【摘 要】
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随着半导体材料的不断更迭,氮化镓(GaN)现已逐渐进入人们的视线,并成为与人类生活密切相关的材料。GaN材料化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)的速率及其表面质量也逐渐成为科研中热议的话题。本文采用三电极体系研究了不同条件的水溶液对GaN材料腐蚀特性的影响。在氧化剂为KBrO3时,紫外光(UV)和光催化剂SnO2共同作用下溶液对GaN的腐蚀能力显著提高
【基金项目】
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河北省高层次人才资助项目百人计划项目(E2013100006);
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随着半导体材料的不断更迭,氮化镓(GaN)现已逐渐进入人们的视线,并成为与人类生活密切相关的材料。GaN材料化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)的速率及其表面质量也逐渐成为科研中热议的话题。本文采用三电极体系研究了不同条件的水溶液对GaN材料腐蚀特性的影响。在氧化剂为KBrO3时,紫外光(UV)和光催化剂SnO2共同作用下溶液对GaN的腐蚀能力显著提高;光催化剂SnO2的浓度对GaN腐蚀电位具有一定的影响,在其浓度为0.2 wt.%时光催化的效果最好;在H2O2-SnO2体系中,GaN腐蚀电位为-0.222 V(p H3),对GaN具有最强的腐蚀能力。这是因为随着电解液中H+离子的增加,生成的Ga2O3更容易被溶解;在K2S2O8-SnO2体系中,GaN腐蚀电位达到最低值-0.570 V(p H6)。在强酸性和强碱性电解液会使GaN表面钝化,会影响GaN表面氧化反应的持续发生。在GaN腐蚀电化学研究基础上,进行GaN的CMP实验,分析不同条件下的抛光液对GaN材料抛光速率的影响。在紫外光的照射下KBrO3-SnO2体系GaN抛光速率可达502.4 nm/h;H2O2-SnO2体系中,GaN最高材料去除速率(Material Removal Rate,MRR)383.4 nm/h(p H3);在K2S2O8-SnO2体系中,GaN抛光速率最高,为512.4 nm/h(p H6)。实验中通过加入表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS),进一步提升抛光速率,实验发现:SDS和SDBS都促进了GaN材料抛光速率的提高,拥有更强亲水性的SDS具有更强的抛光速率提升效果。在平均粒径相近时,Al2O3磨料在提升GaN CMP去除速率上有着比硅溶胶更卓越的表现,在氧化剂为K2S2O8时,最高速率可达608.2 nm/h;研究了三种抛光工艺(压力、抛头转速和抛光液流量)对GaN材料抛光速率的影响,最佳工艺条件分别为6 psi,45 rpm和80 m L/min。对CMP后的GaN晶片进行了表面粗糙度分析。实验表明:在H2O2-SnO2体系中,表面粗糙度Rq为0.21 nm;在K2S2O8-SnO2体系中,表面粗糙度Rq为0.14 nm;在KBrO3-SnO2体系中添加SDS和SDBS后会使GaN材料的MRR更快,表面粗糙度分别增至0.89 nm和0.65 nm;研究了Al2O3磨料对GaN晶片表面粗糙度的影响,在K2S2O8-SnO2体系中使用Al2O3磨料,表面粗糙度增至2.04 nm。研究了三种抛光工艺(压力、抛头转速和抛光液流量)对GaN表面粗糙度的影响,在抛光压力为6 psi、抛头转速为45 rpm、抛光液流量为80 m L/min时,表面粗糙度为0.11 nm(KBrO3-SnO2体系)。
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