氮化镓衬底的处理方法与流程

1.本公开涉及半导体技术领域，特别是涉及一种氮化镓衬底的处理方法。


背景技术：

2.氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性高等独特的优良性能，因此，氮化镓在光电子器件和微电子器件领域有着广阔的应用前景。氮化镓衬底生长完成之后，需要经过研磨抛光，才能使表面粗糙度达到所需的标准。
3.然而，现有的研磨抛光，研磨后氮化镓衬底内应力较大的损伤层，研磨后直接进行化学机械抛光容易发生破片，从而影响研磨抛光的良率。
4.因此，如何加快氮化镓晶衬底的抛光速率且防止抛光破片是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种氮化镓衬底的处理方法，以有效加快氮化镓晶衬底的抛光速率且防止抛光破片。
6.本技术实施例提供了一种氮化镓衬底的处理方法，包括以下步骤：提供氮化镓衬底；对氮化镓衬底的表面进行研磨，研磨后，氮化镓衬底的表面形成有具有应力的损伤层；去除氮化镓衬底表面的损伤层；对去除部分所述损伤层后的氮化镓衬底进行化学机械抛光。
7.上述氮化镓衬底的处理方法，本技术在研磨和抛光之间增加了一步去除部分所述损伤层的步骤，进而降低了由于损伤导致的表面应力，降低了氮化镓衬底由于应力引起的翘曲，抛光良率会大大增加。另外，去除部分所述损伤层也减小了后续抛光的工作量，增加了氮化镓衬底的抛光速率。
8.可选地，氮化镓衬底的正面为镓面，氮化镓衬底的背面为氮面；对氮化镓衬底的表面进行研磨包括：使用第一研磨轮对氮化镓衬底的镓面进行研磨；使用第二研磨轮对氮化镓衬底的氮面进行研磨；研磨后镓面及氮面均形成有具有应力的损伤层。
9.可选地，使用第一研磨轮对氮化镓衬底的镓面进行研磨后，氮化镓衬底的厚度不均匀性小于10μm；氮面研磨的氮化镓衬底具有第一厚度，化学机械抛光后的氮化镓衬底具有第二厚度，第一厚度与第二厚度的差值为20μm～90μm。
10.可选地，第一研磨轮的磨料粒径与第二研磨轮的磨料粒径相同，或第一研磨轮的磨料粒径大于第二研磨轮的磨料粒径。
11.可选地，去除氮化镓衬底表面的损伤层包括：使用碱溶液对双面研磨后的衬底进行刻蚀处理，以去除部分所述损伤层。
12.上述氮化镓衬底的处理方法，在进行化学机械抛光之前，先进行了一步刻蚀以去除部分所述损伤层。一方面，刻蚀时，碱溶液会和氮化镓衬底表面起化学反应，进而减小镓面和氮面的最表面的损伤层，降低由于损伤导致的表面应力，降低了氮化镓由于应力引起
的翘曲，抛光良率会大大增加。另外，该减少的损伤层也减小了后续抛光的工作量。另一方面，在刻蚀的过程中，碱溶液会和氮化镓衬底起化学反应，表面反应生成物为氧化镓，该氧化镓相较于氮化镓在抛光过程中速率更快，大于0.8μm/h，因此，该氧化镓层的反应速率很快，增加了氮化镓衬底的抛光速率。
13.可选地，碱溶液包括氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液；碱溶液的摩尔浓度大于2mol/l；碱溶液的温度大于60℃，刻蚀处理的时间大于10min。
14.可选地，对去除部分所述损伤层后的氮化镓衬底进行化学机械抛光包括：使用含有强氧化剂的抛光液对去除部分所述损伤层后的氮化镓衬底进行化学机械抛光处理。
15.上述氮化镓衬底的处理方法，当氧化镓层去除后，展露出来的氮化镓表面需要经过抛光液中的氧化剂将氮化镓氧化为氧化镓，再通过机械的方式将该薄层氧化镓层去除。本技术中的抛光液含有强氧化剂，通过刻蚀形成的氧化镓层和在抛光过程中形成的氧化镓层，可以整体提高抛光速率，使氮化镓的整体抛光速率大于0.5μm/h，且表面粗糙度小于0.3nm以下。
16.可选地，强氧化剂包括双氧水、高猛酸钾、浓硝酸、浓硫酸及次氯酸钠中的一种或几种；抛光液中强氧化剂的摩尔浓度大于2mol/l。
17.上述氮化镓衬底的处理方法，抛光液可以为强氧化剂的组合，以提高氧化效果，进一步提高了抛光速率。
18.可选地，对去除部分所述损伤层后的氮化镓衬底进行化学机械抛光的过程中，提供的抛光液的流速与抛光液的温度成正相关。
