多孔状衬底；

S5：去胶：将带有光刻胶的衬底浸泡在适当的有机溶剂中，使胶膜溶胀后去掉，然后用等离子水冲洗，最后采用氮气烘干。

优选地，所述步骤4)中的切片厚度为100μm-150μm。

优选地，所述步骤6)中的研磨液包括冰粒、绿碳化硅、水、猪油、花生油、氧化锆、氨水、丙酮和气相二氧化硅并按照重量比为2:2:2:4:4:2:2:1:1混合组成。