碳化矽襯底用拋光液的製作方法
2023-07-08 14:18:11
專利名稱：碳化矽襯底用拋光液的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種特製的化學機械拋光液，特別是涉及外延襯底片用碳化矽材料的表面處理。
背景技術：
寬禁帶半導體SiC晶體材料的應用要求晶片表面超光滑，無缺陷，無損傷，SiC晶體加工的質量和精度直接影響到器件的性能。但是由於SiC晶體硬度極高，莫氏硬度為 9. 2，僅次於金剛石，使其表面加工異常困難，難以獲得低粗糙度的高質量表面，使其廣泛應用受到極大限制。製備高質量的外延片，對襯底片的要求不僅有低翹曲度、低彎曲度，總厚度偏差小之外，對襯底片的表面有特殊要求低明顯表面缺陷、低亞表面層損傷層、低表層加工應力。襯底片表面和亞表面缺陷，對外延層質量將產生極大的影響。襯底片的表面缺陷會增大襯底和外延層界面缺陷密度，不利於外延層中缺陷的減少；最終也會形成明顯的外延層表面缺陷，導致外延片缺陷密度高，結晶性降低，電學性能差，最終影響了在國防軍事中廣泛應用的半導體場效應電晶體(MESFET)、高電子遷移率電晶體(HEMT)、光電器件的性能。只有通過化學機械拋光的方法才能獲得低明顯表面缺陷、低亞表面層損傷層、低表層加工應力的SiC襯底表面。目前，國內生產的化學機械拋光液均不是為了 SiC單晶設計，SiC的化學惰性決定了一般的化學機械拋光液均不能滿足要求。公開的專利文獻和非專利文獻都沒有提供成功獲得SiC襯底表面的拋光液及製備方法。
發明內容
本發明的目的是製備一種SiC襯底用的化學機械拋光液。該拋光液對碳化矽襯底表面損傷小、除去速率高、易於清洗。該拋光液不腐蝕加工設備、不汙染環境，原材料價格便宜、成本低，易於儲存的優點。該拋光液拋光得到的碳化矽襯底粗糙度值低，可達到粗糙度 Ra值小於0. 5nm ；襯底表面無劃痕和腐蝕坑的缺陷；一方面，本發明提供一種碳化矽襯底用化學機械拋光液，以所述化學機械拋光液的總重量為基準計，其包含如下所示重量百分比的以下組分磨料1 50重量％，螯合劑0. 01 8重量％，表面活性劑0. 01 10重量％，分散劑0.01 10重量％，
氧化劑 0. 1 20重量％，餘量為去離子水。在一優選的實施例中，所述磨料是粒徑為20 70nm的水溶性矽溶膠。在一優選的實施例中，所述水溶性矽溶膠可以採用矽粉催化水解法或者水玻璃離子交換法製備。在另一優選的實施例中，所述螯合劑是能夠溶於水、無重金屬離子的羥胺、檸檬酸銨、胺鹽，優選乙二胺四乙酸。在另一優選的實施例中，所述表面活性劑是能夠溶於水、無重金屬離子的羧酸鹽、 胺鹽和季銨鹽，如聚氧乙烯烷基胺、烷基醇醯胺、四烷基商化銨等，所述表面活性劑優選是十六烷基三甲基溴化銨。在另一優選的實施例中，所述分散劑是能夠溶於水的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚醇、 聚胺鹽或聚羧酸鹽中的一種或幾種，所述分散劑優選是聚乙二醇。在另一優選的實施例中，所述氧化劑是非金屬氧化物、次氯酸鹽、高錳酸鹽等，如 過氧化氫、次氯酸鈉、高錳酸鉀，所述氧化劑優選是次氯酸鈉。在另一優選的實施例中，所述拋光液的pH為8. 5 12，更優選9 11. 5，最優選 10. 3 11. 1，粒徑介於IOnm 90nm，更優選為60 85nm或15 55nm。在另一優選的實施例中，一種碳化矽襯底用化學機械拋光液，以所述化學機械拋光液的總重量為基準計，其包含如下所示重量百分比的以下組分磨料15 ；35重量％，螯合劑2 5重量％，表面活性劑2 5重量％，分散劑2 5重量％，氧化劑2 5重量％，餘量為去離子水。在另一優選的實施例中，一種碳化矽襯底用化學機械拋光液，以所述化學機械拋光液的總重量為基準計，其包含如下所示重量百分比的以下組分粒徑為70nm的矽溶膠15 ；35重量％，乙二胺四乙酸2 5重量％，十六烷基三甲基溴化銨2 5重量％，聚乙二醇2 5重量％，次氯酸鈉2 5重量％，餘量為去離子水。