19.可选地，对去除部分所述损伤层后的氮化镓衬底进行化学机械抛光的过程中，氮化镓衬底位于承载台上，承载台的转速为100rpm～200rpm；抛光压力为300g/cm2～400g/cm2；抛光液的流速为70ml/min～300ml/min；抛光液的温度小于50℃；化学机械抛光后氮化镓衬底的表面粗糙度小于0.3nm。
附图说明
20.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术一实施例中提供的氮化镓衬底的处理方法的流程图；
22.图2为本技术一实施例中提供的氮化镓衬底的处理方法中步骤后s10所得结构的剖面结构示意图；
23.图3为本技术一实施例中提供的氮化镓衬底的处理方法中步骤s20所得结构的剖面结构示意图；
24.图4为本技术一实施例中提供的氮化镓衬底的处理方法中步骤s30所得结构的剖面结构示意图；
25.图5为本技术一实施例中提供的氮化镓衬底的处理方法中步骤s40所得结构的剖面结构示意图。
26.附图标记说明：
27.10-氮化镓衬底；101-氮化镓衬底的镓面；102-氮化镓衬底的氮面；11-双面研磨后的氮化镓衬底；111-损伤层；12-去除部分损伤层后的氮化镓衬底；13-双面化学机械抛光后的氮化镓衬底。
具体实施方式
28.为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的实施例。但是，本公开可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本公开的公开内容更加透彻全面。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。
30.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本公开的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
31.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一控制装置称为第二控制装置，且类似地，可将第二控制装置称为第一控制装置。第一控制装置和第二控制装置两者都是控制装置，但其不是同一控制装置。
32.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
33.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
34.氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性高等独特的优良性能，因此，氮化镓在光电子器件和微电子器件领域有着广阔的应用前景。氮化镓衬底生长完成之后，需要经过研磨抛光，才能使表面粗糙度达到所需的标准。
35.然而，现有的研磨抛光所需时间较长，抛光的速率非常慢，一般速率在10nm/h-100nm/h，研磨后氮化镓衬底内应力较大的损伤层，研磨后直接进行化学机械抛光容易发生破片，从而影响研磨抛光的良率。在进行氮化镓衬底抛光时，由于先进行了氮化镓衬底的镓面和氮面的研磨，在研磨过程中，会引入损伤，这些损伤会导致氮化镓发生翘曲，如果直接进行化学机械抛光时，由于有较重压力压在氮化镓衬底上，导致氮化镓衬底破裂。
36.因此，如何加快氮化镓晶衬底的抛光速率且防止抛光破片是亟需解决的问题。
37.鉴于上述现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种氮化镓衬底的处理方法，旨在有效加快氮化镓晶衬底的抛光速率且防止抛光破片。
38.请参阅图1，本技术实施例提供了一种氮化镓衬底的处理方法，包括以下步骤：
39.s10：提供氮化镓衬底；
40.s20：对氮化镓衬底的表面进行研磨，研磨后，氮化镓衬底的表面形成有具有应力的损伤层；
41.s30：去除氮化镓衬底表面的损伤层；
42.s40：对去除部分损伤层后的氮化镓衬底进行化学机械抛光。
43.上述氮化镓衬底的处理方法，本技术在研磨和抛光之间增加了一步去除部分损伤层的步骤，进而降低了由于损伤导致的表面应力，降低了氮化镓衬底由于应力引起的翘曲，抛光良率会大大增加。另外，去除部分损伤层也减小了后续抛光的工作量，增加了氮化镓衬底的抛光速率。
