簇状电极辅助电化学机械抛光优化单晶GaN工艺参数研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Optimization of process parameters for cluster electrochemically assisted chemical-mechanical polishing of single-crystal GaN

本文提出了一种基于叶序分布簇状电极的先进氧化电化学机械抛光（ECMP）方法，通过优化磨料类型（W0.2金刚石+100 nm二氧化硅溶胶）、粒径、浓度、转速（65 r/min）及压力（49 kPa）等参数，显著提升单晶GaN抛光效率（MRR=1.78 μm/h）与表面质量（Sa=0.64 nm），为宽禁带半导体超精密加工提供新策略。

　　

实验材料

实验所用试剂和材料包括：金刚石磨料（商丘国泰超硬材料有限公司）、SiO₂磨料（山东 Baxter 新材料有限公司）、CeO₂磨料（振华焊材苏州有限公司）、无水硫酸钠（分析纯，99 wt%）、柠檬酸（分析纯，99 wt%）、过硫酸钠（分析纯，99 wt%）、过氧化氢（H₂O₂，分析纯，30%质量分数）、乙醇（分析纯）等。

通电方式对抛光效果的影响

如图6所示，抛光1小时后，晶圆表面划痕数量减少、深度变浅，表面粗糙度较研磨晶圆显著降低。对比未添加氧化剂（a）与添加氧化剂（b）的条件发现，使用氧化剂时表面质量明显改善：添加氧化剂条件下表面粗糙度降至Sa=1.62 nm，而未添加时仅略有改善。簇状电极通电模式通过多点同步电化学反应，有效均衡工件边缘与中心区域的材料去除率，避免边缘过抛问题。

结论

总体而言，簇状电极辅助电化学机械抛光技术通过叶序分布通孔抛光垫设计，实现了单晶GaN表面氧化-腐蚀过程的实时调控。在混合磨料（0.5 wt% W_0.2金刚石+15 wt% 100 nm二氧化硅溶胶）、转速65 r/min、压力49 kPa的优化参数下，可获得原子级光滑表面（Sa=0.64 nm）与高效率材料去除（MRR=1.78 μm/h），为第三代半导体器件性能提升奠定工艺基础。