本文中拋光液中矽溶膠的重量百分比以矽溶膠所含的SW2的重量除以拋光液的總重量來計算的。另一方面，本發明提供一種本發明的化學機械拋光液在碳化矽材料的表面處理中的應用。在一優選實施例中，所述碳化矽材料用於外延襯底片。本發明與現有市場上拋光液相比具有以下優點1、磨料本發明的拋光液採用硬度小於SiC晶體的水溶性S^2膠體，而市場上的拋光液多採用硬度大的Al203、Cr203的粉料，本發明拋光液的粒徑小於IOOnm ；市場上拋光液的粒徑一般大於IOOnm ；小粒徑的拋光液對SiC晶片表面的損傷小，產生低的亞表面損傷和極低的加工應力。2、本發明的拋光液對SiC晶片的除去速率可達到0. 12um/h，拋光效率高，目前市
5場上的拋光液對SiC晶片的化學作用極低，除去速率低於0. lum/h。3、本發明的拋光液為鹼性pH介於8. 5 12 ；不對加工的設備產生腐蝕性；不汙染環境。目前市場上的拋光液多為酸性，嚴重腐蝕設備，拋光液的廢料不易回收。4、本拋光液採用矽粉催化水解法或者水玻璃離子交換法製備水溶性矽溶膠磨料， 工藝簡單，製備量大，成本低。5、採用本發明的拋光液加工的SiC晶片，表面雜質顆粒數少易於清洗。對於2英寸的SiC晶片，雜質元素的個數比均小於10_6個。
具體實施例方式本發明的碳化矽襯底用化學機械拋光液，以所述化學機械拋光液的總重量為基準計，其包含如下所示重量百分比的以下組分磨料1 50重量％，螯合劑0. 01 8重量％，表面活性劑0. 01 10重量％，分散劑0. 01 10重量％，氧化劑0.1 20重量％，餘量為去離子水。較佳地，所述磨料是粒徑為20 70nm的水溶性矽溶膠。較佳地，所述水溶性矽溶膠可以採用矽粉催化水解法或者水玻璃離子交換法製備。較佳地，所述螯合劑是能夠溶於水、無重金屬離子的羥胺、檸檬酸銨、胺鹽，優選乙二胺四乙酸。較佳地，所述表面活性劑是能夠溶於水、無重金屬離子的羧酸鹽、胺鹽和季銨鹽， 如聚氧乙烯烷基胺、烷基醇醯胺、四烷基商化銨等，所述表面活性劑優選是十六烷基三甲
基溴化銨。較佳地，所述分散劑是能夠溶於水的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚醇、聚胺鹽或聚羧酸鹽中的一種或幾種，所述分散劑優選是聚乙二醇。較佳地，所述氧化劑是非金屬氧化物、次氯酸鹽、高錳酸鹽等，如過氧化氫、次氯酸鈉、高錳酸鉀，所述氧化劑優選是次氯酸鈉。較佳地，所述拋光液的pH為8. 5 12，更優選9 11. 5，最優選10. 3 11. 1，粒徑介於IOnm 90nm，更優選為60 85nm或15 55nm。較佳地，所述拋光液包含1 50重量％的磨料。較佳的是，所述拋光液包含15 35重量％的磨料。較佳的是，所述磨料是粒徑為20 70nm的水溶性矽溶膠，較優選地，該矽溶膠可以採用矽粉催化水解法或者水玻璃離子交換法製備的濃度為50%的矽溶膠，更優選地所述磨料是平均粒徑為70nm，pH為12，濃度為50%的水溶性矽溶膠。較佳地，所述拋光液包含0. 01 8重量％的螯合劑，較佳的是，所述拋光液包含 1 6重量％的螯合劑。更佳的是，所述拋光液包含2 5重量％的螯合劑。較佳地，所述拋光液包含0. 01 10重量％的表面活性劑。較佳的是，所述拋光液包含i 6重量％的表面活性劑。更佳的是，所述拋光液包含2 5重量％的表面活性劑。
