一种适用于氮化镓材料的CMP抛光组合物技术领域
本发明属于微电子辅助材料及超精密加工工艺技术领域，特别涉及高性能晶片的
加工领域。
背景技术
第三代半导体以氮化镓(GaN)为代表，它在电和光的转化方面性能突出，在微波信
号传输方面的效率更高，所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。
现在LED盛行的风潮下，氮化镓首先作为半导体发光二极管在LED照明产业取得重
大突破，目前氮化镓基LED芯片通常是基于蓝宝石或碳化硅衬底晶片外延生长获得，然而这
种异质衬底生长的氮化镓基LED芯片结构存在大量缺陷，如果采用氮化镓晶片作为衬底，不
但可以有效解决发光时的散热问题，还能使单位面积亮度提升10倍。2014年诺贝尔物理学
奖得主中村修二指出，GaN on GaN LED技术将在不远的将来取代现有的第一代LED技术成
为LED发展的主流，而氮化镓衬底晶片将成为LED行业最终选择的衬底晶片。随着氮化镓衬
底晶片的价格逐年下降，氮化镓衬底晶片在半导体照明的应用市场将一发不可收，氮化镓
的消费将成倍增长。
氮化镓作为衬底晶片材料应用前需经过平坦化加工，化学机械抛光(CMP)是目前
唯一实现全局平坦化的加工方法。抛光液是影响CMP质量的决定性因素。它同时决定及影响
CMP过程中的化学作用和机械作用。2008年S.Hayashi等人使用次氯酸或者是次氯酸和次氯
酸钠的混合物及柠檬酸分别对氮化镓衬底晶片的N极性面和Ga极性面进行抛光，抛后表面
粗糙度为0.5～0.6nm；2009年，Yan Huaiyue等人研究了不同磨粒粒径对氮化镓衬底晶片抛
光影响，得出在碱性抛光液中使用粒径为1μm的磨粒去除速率最大，但是引入较深的划痕，
在抛光四小时候测得表面粗糙度为0.565nm；2011年，Hideo Aida等人使用硅溶胶对氮化镓
的Ga极性面进行CMP加工，在常规工艺条件下得到的去除速率仅为17nm/h，AFM测得经过
150h的CMP抛后表面粗糙度为0.1nm；2012年，Hideo Aida等人比较了蓝宝石、GaN和SiC等难
加工半导体材料的CMP抛光特性，证明了酸性CMP硅溶胶抛光液更适合氮化镓的表面平坦
化。但是酸性硅溶胶抛光液稳定性较差。
现有的氮化镓衬底晶片硅溶胶抛光液未能满足日益发展的氮化镓加工产业，因
此，亟需一种更好平衡化学与机械作用的、高稳定性的抛光组合物，提高氮化镓晶片抛光速
率，提高氮化镓抛光表面质量，促进氮化镓光电器件制造发展。
发明内容
本发明是针对氮化镓材料现有抛光液技术中存在的不足，提出一种适用于氮化镓
的CMP抛光组合物，本发明是具有高稳定性的酸性抛光液，目的提高抛光液的去除速率和稳
定性。
本发明的一种适用于氮化镓的材料抛光组合物，其特征在于：该抛光液组合物包
含纯化硅溶胶抛光磨粒、腐蚀剂、氧化剂、促进剂和水，各组分的含量为：
抛光磨粒 5～30wt％
腐蚀剂 0.1～1wt％
氧化剂 0.1～5wt％
促进剂 0.001～0.5wt％
水余量；
所述抛光磨粒为纯化硅溶胶，水为去离子水或蒸馏水。
所述纯化硅溶胶pH值为1.5～4。
所述腐蚀剂为带有羧基或磺基的有机酸。
所述羧基有机酸其结构式为：
RmCnH(2n+1-m)COOH
其中，n和m为整数，且0≤n≤4,0≤m≤3,n≤m。
所述磺基有机酸为甲基磺酸、乙磺酸、1-丙磺酸、3-甲基丁磺酸、苯磺酸、对甲苯磺
酸、苄磺酸、4-甲基-1,3-苯二磺、5-磺基水杨酸。
所述氧化剂为硼酸、磷酸、亚硝酸、亚硫酸、硫酸氢钾、六水三氯化铁、高氯酸铵、高
碘酸铵、仲高碘酸钠、亚氯酸钠中的一种或几种。
所述促进剂为催化剂，为过渡金属、过渡金属氧化物、过渡金属类盐中的一种或几
种。
所述过渡金属为铁、镍、钛、钴、钼、铜、锌、金、银、钯、铂、钨、钽、钌、锡、钒、锰；过渡
