高精度高質(zhì)量大尺寸氧化單晶基片制造技術(shù)研究進展

高精度高質(zhì)量大尺寸氧化單晶基片制造技術(shù)研究進展

0寬禁帶半導(dǎo)體材料電路、光刻件、微傳感器等半導(dǎo)器件的制造是關(guān)系經(jīng)濟和國家安全的基礎(chǔ)、戰(zhàn)略和領(lǐng)導(dǎo)人。它是衡量國家科技水平和自給自足的重要標志。高性能半導(dǎo)體器件的制造離不開先進的半導(dǎo)體材料，為了滿足半導(dǎo)體器件的使用性能，半導(dǎo)體材料先后經(jīng)歷了以硅(Si)、鍺(Ge)為代表的第一代元素半導(dǎo)體材料，砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料和碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵單晶是一種透明的超寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為4.8eV，擊穿電場強度高達8MV/cm，遠高于硅(1.1eV,0.3MV/cm)、砷化鎵(1.4eV,0.4MV/cm)、碳化硅(3.3eV,2.5MV/cm)、氮化鎵(3.4eV,3.3MV/cm)等半導(dǎo)體材料，還具有獨特的紫外透過特性(紫外透過率可達80%以上)以及低的能量損耗、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，是制造高溫高頻高功率微電子器件、日盲紫外光電探測器、紫外透明導(dǎo)電電極的優(yōu)選半導(dǎo)體材料作為微電子和光電子器件制造的襯底基片，除了半導(dǎo)體材料自身的性能滿足要求以外，襯底基片的表面/亞表面質(zhì)量和加工精度對器件的使用性能也有重要的影響，必須達到亞納米級表面粗糙度、納米級表面損傷深度、亞微米級面型精度的加工質(zhì)量要求因此，為了滿足高性能半導(dǎo)體器件制造對高精度高質(zhì)量大尺寸氧化鎵單晶基片的要求，氧化鎵單晶的生長方法及其超精密加工技術(shù)成為國內(nèi)外的熱點研究課題之一。本文在概述氧化鎵單晶目前常用的生長方法及其超精密加工工藝的基礎(chǔ)上，全面系統(tǒng)地總結(jié)氧化鎵單晶生長方法及其單晶基片加工過程中的材料去除機理、損傷形成機理、工藝優(yōu)化等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析高精度高質(zhì)量大尺寸氧化鎵單晶基片制造目前面臨的問題、難點及其未來發(fā)展趨勢，為后續(xù)大尺寸超寬禁帶氧化鎵單晶基片制造技術(shù)的深入研究提供指導(dǎo)。1單晶氧復(fù)位制粉技術(shù)氧化鎵單晶生長的研究最早可追溯到20世紀60年代，由于氧化鎵單晶的熔點較高(約為1820℃)，在高溫生長過程中極易分解揮發(fā)，導(dǎo)致氧化鎵單晶在生長過程中不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生大量的氧空位，進而造成孿晶、鑲嵌結(jié)構(gòu)、螺旋位錯等缺陷；此外，高溫下氧化鎵分解生成的GaO、Ga1.1氫氧山結(jié)晶生長原理焰熔法(Verneuiltechnique)是1890年由VERNEUIL發(fā)明的用于生長高熔點寶石單晶的晶體生長方法。焰熔法生長晶體時，通過氫氧焰燃燒產(chǎn)生的高溫將落下的材料粉末熔化，熔化的材料滴落在下方的籽晶桿上，逐漸冷卻完成晶體的結(jié)晶生長過程，其工作原理如圖1所示。焰熔法的優(yōu)點在于氫氧焰溫度能夠達到2800℃，可用于生長2500℃高熔點的晶體材料，且不使用坩堝，避免了坩堝雜質(zhì)污染的問題，但焰熔法的缺點在于氫氧焰的溫度梯度大，晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力較大，生長晶體的氣孔缺陷明顯，此外，焰熔法也不適合易揮發(fā)類或易氧化類單晶材料的生長。