随着电子信息产业中集成电路和通信技术对第三代半导体的质量和制造水准要求越来越高,氮化镓作为性能优越的第三代半导体材料,具有禁带宽度大、高临界击穿场强、电子迁移率高、热导率高等优良特性,在蓝光照明、高温、高频及抗辐照器件等方面具有广阔的应用前景。为实现低环境负荷和节能社会,基于氮化镓(Ga N)的下一代光电器件备受关注。因此,研究氮化镓晶体的表面平坦化加工工艺十分有意义。为实现氮化镓晶体的表面平坦化加工,基于芬顿反应、过硫酸钠、高锰酸钾、氢氧化钾四种不同的氧化反应,采用氧化反应实验和化学机械抛光方法对基于蓝宝石衬底的单晶氮化镓薄膜进行了化学作用机理、化学影响因素、机械影响因素、工艺参数等方面的研究。首先,采用氧化反应实验,针对芬顿反应、氢氧化钠溶液、过硫酸钠溶液、高锰酸钾对基于蓝宝石衬底的的氮化镓晶体进行腐蚀反应实验,研究四种不同的氧化剂对氮化镓的氧化效果,检测腐蚀反应前后的晶体表面能谱和形貌变化,观察氧化反应前后的氮化镓表面形貌,分析氮化镓在不同化学反应中的作用机理,确定氮化镓化学反应速率的最佳氧化反应。研究发现,经过四种氧化反应之后的氮化镓晶体表面均可出现形状、数量、大小不同的氧化层,芬顿反应之后的氮化镓晶体表面出现的氧化层最明显,氧化范围最大,数量最多,使用扫描电镜检测四种反应后氧化区域,发现芬顿反应后的氮化镓氧化区域能谱中氧元素含量上升最为显著。然后,配制含有四种不同氧化剂的抛光液对氮化镓晶体进行了化学机械抛光实验,检测抛光后的表面形貌,结合氮化镓在四种氧化剂下的化学作用机理和抛光结果来优选出最佳的氧化反应并对其进行系统研究。抛光实验表明,抛光后氮化镓晶体的表面粗糙度从小到大依次为芬顿反应、高锰酸钾、过硫酸钠、氢氧化钾,其中芬顿反应抛光后粗糙度最低为Ra3.2nm,抛光实验结果与氧化实验结果具有较好的一致性,因此,确定芬顿反应为氮化镓化学机械抛光的较佳反应原理进行后续系统研究。在此基础上,配制不同质量分数的芬顿反应试液进行氮化镓抛光实验,结合催化剂的种类和粒径对实验抛光效果的影响,研究氮化镓晶体的化学机械抛光规律及原理,优化最佳的化学反应参数。研究发现,经过不同质量分数抛光后的氮化镓晶体,质量分数为7.5%的芬顿反应溶液抛光氮化镓晶体之后的表面质量最好,表面粗糙度最低为Ra3.21nm。对比两种粒径下固相催化剂抛光效果,粒径小的四氧化三铁粉末催化剂抛光后表面质量较好,为Ra2.4nm。硫酸亚铁溶液催化剂相比固体粉末状催化剂更能加快氧化反应的进行,抛光后表面质量较好(表面粗糙度较低为Ra1.2nm)。最后,对单晶氮化镓薄膜进行了CMP工艺试验,采用单因素试验法研究了磨料种类、磨料浓度、磨料粒径、抛光时间、抛光压力、抛光轮转速、磁流变液流量、加工时间等参数对单晶氮化镓薄膜的抛光效果的影响规律,然后对抛光过程中磨料粒径、磨料浓度、抛光转速等主要工艺参数进行正交优化实验,分析不同加工参数对单晶氮化镓薄膜化学机械抛光抛光质量影响程度,并确定氮化镓单晶薄膜的优化工艺参数。正交实验结果可知,不同因素对氮化镓的CMP抛光的表面粗糙度影响程度由大到小依次为:抛光盘转速>磨料浓度>抛光压力>磨料粒径。当抛光盘转速为60r/min,抛光压力为2.25kg/cm~2,磨料粒径为60nm,磨料浓度为25wt%时,抛光效果最好,表面粗糙度最低可达Ra0.92nm。