CN110695842B - 一种用于三结砷化镓外延层表面平整化处理的工艺方法 - Google Patents

一种用于三结砷化镓外延层表面平整化处理的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于三结砷化镓外延层表面平坦化处理的工艺方法，配制两种抛光液后，将晶片放置于压块上粘贴的无蜡垫内；三结砷化镓外延层面贴紧抛光盘上的阻尼布，执行自查程序，查看压块和晶片的自旋状况；自查程序执行结束后，施加第一种抛光液，执行第一段抛光程序；第一段程序结束后，关闭第一种抛光液，施加第二种抛光液，同时执行第二段程序；第二段程序结束后，关闭抛光液，从压块上粘贴的无蜡垫内取出晶片，放入白花篮中进行清洗。技术效果是解决了目前三结砷化镓外延层无法在保证表面质量的前提下达到1µm整体平整度和3nm以下表面粗糙度的问题，可以有效地提高三结砷化镓外延层表面平整度，降低表面粗糙度，提高键合效果。

Description

一种用于三结砷化镓外延层表面平整化处理的工艺方法
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，用于三结砷化镓外延层平坦表面制备工艺中所使用的化学机械抛光方法。
背景技术
随着太阳能电池技术的发展进步，人们一般将晶体硅太阳能电池称为第一代太阳能电池技术，其光电转换率一般在15%～25%，非晶硅薄膜太阳能电池称为第二代太阳能电池技术其光电转换率较低，一般只有6%～10%。随着人们对能源需求越来越大，以及越来越重视环境保护，促进了太阳能电池的飞速发展。因此需要发展新的太阳能电池，也就是第三代太阳能电池。第三代太阳能电池主要包括了多结砷化镓太阳能电池、热载流子太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池等，其中以高效多结砷化镓太阳能电池技术的研究取得的成果最为突出，多结级联砷化镓太阳能电池是目前世界上承认的光电转化效率最高的太阳能电池，已突破40%。目前高效多结砷化镓太阳能电池已经广泛应用在航天航空领域。
晶片直接键合是将两个晶片表面直接贴合，在一定的温度和压力下进行退火处理，使得两者之间通过分子力或者原子力相结合，这就要求需键合晶片表面的粗糙度达到原子级别，晶片表面不能有过大的起伏，因此需要对键合表面进行平坦化处理，常用的方法是CMP（化学机械抛光），将粗糙表面处理成原子级别的平整度。由于化学机械抛光方式需要化学作用与机械作用相匹配，因此涉及8种主要参数，分别为抛光液配比、抛光液流量、SiO2胶体粒径、抛光布型号、抛光盘转速、抛光压力、抛光时间。目前普遍使用多片单面抛光技术，抛光时长为180s，抛光压力每片5kg，抛光布型号为Politex HI，抛光盘转速70rpm，抛光液流量8～10ml/s，但由于转速较快，表面去除速率快，很难控制到纳米级去除精度，并且多片抛光在抛光液的分配上相对随机，同批次抛光的晶片表面平整度通常会有微米级的差异，造成表面去除厚度不均匀是比较普遍的现象。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于三结砷化镓外延层表面平整化处理的工艺方法。本发明通过多次工艺试验摸索，确定出了一种单面抛光用的精抛方法。该方法能够在三结砷化镓外延层表面形成一层致密、均匀的氧化层，在通过机械作用均匀的去除该氧化层，达到纳米级去除，在保证外延层表面质量的同时，将整体平整度控制在1µm以下。
具体技术方案是，一种用于三结砷化镓外延层表面平整化处理的工艺方法，其特征在于：采用英国Logitech公司LP50型磨抛机，工艺方法包括如下步骤，