44.以下结合图2至图5对本技术实施例提供的发光单元的制备方法进行详细描述。
45.在步骤s10中，请参阅图1中的s10步骤及图2，提供氮化镓衬底10。
46.此处，氮化镓衬底10具有相对的镓面(即图2中的氮化镓衬底的镓面101)及氮面(即图2中的氮化镓衬底的氮面102)。
47.在一些示例中，氮化镓衬底的正面可以为镓面，氮化镓衬底的背面可以为氮面。
48.可选地，氮化镓衬底10的厚度可以根据实际需要进行设置，本实施例中，氮化镓衬底10的厚度可以大于等于400μm。
49.具体地，氮化镓衬底10的厚度可以为400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、1500μm、2000μm、3000μm、4000μm或5000μm等等。
50.在一些示例中，氮化镓衬底10包括外延工艺外延生长单晶氮化镓衬底或多晶氮化镓衬底。
51.需要说明的是，无论氮化镓衬底10是单晶氮化镓衬底还是多晶氮化镓衬底，其均需为能够自支撑的氮化镓衬底。
52.在步骤s20中，请参阅图1中的s20步骤、图2及图3，对氮化镓衬底10的表面进行研磨，研磨后，氮化镓衬底11的表面形成有具有应力的损伤层111。
53.在一些示例中，氮化镓衬底的正面101为镓面，氮化镓衬底的背面102为氮面。对氮化镓衬底10的表面进行研磨包括：使用第一研磨轮对氮化镓衬底10的镓面进行研磨；使用第二研磨轮对氮化镓衬底10的氮面进行研磨；研磨后镓面及氮面均形成有具有应力的损伤层111。
54.可选地，可以使用研磨轮的研磨牙齿对氮化镓衬底10的正面进行正面研磨；研磨牙齿的材料可以包括：研磨料、粘合剂、分散剂及气孔。
55.具体地，研磨料可以包括但不仅限于金刚石。在其中一个实施例中，粘合剂可以包括但不仅限于玻璃陶瓷粘合剂。在其中一个实施例中，分散剂可以包括但不仅限于含碳分散剂，例如，活性炭、炭粒、石墨、石墨烯或碳纳米管等等。
56.可选地，使用第一研磨轮对氮化镓衬底10的镓面进行研磨后的衬底的厚度不均匀性(ttv)可以小于10μm。
57.具体地，对氮化镓衬底10的镓面进行研磨后的衬底的厚度不均匀性可以为9μm、8μm、7μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm或1μm等等。
58.在一些示例中，第一磨轮的磨料的目数及第二磨轮的磨料的目数为400目～8000
目，例如，可以为400目、500目、600目、700目、800目、900目、1000目、2000目、3000目、4000目、5000目、6000目、7000目或8000目等等；即第一研磨轮与第二研磨轮的磨料的粒径包括15研磨～38μm。例如：第一研磨轮的磨料的粒径可以为15μm、20μm、25μm、30μm或38μm等等，第二研磨轮的磨料的粒径可以为15μm、20μm、25μm、30μm或38μm等等。
59.在一个可选的示例中，第一研磨轮的磨料粒径可以与第二研磨轮的磨料粒径相同。
60.在另一个可选的示例中，第一研磨轮的磨料粒径可以大于第二研磨轮的磨料粒径。由于氮化镓在自然状态下是向镓面内凹的，第一研磨轮的磨料粒径可以大于第二研磨轮的磨料粒径时，在正面照成的损伤层更大，进而导致晶圆向n面弯曲，综合条件下，使做完的氮化镓处于更加平整的状态。
61.需要说明的是，如图3所示，该步骤后得到双面研磨后的氮化镓衬底11的表面形成有具有应力的损伤层111；具体的，双面研磨后的氮化镓衬底11的正面和背面均具有损伤层111。
62.在步骤s30中，请参阅图1中的s30步骤、图3及图4，去除双面研磨后的氮化镓衬底11表面的损伤层111。
63.在一些示例中，去除双面研磨后的氮化镓衬底11表面的损伤层111包括：使用碱溶液对双面研磨后的衬底11进行刻蚀处理，以去除部分损伤层111。去除部分损伤层111后，即得到去除部分损伤层后的氮化镓衬底12。