較佳地，所述拋光液包含0. 01 10重量％的分散劑。較佳的是，所述拋光液包含 1 6重量％的分散劑。更佳的是，所述拋光液包含2 5重量％的分散劑。較佳地，所述拋光液包含0. 1 20重量％的氧化劑，較佳的是，所述拋光液包含 1 6重量％的氧化劑。更佳的是，所述拋光液包含2 5重量％的氧化劑。本文中拋光液中矽溶膠的重量百分比以矽溶膠所含的SW2的重量除以拋光液的總重量來計算的。下面結合具體的實施例進一步闡述本發明。但是，應該明白，這些實施例僅用於說明本發明而不構成對本發明範圍的限制。下列實施例中未註明具體條件的試驗方法，通常按照常規條件，或按照製造廠商所建議的條件。除非另有說明，所有的百分比和份數按重量計。實施例1 製備5kg的碳化矽襯底用化學機械拋光液用水玻璃為原料，經離子交換反應得到聚矽酸溶液，添加穩定劑之後的聚矽酸溶液逐步結晶，形成母液，向母液按一定速度加入聚矽酸溶液，SiO2晶粒有規則地漸漸長大， 製得粒徑70nm，分布均勻的矽溶膠。經濃縮、純化步驟達到濃度50% (wt)矽溶膠成品，具體製備方法如下取模數為3 (Nii2O · 3Si02)的水玻璃溶液5500g (濃度41% )用去離子水稀釋至含量至含Si&25%，Na2O 1%，將溶液通過上海明興開城有限公司提供的高度1. 1米，直徑為 30cm的陽離子交換樹脂(購自大連偉維防腐保溫有限公司，001 X 7強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，樹脂用量為30kg)的閃換柱，得到含Si&22. 3%,Na2OO. 005%的矽酸鈉膠體溶液 21200g。把通過陽離子交換柱的矽酸鈉膠體溶液再通過上海明興開城有限公司提供的高度1. 1米，直徑為30cm鹼性陰離子樹脂(購自大連偉維防腐保溫有限公司，201 X 7強鹼性 I系陰離子交換樹脂，樹脂用量為30kg)交換柱，得到更加穩定狀態的溶液20800g，此時的矽酸鈉溶液濃度較低，需要進行濃縮，為了防止濃縮時膠體凝聚，濃縮前需要加入穩定劑。 取20kg的上述矽溶膠用10%的NaOH做為穩定劑調節pH至70，形成矽酸鈉母液，取Ikg矽酸鈉母液進行真空減壓濃縮，並保持容器內液面恆定，徐徐加入剩餘的Wkg，濃縮溫度保持 78°C，最後製得3. 5kg的含SiA50%，Na2O 0. 03%，pH為12濃縮的矽溶膠溶液，平均粒徑約 70nm。在強烈的攪拌作用下，向濃縮的3500g矽溶膠中逐漸加入250g乙二胺四乙酸做為螯合劑；加入十六烷基三甲基溴化銨250g做為表面活性劑；緩慢加入聚乙二醇(PEG600，平均分子量為570-630，國藥集團化學試劑有限公司)250g做為分散劑，再加入250g次氯酸鈉溶液，加去離子水至^g，攪拌，製得5kg本發明的SiC襯底用化學機械拋光液。試驗檢測該拋光液pH值為11. 1，粒徑為60 85nm。試驗用配好的拋光液進行SiC晶片的拋光試驗，在AMT610C型拋光機上進行8片 2英寸SiC晶片化學機械拋光試驗壓力為lOOOg/cm2，拋光碟轉速為50r/min，拋光液流量為10ml/min。用Veeco Dimension 3100AFM測SiC晶片表面粗糙度，8片測量結果的均值是0. 4Inm ；採用Sartorius CP225D型精密電子天平(精度為0. Olg)對8片SiC晶片拋光前後稱重計算SiC晶片的材料除去率除去速率平均為0. 135um/h。採用SiC標準清洗後， 雜質原子個數比均低於ιχιο_6。實施例2 製備5kg的碳化矽襯底用化學機械拋光液
用矽粉催化水解法製備矽溶膠1500g，粒徑為20nm，矽溶膠的濃度為50 %。在強烈的攪拌作用下，逐漸加入IOOg乙二胺四乙酸做為螯合劑；加入十六烷基三甲基溴化銨IOOg 做為表面活性劑；緩慢加入聚乙二醇(PEG600，平均分子量為570-630，國藥集團化學試劑有限公司)100g做為分散劑，再加入IOOg次氯酸鈉溶液，加去離子水至證8，攪拌，製得^g 本發明的SiC襯底用化學機械拋光液。試驗檢測該拋光液pH值為10. 3，粒徑為15 55nm。試驗用配好的拋光液進行SiC晶片的拋光試驗，在AMT610C型拋光機上進行8片 2英寸SiC晶片化學機械拋光試驗壓力為lOOOg/cm2，拋光碟轉速為50r/min，拋光液流量為10ml/min。