第一步，配制抛光液，抛光液一：去离子水15L倒入干净的抛光液桶中，使用0.01g电子秤分别称量氯化物粉末100～200g、硫代硫化物粉末150-250g、多聚磷酸盐粉末100～300g、碳酸氢盐粉末40～150g，倒入15L去离子水中，搅拌机用700rpm搅拌10min，抛光液二：去离子水15L倒入干净的抛光液桶中，用1000ml量杯称量含粒径85µm的SiO2颗粒溶液1～2L全部倒入15L去离子水中，用玻璃棒顺时针搅拌10圈；
第二步，将无蜡垫粘贴在加压组块底面上，无蜡垫为材质是阻尼布、中心有盲孔的的圆片，厚度1200µm，外圈直径101mm，内圈直径100.3mm，孔深=晶片厚度*0.75±5μm；
第三步，将抛光布贴在抛光盘上，抛光盘尺寸为37cm即14.6"，抛光布外形尺寸与抛光盘外形尺寸相同、厚度1.59mm，密度0.36g/cm3，压缩率13.7%，压缩弹性率89.9%，硬度41.5°；
第四步，将带有三结砷化镓外延层的晶片正面向上放置在无蜡垫的孔洞中；
第五步，将加压组块卡在旋转导轮上，其中三结砷化镓外延层面贴紧在抛光布的上端面，执行自查程序，查看加压组块和晶片的自旋状况，具体过程如下：
一）、向加压组块气体加压，加压时间5s至压力3～8kg，恒压，时长15s，同时施液管向抛光布的上端面送去离子水，流量5～10ml/s，
二）、观察是否有跑片现象，自查程序结束后，取下加压组块，观察晶片表面情况，如一切正常则证明设备运转正常，可继续进行下面正常工艺流程；
第六步，自查程序执行结束后，执行厚度去除工艺程序，具体过程如下：
一）、将加压组块卡在旋转导轮上，其中带有三结砷化镓外延层的晶片正面向上放置在无蜡垫的孔洞中，外延层面贴紧抛光盘上的抛光布上端面，
二）、加压，加压时长5s，压力5～8kg，
三）、施液管送抛光液一，流量5～10ml/s，时长3～8s，
四）、施加抛光液3～8s后，开启抛光盘，加速时间3s至转速达15～50rpm，转速稳定时计时开始，运行20～50s后降低抛光盘转速，减速时间3s至转速降低至0rpm时，关闭抛光液，取下加压组块，用去离子水冲洗外延面，冲水时间5～20s，
五）、用去离子水冲洗抛光布，冲洗时长5～20s，抛光盘转速20～50rpm；
第七步，执行表面精细处理工艺程序，具体过程如下：
一）、将加压组块卡在旋转导轮上，
二）、对加压组块加压，加压时长5s，压力1～8kg，
三）、同时施液管送抛光液二，流量3～10ml/s，
四）、施加抛光液3～8s后，开启抛光盘，加速时间3s，转速10～20rpm，转速稳定时计时开始，运行60～300s后降低抛光盘转速，减速时间3s低至0rpm，关闭抛光液，取下加压组块，用去离子水冲洗外延面，冲水时间5～20s；
第八步，从无蜡垫内取出晶片，放入清洗篮中溢流静置10s后进行清洗；
第九步，由于加工后晶片表面会有有机物和局部化学反应层的存在，为了更好的检查晶片的表面质量，需用碱性化学清洗液和去离子水进行兆声清洗机浸洗，具体步骤如下：
一）、晶片整篮进行碱性化学清洗液浸洗，时长120～1000s，碱性化学清洗液配比为表面活性剂：KOH：去离子水=1:2:200，
二）、用去离子水浸洗，时长60～200s；
第十步，干化，程序分为3段，总时长180～440s，具体包括：
一）、旋转喷淋，转速1000～1800rpm，时长60～120s，
二）、甩干，转速1200～1800rpm，时长60～200s，
三）、烘干，转速500～1500rpm，时长60～120s；
第十一步，对抛光完毕的晶片分别进行表面质量和整体平整度检验。
本发明的有益效果是，解决了对三结砷化镓外延层表面进行纳米级抛光的问题，在保证外延层表面粗糙度在1纳米以下的同时，将整体平整度控制在1µm以下，每4平方微米的局部平整度最大值小于1.5µm，平均值小于1µm，表面粗糙度小于1nm的三结砷化镓外延层。
附图说明
图1为本发明抛光结构示意图；
图2为为本发明结构俯视图；
图3为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图1、图2和图3对本发明进一步说明。
实施例一