64.上述氮化镓衬底的处理方法，在进行化学机械抛光之前，先进行了一步刻蚀以去除部分损伤层111；具体的，可以采用湿法刻蚀工艺刻蚀去除部分损伤层111；更为具体的，可以采用碱溶液刻蚀去除牺牲层111。一方面，刻蚀时，碱溶液会和氮化镓衬底表面起化学反应，进而减小镓面和氮面的最表面的损伤层，降低由于损伤导致的表面应力，降低了氮化镓由于应力引起的翘曲，抛光良率会大大增加。另外，该减少的损伤层也减小了后续抛光的工作量。另一方面，在刻蚀的过程中，碱溶液会和氮化镓衬底起化学反应，表面反应生成物为氧化镓，该氧化镓相较于氮化镓在抛光过程中速率更快，大于0.8μm/h，刻蚀，因此，该氧化镓层的反应速率很快，增加了氮化镓衬底的抛光速率。
65.具体地，氧化镓在抛光过程中速率可以为0.85μm/h、0.9μm/h、0.95μm/h、1.0μm/h、1.05μm/h、1.1μm/h、1.15μm/h、1.2μm/h、1.25μm/h、1.3μm/h、1.35μm/h、1.4μm/h或1.45μm/h等等。
66.可选地，使用碱溶液对双面研磨后的衬底11进行刻蚀处理包括：将双面研磨后的氮化镓衬底11浸泡于碱溶液中，以对双面研磨后的氮化镓衬底11进行刻蚀处理。
67.需要说明的是，通过浸泡对双面研磨后的氮化镓衬底11进行刻蚀处理的过程中，双面研磨后的氮化镓衬底11的正面和背面均会被碱溶液刻蚀。
68.当然，也可以采用但不仅限于喷淋的方式向双面研磨后的氮化镓衬底11喷淋碱溶液，以对双面研磨后的氮化镓衬底11进行刻蚀处理。
69.需要说明的是，通过喷淋方式对双面研磨后的氮化镓衬底11进行刻蚀处理时，可以仅向双面研磨后的氮化镓衬底11的正面喷淋碱溶液，也可以像双面研磨后的氮化镓衬底11的正面及背面均喷淋碱溶液。
70.可选地，碱溶液可以包括氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液；碱溶液的摩尔浓度可以
大于2mol/l；碱溶液的可以温度大于60℃，刻蚀处理的可以时间大于10min。
71.具体地，刻蚀处理的时间可以为15min、20min、25min、30min、35min、40min、50min、70min、80min、90min或100min等等。
72.优选地，碱溶液的摩尔浓度大于3mol/l；碱溶液的温度大于65℃；更为优选地，碱溶液的摩尔浓度大于4mol/l；碱溶液的温度大于70℃。
73.具体地，碱溶液的摩尔浓度可以为4.5mol/l、5mol/l、5.5mol/l、6mol/l、6.5mol/l或7mol/l等等；碱溶液的温度可以为75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等等。
74.需要说明的是，如图4所示，该步骤后得到表面去除部分损伤层后的氮化镓衬底12。
75.在步骤s40中，请参阅图1中的s40步骤、图4及图5，对去除部分损伤层后的氮化镓衬底12进行化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)。
76.在一些示例中，对去除部分损伤层后的氮化镓衬底12进行化学机械抛光包括：使用含有强氧化剂的抛光液对去除部分损伤层后的氮化镓衬底12进行化学机械抛光处理。
77.上述氮化镓衬底的处理方法，当氧化镓层去除后，展露出来的氮化镓表面需要经过抛光液中的氧化剂将氮化镓氧化为氧化镓，再通过机械的方式将该薄层氧化镓层去除。本技术中的抛光液含有强氧化剂，通过刻蚀形成的氧化镓层和在抛光过程中形成的氧化镓层，可以整体提高抛光速率，使氮化镓的整体抛光速率大于0.5μm/h，且表面粗糙度小于0.3nm以下。
78.具体地，氮化镓的整体抛光速率可以为0.6μm/h、0.65μm/h、0.7μm/h、0.75μm/h、0.8μm/h、0.85μm/h、0.9μm/h、0.95μm/h、1.0μm/h、1.05μm/h、1.1μm/h或1.15μm/h等等。氮化镓的表面粗糙度可以为0.25nm、0.23nm、0.2nm、0.18nm、0.15nm、0.13nm、0.1nm、0.07nm或0.05nm等等。
79.可选地，强氧化剂可以包括双氧水、高猛酸钾、浓硝酸、浓硫酸及次氯酸钠中的一种或几种；抛光液中强氧化剂的摩尔浓度可以大于2mol/l。
