乙酸调控二氧化铈基抛光液提升氮化镓化学机械抛光效率的机制研究

【编辑推荐】针对氮化镓(GaN)晶圆化学机械抛光(CMP)中材料去除率(MRR)低和表面缺陷控制难题，研究人员通过引入乙酸(CH3 COOH)作为pH调节剂，使二氧化铈(CeO2 )基抛光液的MRR提升70%至495.2 nm/h，同时实现0.07 nm原子级表面粗糙度(Sq)。X射线光电子能谱(XPS)与量子化学计算揭示了乙酸-GaN强吸附机制，为半导体行业GaN器件制造提供了优化方案。

　　

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，因其宽禁带、高电子迁移率和耐高温特性，成为制备高频高功率器件的理想选择。然而，GaN晶圆表面缺陷会显著降低器件性能，化学机械抛光(CMP)作为关键平坦化技术，却面临传统二氧化硅胶体抛光液效率低、表面质量差的困境。虽然紫外光催化、电芬顿等技术能提升材料去除率(MRR)，但会牺牲表面完整性。河北某研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表的研究，创新性地采用二氧化铈(CeO₂
)基抛光液，通过乙酸调控pH值，实现了效率与表面质量的协同突破。

研究采用CeO₂
纳米颗粒(平均粒径322.5 nm)为基础抛光液，对比硝酸等无机酸，系统评估乙酸对MRR和表面粗糙度(Sq)的影响。结合XPS表征和密度泛函理论(DFT)计算，解析了乙酸-GaN界面化学作用机制。

材料与方法
研究使用含CeO₂
、过硫酸钾(K₂
S₂
O₈
)和不同pH调节剂的抛光体系，通过原子力显微镜(AFM)测定表面形貌，XPS分析化学状态变化，量子计算模拟分子吸附能。

Slurry性能
含乙酸的抛光液MRR达495.2 nm/h，较硝酸体系提升70%，同时Sq降至0.07 nm。而无机酸体系呈现MRR与表面质量的负相关性，证实乙酸独特的"双效提升"作用。

结论
乙酸通过羧基(-COOH)与GaN表面形成强化学吸附，促进CeO₂
磨粒的机械去除作用，同时抑制过度氧化损伤。该研究为GaN器件制造提供了可工业化推广的高效CMP方案，对宽禁带半导体加工技术发展具有重要指导意义。