1964年CHASE等1.2優(yōu)化晶體生長系統(tǒng)提拉法(CzochralskiMethod)是一種從熔體中制備較大尺寸高質(zhì)量單晶最常用的晶體生長方法，由CZOCHRALSKI于1918年提出，具有晶體生長尺寸大、生長過程可視和易控制，以及可采用定向籽晶和“縮頸”技術(shù)減小晶體生長缺陷的優(yōu)點，在鍺單晶提拉法是生長氧化鎵單晶的重要方法，德國萊布尼茨晶體生長研究所對提拉法生長氧化鎵單晶進行了系統(tǒng)的研究，2000年該研究所的TOMM等近幾年國內(nèi)學(xué)者對提拉法生長氧化鎵單晶也進行了研究，2015年山東大學(xué)的穆文祥等1.3氧化單晶的制備方法光浮區(qū)法(Opticalfloatingzone)又稱為懸浮區(qū)熔法或垂直區(qū)熔法，由在氧化鎵單晶生長研究的初期，光浮區(qū)法是生長高質(zhì)量氧化鎵單晶的主要方法。1997年UEDA等為了改善氧化鎵單晶的導(dǎo)電性，國內(nèi)外學(xué)者采用光浮區(qū)法對離子摻雜氧化鎵單晶的生長也進行了研究。2007年SUZUKI和OHIRA等1.4晶體織物對模具的要求導(dǎo)模法(Edge-definedfilm-fedgrowthmethod)又稱為邊緣限定薄膜供料生長法，于20世紀60年代由英國的HAROLD和蘇聯(lián)的STEPANOV相繼提出，該方法實際上是提拉法的一種變形，其生長晶體的原理與提拉法類似，是一種近尺寸成型生長晶體技術(shù)，能夠直接從熔體中生長出所需形狀的晶體毛坯，但其對模具的材料和設(shè)計要求較高。導(dǎo)模法生長晶體的原理如圖12所示，將內(nèi)部留有毛細管狹縫的耐熔金屬模具浸入單晶爐的熔體中，熔體通過毛細作用下被吸引到模具上表面，熔體在表面張力的作用下形成一層薄膜并向四周擴散，放下籽晶使其與熔體薄膜接觸，控制模具頂部的溫度梯度，使籽晶端面結(jié)晶出與籽晶相同結(jié)構(gòu)的單晶，然后通過提拉機構(gòu)不斷向上提升籽晶，籽晶經(jīng)過放肩和等徑生長完成整個單晶的制備，模具頂部的外形和尺寸大小決定了導(dǎo)模法生長晶體的截面形狀。與提拉法相比，導(dǎo)模法的優(yōu)點在于其可以實現(xiàn)定形/定向的晶體生長，晶體的截面形狀和尺寸由模具頂部邊緣的形狀和尺寸決定，且晶體生長速度快，材料利用率高，生產(chǎn)成本低，便于實現(xiàn)晶體生長的產(chǎn)業(yè)化，導(dǎo)模法已在藍寶石、單晶硅、閃爍晶體的制備中廣泛使用，但導(dǎo)模法的缺點在于其對模具設(shè)備和工藝操作要求較復(fù)雜。在導(dǎo)模法生長氧化鎵單晶技術(shù)方面，目前日本走在國際的前列。2006年日本早稻田大學(xué)的SHIMAMURA等國內(nèi)對導(dǎo)模法生長氧化鎵單晶技術(shù)的研究開展較晚，但近年來發(fā)展迅速。2017年山東大學(xué)的MU等1.5高質(zhì)量氧化單晶的制備技術(shù)布里奇曼法(Bridgmanmethod)與提拉法同屬于熔體法單晶生長技術(shù)，該方法基于美國哈佛大學(xué)的BRIDGMAN于1925年提出的移動坩堝定向凝固技術(shù)發(fā)展而來，1936年美國麻省理工學(xué)院的STOCKBARGER進一步對BRIDGMAN法進行了改進，因此該方法又稱為BRIDGMAN-STOCKBARGER法。根據(jù)坩堝移動方向的不同分為水平布里奇曼法和垂直布里奇曼法，其中垂直布里奇曼法是生長氧化鎵單晶的重要方法。圖18為垂直布里奇曼法生長晶體的基本原理，將晶體生長原料裝入坩堝，然后將坩堝置入具有單向溫度梯度的生長爐內(nèi)進行晶體生長。晶體生長爐分為加熱區(qū)、梯度區(qū)和冷卻區(qū)三個區(qū)域，裝有原料的坩堝首先進入加熱區(qū)進行熔化和均勻受熱，然后從加熱區(qū)穿過梯度區(qū)向冷卻區(qū)移動，坩堝內(nèi)的熔體進入梯度區(qū)后發(fā)生定向結(jié)晶，隨著坩堝的連續(xù)移動，晶體沿著與坩堝移動的相反方向定向生長。