80.具体地，抛光液中强氧化剂的摩尔浓度可以为2.5mol/l、3mol/l、3.5mol/l、4mol/l、4.5mol/l、5mol/l、5.5mol/l、5mol/l、5.5mol/l、6mol/l、6.5mol/l或、7mol/l等等。
81.上述氮化镓衬底的处理方法，抛光液可以为强氧化剂的组合，以提高氧效果，进一步提高了抛光速率。
82.可选地，对去除部分损伤层后的氮化镓衬底12进行化学机械抛光的过程中，提供的抛光液的流速与抛光液的温度成正相关。
83.具体地，当温度低于40℃以下时，抛光液流速按最低流速70ml/min进行供给，当温度升高时，抛光液的流速也会相应增加，直至使温度控制在50℃以下，当温度达到50℃时，抛光液流速也达到最大流速300ml/min，当温度大于50℃时，机台报警，需要检查机台，进行降温操作。
84.可选地，对去除部分损伤层后的氮化镓衬底12进行化学机械抛光的过程中，去除部分损伤层后的氮化镓衬底12位于承载台上，承载台的转速可以为100rpm～200rpm(转/分)；抛光压力可以为300g/cm2～400g/cm2；抛光液的流速可以为70ml/min～300ml/min；抛光液的温度可以小于50℃；化学机械抛光后的氮化镓衬底的表面粗糙度小于0.3nm。
85.具体地，承载台的转速可以为100rpm、110rpm、120rpm、130rpm、140rpm、150rpm、
160rpm、170rpm、180rpm、190rpm或200rpm等等；抛光压力可以为300g/cm2、310g/cm2、320g/cm2、330g/cm2、340g/cm2、350g/cm2、360g/cm2、370g/cm2、380g/cm2、390g/cm2或400g/cm2等等；抛光液的流速可以为70ml/min、80ml/min、90ml/min、100ml/min、110ml/min、120ml/min、130ml/min、140ml/min、150ml/min、160ml/min、170ml/min、180ml/min、190ml/min、200ml/min、210ml/min、220ml/min、230ml/min、240ml/min、250ml/min、260ml/min、270ml/min、280ml/min、290ml/min或300ml/min等等；抛光液的温度可以为45℃、40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃或5℃等等。
86.可选地，使用第一研磨轮对氮化镓衬底的镓面进行研磨后，氮化镓衬底的厚度不均匀性小于10μm；氮面研磨的氮化镓衬底具有第一厚度，化学机械抛光后的氮化镓衬底具有第二厚度，第一厚度与第二厚度的差值为20μm～90μm。
87.具体地，氮化镓衬底的厚度不均匀性可以为9μm、8μm、7μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm或1μm等等；第一厚度与第二厚度的差值可以为20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm或90μm等等。
88.具体的，可以对去除部分损伤层后的氮化镓衬底12的镓面或氮面进行单面化学机械抛光，也可以对去除部分损伤层后的氮化镓衬底12的镓面及氮面进行双面化学机械抛光。
89.需要说明的是，如图5所示，该步骤后得到双面化学机械抛光后的氮化镓衬底13。
90.需要说明的是，图4中去除部分损伤层后的氮化镓衬底12的镓面及背面会依然残存有部分厚度的损伤层，但图4中对于该部分损伤层并未示出。图5中双面化学机械抛光后的氮化镓衬底13的镓面及背面会依然残存有部分厚度的损伤层，但图5中对于该部分损伤层并未示出。
91.在本说明书的描述中，上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
92.以上所述实施例仅表达了本公开的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。