金属氧化物为其氧化物氧化铁、三氧化二铁、氧化镍、二氧化钛、氧化钴、氧化钼、氧化铜、氧
化锌、二氧化锰；过渡金属类盐为其硫酸盐、氯化盐、高氯酸盐、溴化盐、高碘酸盐、硝酸盐、
磷酸盐的一种或几种。
本发明抛光组合物的pH值为1-4。
本发明所采用的纯化硅溶胶为市售碱性硅溶胶先后经过强酸型阳离子交换树脂、
强碱性阴离子交换树脂和强酸强碱混床树脂交换柱纯化，具体纯化工艺参见公开号
CN101475180A，发明名称：胶的硅溶一种超高纯二硅溶氧化硅溶胶的纯化方法。本发明采用
上述方法获得的纯化硅溶胶平均粒径为10～130nm，所述氮化镓材料为氮化镓厚膜片或氮
化镓自支撑晶片。
本发明提供的抛光液主要适用于氮化镓基LED芯片同质衬底材料氮化镓厚膜衬底
晶片及氮化镓自支撑衬底晶片超精表面抛光，本发明适用于氮化镓材料CMP抛光的抛光液，
该抛光液具有去除速率高、稳定性高，循环寿命长达10h等特点，所获抛后氮化镓表面光滑
呈原子台阶形貌，且无划痕、凹坑等表面缺陷，经AFM测试其表面粗糙度Ra可达0.055nm精
度。抛光去除速率达118.8nm/h。
附图说明
图1是使用本发明抛光组合物(实施例2)抛光后氮化镓表面原子力显微镜(AFM)
图。
图中呈现出清晰规则的原子台阶形貌，表面粗糙度Ra为0.055nm。
图2是本发明抛光组合物中实施例2(使用纯化硅溶胶)与比较例2(使用碱性硅溶
胶)在循环抛光过程中抛光速率变化曲线图。
从图中可见，实施例2在循环使用过程中材料去除速率更高更稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。以下实施例用于说明本发明，但
并不用来限制本发明。
实施例中实验均使用沈阳科晶1000S型单面抛光机为抛光实验机，抛光片为2寸氮
化镓厚膜片，抛光垫为：SUBA，抛光条件如下：
抛光压力：400克/平方厘米；
工件转速：80转/分钟
下盘转速：150转/分钟
抛光液流量：60毫升/分钟
抛光液流动形式：循环
抛光时间：1小时
抛光后，对氮化镓表面进行清洗剂及去离子水洗涤和干燥，然后测量厚膜片的去
除速率和表面质量。抛光去除速率(MRR)采用精度为0.01mg的精密电子天平测重过抛光前
后晶片重量的变化计算得到，抛光速率为抛光去除重量换算成去除厚度后与抛光时间的比
值。抛光后氮化镓表面质量检测，使用Bruker公司的Dimension ICON原子力显微镜观测表
面形貌并计算表面粗糙度(Ra)，探针半径为10nm，其垂直分辨率为0.01nm，扫描频率为
1.5Hz，扫描范围1×1μm2。
实施例1～6及对比例1～3的抛光液配比及相应氮化镓抛后表面粗糙度及其去除
速率如表1所示。
由表1的抛光效果可见，实施例1～6抛光液与比较例1～3相比较，氮化镓抛光去除
速率更高，抛光去除速率可达118.8nm/h，AFM测试结果表明，经实施例1～6抛光液抛光后的
氮化镓表面光滑呈现出规整原子台阶，且无划痕凹坑等表面损伤，表面粗糙度达0.055纳
米。
比较例1中，只含有氧化剂且不含腐蚀剂时，较之实施例，材料去除速率明显下降。
比较例2和比较例3均使用未经过纯化处理的碱性硅溶胶，晶片去除速率明显下降，表面质
量也较差。实施例2和比较例2抛光组合物中除抛光磨粒不同，其余成分及含量相同，图2表
明，使用纯化硅溶胶的实施例2的循环抛光稳定性较比较例2高。
采用本发明的抛光液进行氮化镓表面抛光，具有去除速率高，抛光性能稳定的特
点，抛后表面质量高，表面粗糙度Ra可达0.055纳米，呈现出规格原子级台阶形貌，且表面无
划伤、凹坑等缺陷，适用于LED芯片等光电器件制造工艺。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围
为准。
下述列表为本发明实施例列表，包含各实施例中抛光液的组分和含量以及由其进
行抛光后的氮化镓表面的粗糙度和抛光速率，并与现有技术情况的比较情况。