與原料敞開式放入坩堝的提拉法相比，垂直布里奇曼法的優(yōu)點在于其采用全封閉或半封閉的坩堝，能夠防止原料成分受外界雜質(zhì)的影響，提高晶體的生長質(zhì)量，同時還可以有效控制原料的熔融揮發(fā)現(xiàn)象，有利于生長揮發(fā)性物質(zhì)的晶體，但由于垂直布里奇曼法生長晶體時受貴金屬坩堝尺寸的限制，難以實現(xiàn)大尺寸晶體的生長。2016年日本信州大學(xué)的HOSHIKAWA和OHBA等對比上述不同的氧化鎵單晶制備方法，不同方法制備氧化鎵晶體的效率、尺寸及其優(yōu)缺點如表1所示。在晶體生長尺寸方面，光浮區(qū)法是利用大功率光源和復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)對原料棒進行聚焦加熱，產(chǎn)生熔融區(qū)的面積受限于光源的功率和能量的傳輸效率，導(dǎo)致光浮區(qū)法難以制備大尺寸(≥50mm)單晶晶棒。提拉法生長晶體時尺寸的大小取決于熔體溫度控制和提拉速率，保證籽晶周圍的熔體有一定的過冷度，熔體的其余部分保持過熱，將有利于大尺寸單晶的生長因此具有穩(wěn)定的提拉旋轉(zhuǎn)速率以及精準控制的熔體溫度是提拉法制備高質(zhì)量大尺寸單晶材料的關(guān)鍵。對于垂直布里奇曼法，生長晶體的尺寸主要受限于封閉式貴金屬坩堝的尺寸大小。導(dǎo)模法是一種近尺寸成型生長晶體技術(shù)，利用毛細作用原理使熔體上升至模具頂部，并在邊緣形成一個薄膜熔體層，然后隨籽晶提拉完成特定形狀尺寸的晶體生長，導(dǎo)模法生長晶體的形狀和尺寸主要取決于模具頂部邊緣的形狀和尺寸，因此導(dǎo)模法具有生長定形/定向晶體的能力?？偨Y(jié)上述可知，隨著超高壓功率器件、深紫外光電子器件等高性能半導(dǎo)體器件對超寬禁帶氧化鎵單晶需求的增加，近年來關(guān)于氧化鎵單晶生長技術(shù)的研究發(fā)展迅速，從近20年來國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀來看，如圖20所示，提拉法、光浮區(qū)法、導(dǎo)模法和布里奇曼法是目前生長高質(zhì)量氧化鎵單晶的主要方法。其中，導(dǎo)模法在生長較大尺寸氧化鎵晶體和控制晶體導(dǎo)電率方面具有優(yōu)勢，是目前最有潛力的氧化鎵單晶生長方法，國外采用導(dǎo)模法已成功生長出最大6英寸的高質(zhì)量氧化鎵單晶，并實現(xiàn)了2英寸氧化鎵單晶的產(chǎn)業(yè)化生長，國內(nèi)采用導(dǎo)模法也生長出4英寸氧化鎵單晶。對比國內(nèi)外氧化鎵單晶生長技術(shù)的研究進展來看，我國雖然起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，山東大學(xué)、同濟大學(xué)、中國電子科技集團公司第四十六研究所以及中國科學(xué)院的上海光學(xué)精密機械研究所、上海硅酸鹽研究所和安徽光學(xué)精密機械研究所等研究機構(gòu)對氧化鎵單晶生長技術(shù)進行了較系統(tǒng)的研究，開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的氧化鎵單晶生長技術(shù)，實現(xiàn)了大尺寸高質(zhì)量氧化鎵單晶生長，打破了國外技術(shù)壟斷。但國內(nèi)氧化鎵單晶的生長質(zhì)量、生長尺寸，以及生長工藝和裝備的成熟度和穩(wěn)定性與國外相比還存在較大差距，還處于實驗室研究向產(chǎn)業(yè)化、商品化過渡的階段，還有很多關(guān)鍵問題如生長工藝的優(yōu)化、元素的均勻摻雜、高穩(wěn)定性生長裝備的研制等需要解決，才能實現(xiàn)大尺寸高質(zhì)量氧化鎵單晶的產(chǎn)業(yè)化生長。2氧化晶體超精密加工的難點為了滿足微電子和光電子器件制造的要求，氧化鎵晶體在完成單晶生長以后，還需要經(jīng)過一系列的超精密加工獲得高精度超光滑近無損傷表面的晶片。