用Veeco Dimension 3100AFM測SiC晶片表面粗糙度，8片測量結果的均值是0. 37nm ；採用Sartorius CP225D型精密電子天平(精度為0. Olg)對8片SiC晶片拋光前後稱重計算SiC晶片的材料除去率除去速率平均為0. 126um/h。採用SiC標準清洗後， 雜質原子個數比均低於ιχιο_6。在本發明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本發明的上述講授內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
權利要求
1.一種碳化矽襯底用化學機械拋光液，以所述化學機械拋光液的總重量為基準計，其包含如下所示重量百分比的以下組分磨料1 50重量％，螯合劑0.01 8重量％，表面活性劑0.01 10重量％，分散劑0.01 10重量％，氧化劑0. 1 20重量％，餘量為去離子水。
2.如權利要求1所述的拋光液，其特徵在於，所述磨料是粒徑為20 70nm的水溶性矽溶膠。
3.如權利要求2所述的拋光液，其特徵在於，所述矽溶膠採用矽粉催化水解法或者水玻璃離子交換法製備。
4.如權利要求1所述的拋光液，其特徵在於，所述螯合劑是能夠溶於水、無重金屬離子的羥胺、檸檬酸銨、胺鹽。
5.如權利要求4所述的拋光液，其特徵在於，所述螯合劑是乙二胺四乙酸。
6.如權利要求1所述的拋光液，其特徵在於，所述表面活性劑是能夠溶於水、無重金屬離子的羧酸鹽、胺鹽和季銨鹽。
7.如權利要求1所述的拋光液，其特徵在於，所述表面活性劑是聚氧乙烯烷基胺、烷基醇醯胺、四烷基滷化銨，優選十六烷基三甲基溴化銨。
8.如權利要求1所述的拋光液，其特徵在於，所述分散劑是能夠溶於水的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚醇、聚胺鹽或聚羧酸鹽中的一種或幾種，優選聚乙二醇。
9.如權利要求1所述的拋光液，其特徵在於，所述氧化劑是非金屬氧化物、次氯酸鹽、 高錳酸鹽，如過氧化氫、次氯酸鈉、高錳酸鉀，優選次氯酸鈉。
10.如權利要求1所述的拋光液，其特徵在於，所述拋光液的PH為8.5 12，粒徑介於 IOnm 90nmo
11.一種碳化矽襯底用化學機械拋光液，以所述化學機械拋光液的總重量為基準計，其包含如下所示重量百分比的以下組分磨料15 ；35重量％，螯合劑2 5重量％，表面活性劑2 5重量％，分散劑2 5重量％，氧化劑2 5重量％，餘量為去離子水。
12.—種碳化矽襯底用化學機械拋光液，以所述化學機械拋光液的總重量為基準計，其包含如下所示重量百分比的以下組分粒徑為70nm的矽溶膠15 35重量％，乙二胺四乙酸2 5重量％，十六烷基三甲基溴化銨 2 5重量％， 聚乙二醇2 5重量％，次氯酸鈉2 5重量％，餘量為去離子水。
13.權利要求1-12中任一項的化學機械拋光液在碳化矽材料的表面處理中的應用。
14.如權利要求13所述的應用，所述碳化矽材料用於外延襯底片。
全文摘要
一種碳化矽襯底用化學機械拋光液，其包含如下所示重量百分比的以下組分磨料1～50重量％；螯合劑0.01～8重量％；表面活性劑0.01～10重量％；分散劑0.01～10重量％；氧化劑0.1～20重量％；其餘均為去離子水。該拋光液對碳化矽襯底表面損傷小；碳化矽襯底粗糙度值低，可達到粗糙度Ra值小於0.5nm；襯底表面無劃痕和腐蝕坑的缺陷；除去速率高、易於清洗；不腐蝕加工設備、不汙染環境；原材料價格便宜、成本低；易於儲存。該拋光液主要用於襯底用的碳化矽晶體的化學機械拋光。
文檔編號C09G1/02GK102533124SQ20101061939
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者儲耀卿, 施爾畏 申請人:上海矽酸鹽研究所中試基地, 中國科學院上海矽酸鹽研究所