一种用于三结砷化镓外延层表面平坦化处理的工艺方法，按如下步骤进行：
第一步，配制抛光液，抛光液一：用5L量杯称量15L去离子水倒入干净的抛光液桶中，使用0.01g电子秤分别称量160g氯化物粉末，180g硫代硫化物粉末，270g多聚磷酸盐粉末，120g碳酸氢盐粉末，倒入15L去离子水中，搅拌机用700rpm搅拌10min；抛光液二：用5L量杯称量15L去离子水倒入干净的抛光液桶中，再用1000ml量杯称量2000ml含粒径85µm的SiO2颗粒溶液倒入15L去离子水中，玻璃棒顺时针搅拌10圈；
第二步，将无蜡垫1粘贴在定做的加压组块2上端面，无蜡垫1为材质是阻尼布、厚度1200µm，外圈直径101mm，内圈直径100.3mm，中心盲孔深=晶片厚度*0.75±5μm；
第三步，将抛光布4贴在抛光盘3上端面，抛光盘尺寸为37cm（即14.6"），抛光布外形尺寸与抛光盘3外形尺寸相同，厚度1.59mm、密度0.36g/cm3、压缩率13.7%、压缩弹性率89.9%、硬度41.5°，型号为4300N；
第四歩，将加压模块2卡在旋转导轮6上，其中三结砷化镓外延层面贴紧抛光盘3上的抛光布4，执行自查程序，查看加压模块2和晶片自旋状况；
第五步，将加压模块2卡在旋转导轮6上，其中三结砷化镓外延层面贴紧抛光盘3上的抛光布4，充气加压，时长5s达压力5kg，恒压，时长15s，同时施液管5送去离子水，流量8ml/s；观察是否有跑片现象，自查程序结束后，取下加压组块，观察晶片表面情况，如一切正常则证明设备运转正常，可进行正常工艺流程；
第六步，执行厚度去除工艺程序，
㈠、将加压模块2卡在旋转导轮6上，其中带有三结砷化镓外延层的晶片正面向上放置在无蜡垫1的盲孔洞中，外延层面贴紧抛光盘3上的抛光布4，
㈡、加压，加压时长5s，达压力6.7kg；施液管5送抛光液一，流量6ml/s，
㈢、施加抛光液5s后，开启抛光盘3，加速时间3s，转速30rpm，转速升至30rpm时计时开始，运行35s后降低抛光盘转速，减速时间3s，当转速降低至0rpm时，关闭抛光液，取下加压组块2，用去离子水冲洗外延面，冲水时间15s，
㈣、用去离子水冲洗抛光布4，冲洗时长10s，抛光盘转速40rpm；
第七步，执行表面精细处理工艺程序，
㈠、将厚度去除工艺程序加工完成的加压组块2和晶片放置在抛光布4上，
㈡、对加压组块2加压，加压时长5s，压力3kg；施液管5送抛光液二，流量8.6ml/s，
㈢、施加抛光液5s后，开启抛光盘3，加速时间3s，转速12.6rpm，转速升至12.6rpm时计时开始，运行120s后降低抛光盘转速，减速时间3s，当转速降低至0rpm时，关闭抛光液，取下加压组块2，用去离子水冲洗外延面，冲水时间15s；
第八步，从无蜡垫1内取出晶片，放入白花篮中溢流静置10s后进行清洗。
第九步，由于加工后晶片表面会有有机物和局部化学反应层的存在，为了更好的检查晶片的表面质量，需用碱性化学清洗液和去离子水进行兆声清洗机浸洗，具体步骤如下：
1）、晶片整篮进行碱性化学清洗液浸洗，时长600s，碱性化学清洗液配比为表面活性剂：KOH：去离子水=1:2:200，
2）、用去离子水浸洗，时长150s；
第十步，干化，程序分为3段，总时长350s，具体包括：
1）、旋转喷淋，转速1600rpm，时长100s，
2）、甩干，转速1400rpm，时长150s，
3）、烘干，转速1000rpm，时长100s；
第十一步，对抛光完毕的晶片分别进行表面质量和整体平整度检验。
实施例二
本实施例二与实施例一的不同点是：步骤一抛光液一中去离子水为10L其它步骤及参数与实施例一相同。
实施例三
本实施例三与实施例一的不同点是：步骤三中抛光布2的型号为728NX，厚度1.31，硬度50.5°其它步骤及参数与实施例一相同。

Claims (1)

1.一种用于三结砷化镓外延层表面平整化处理的工艺方法，其特征在于：采用英国Logitech公司LP50型磨抛机，工艺方法包括如下步骤，
第一步，配制抛光液，抛光液一：去离子水15L倒入干净的抛光液桶中，使用0.01g电子秤分别称量氯化物粉末100～200g、硫代硫化物粉末150-250g、多聚磷酸盐粉末100～300g、碳酸氢盐粉末40～150g，倒入15L去离子水中，搅拌机用700rpm搅拌10min，抛光液二：去离子水15L倒入干净的抛光液桶中，用1000ml量杯称量含粒径85µm的SiO2颗粒溶液1～2L全部倒入15L去离子水中，用玻璃棒顺时针搅拌10圈；
第二步，将无蜡垫（1）粘贴在加压组块（2）底面上，无蜡垫（1）为材质是阻尼布、中心有盲孔的的圆片，厚度1200µm，外圈直径101mm，内圈直径100.3mm，孔深=晶片厚度*0.75±5μm；
第三步，将抛光布（4）贴在抛光盘（3）上，抛光盘尺寸为37cm即14.6"，抛光布外形尺寸与抛光盘（3）外形尺寸相同、厚度1.59mm，密度0.36g/cm3，压缩率13.7%，压缩弹性率89.9%，硬度41.5°；
第四步，将带有三结砷化镓外延层的晶片正面向上放置在无蜡垫（1）的孔洞中；
第五步，将加压组块（2）卡在旋转导轮（6）上，其中三结砷化镓外延层面贴紧在抛光布（4）的上端面，执行自查程序，查看加压组块和晶片的自旋状况，具体过程如下：
一）、向加压组块（2）气体加压，加压时间5s至压力3～8kg，恒压，时长15s，同时施液管（5）向抛光布（4）的上端面送去离子水，流量5～10ml/s，
二）、观察是否有跑片现象，自查程序结束后，取下加压组块，观察晶片表面情况，如一切正常则证明设备运转正常，可继续进行下面正常工艺流程；
第六步，自查程序执行结束后，执行厚度去除工艺程序，具体过程如下：
一）、将加压组块（2）卡在旋转导轮（6）上，其中带有三结砷化镓外延层的晶片正面向上放置在无蜡垫（1）的孔洞中，外延层面贴紧抛光盘（3）上的抛光布（4）上端面，
二）、加压，加压时长5s，压力5～8kg，
三）、施液管（5）送抛光液一，流量5～10ml/s，时长3～8s，
四）、施加抛光液3～8s后，开启抛光盘（3），加速时间3s至转速达15～50rpm，转速稳定时计时开始，运行20～50s后降低抛光盘转速，减速时间3s至转速降低至0rpm时，关闭抛光液，取下加压组块（2），用去离子水冲洗外延面，冲水时间5～20s，
五）、用去离子水冲洗抛光布（4），冲洗时长5～20s，抛光盘转速20～50rpm；
第七步，执行表面精细处理工艺程序，具体过程如下：
一）、将加压组块（2）卡在旋转导轮（6）上，
二）、对加压组块（2）加压，加压时长5s，压力1～8kg，
三）、同时施液管（5）送抛光液二，流量3～10ml/s，
四）、施加抛光液3～8s后，开启抛光盘（3），加速时间3s，转速10～20rpm，转速稳定时计时开始，运行60～300s后降低抛光盘转速，减速时间3s低至0rpm，关闭抛光液，取下加压组块（2），用去离子水冲洗外延面，冲水时间5～20s；
第八步，从无蜡垫（1）内取出晶片，放入清洗篮中溢流静置10s后进行清洗；
第九步，由于加工后晶片表面会有有机物和局部化学反应层的存在，为了更好的检查晶片的表面质量，需用碱性化学清洗液和去离子水进行兆声清洗机浸洗，具体步骤如下：
一）、晶片整篮进行碱性化学清洗液浸洗，时长120～1000s，碱性化学清洗液配比为表面活性剂：KOH：去离子水=1:2:200，
二）、用去离子水浸洗，时长60～200s；
第十步，干化，程序分为3段，总时长180～440s，具体包括：
一）、旋转喷淋，转速1000～1800rpm，时长60～120s，
二）、甩干，转速1200～1800rpm，时长60～200s，
三）、烘干，转速500～1500rpm，时长60～120s；
第十一步，对抛光完毕的晶片分别进行表面质量和整体平整度检验。
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