目前，氧化鎵晶體超精密加工的難點在于該晶體的硬度高、脆性大、各向異性大、極易解理，導(dǎo)致其加工精度和表面質(zhì)量不穩(wěn)定，且碎片率極高。如何實現(xiàn)氧化鎵晶體基片(也稱為晶片)的高精度、高效率、低損傷加工成為國內(nèi)外學(xué)者的熱點研究課題之一。2.1氧化單晶的表面/亞表面損傷形成機理為了實現(xiàn)氧化鎵晶片的高效低損傷加工，必須系統(tǒng)研究超精密加工氧化鎵單晶的材料去除機理以及表面損傷的產(chǎn)生機理與演變規(guī)律。國內(nèi)大連理工大學(xué)與澳大利亞昆士蘭大學(xué)合作在上述研究基礎(chǔ)上，WU等除了采用傳統(tǒng)的納米壓痕/劃痕和微柱壓縮法研究氧化鎵單晶的表面/亞表面損傷特性，國內(nèi)外學(xué)者通過其他試驗和仿真方法對氧化鎵單晶的損傷形成機理也進行了研究。美國內(nèi)華達大學(xué)的AN等美國密歇根大學(xué)的AHN等日本防衛(wèi)大學(xué)的KISHIMURA等俄羅斯國家科學(xué)院的NIKOLAEV等日本精細陶瓷中心的YAO等日本京都工藝纖維大學(xué)的OGAWA等韓國半導(dǎo)體物理研究中心的LEE等2.2氧化單晶超精密磨削技術(shù)氧化鎵晶片在加工過程中極易解理破碎，目前國內(nèi)外主要采用單面游離磨料研磨和化學(xué)機械拋光的傳統(tǒng)晶片加工工藝。首先將線鋸切割而成的氧化鎵晶片通過蠟粘結(jié)在載物盤上，利用單面研磨機，采用不同粒度的游離磨料對晶片表面進行粗研和精研加工，定量去除前道工序磨料產(chǎn)生的表面及亞表面損傷，控制其形狀精度及亞表面的損傷層深度，達到要求的厚度和面形精度；然后，再采用單面拋光機對晶片表面進行化學(xué)機械拋光，獲得超光滑近無損傷表面。從目前氧化鎵晶片的加工技術(shù)水平來看，日本的Tamura公司為了提高氧化鎵晶片的成品率和加工效率，美國空軍研究實驗室的BLEVINS等韓國工業(yè)技術(shù)研究院的LEE和釜山大學(xué)的JEONG等日本信州大學(xué)的HOSHIKAWA等國內(nèi)雖然已能夠生長出4英寸的高質(zhì)量氧化鎵單晶，但在氧化鎵單晶的超精密加工工藝方面和國際水平存在明顯差距，僅對小尺寸(≤10mm)氧化鎵晶片的游離磨料研磨和拋光工藝進行了研究。針對氧化鎵晶片的游離磨料研磨加工，鹽城工學(xué)院的黃傳錦等針對氧化鎵晶片的化學(xué)機械拋光加工，鹽城工學(xué)院高翔等由于游離磨料研磨加工是利用研磨盤和晶片之間的磨料對晶片表面的滾壓作用去除材料，其中較大的磨料承擔(dān)較高的載荷，對晶片表面的作用力比較大，導(dǎo)致氧化鎵晶片在研磨過程中經(jīng)常發(fā)生解理破碎，如圖32所示。特別是大尺寸(≥50mm)氧化鎵晶片，采用游離磨料研磨時由于材料去除機理固有的原因，不僅加工效率低、損傷深度大，而且更容易解理破碎，嚴重影響晶片的成品率和加工成本，已成為制約大尺寸氧化鎵晶片應(yīng)用的瓶頸。近年來，基于工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的金剛石砂輪超精密磨削技術(shù)(圖33)由于其磨粒利用率高、加工成本低、加工精度高、容易實現(xiàn)工藝過程自動化等優(yōu)點，代替?zhèn)鹘y(tǒng)游離磨粒研磨，在硅、砷化鎵、磷化銦等硬脆半導(dǎo)體晶片的平整化加工中得到廣泛應(yīng)用。因此，國內(nèi)外學(xué)者對基于工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的金剛石砂輪超精密磨削氧化鎵晶片的加工工藝也進行了研究。日本KimmonKoha公司的KOSHI等日本Disco公司澳大利亞昆士蘭大學(xué)的LI等大連理工大學(xué)的GAO等鹽城工學(xué)院的ZHOU等為了提高工件旋轉(zhuǎn)法磨削氧化鎵晶片的表面/亞表面質(zhì)量，需要減小磨削過程中砂輪磨粒的切削深度，磨粒切削深度越小，磨削晶片的表面和亞表面損傷越小。磨粒切削深度與磨削過程中砂輪表層參與實際切削的有效磨粒數(shù)、磨粒粒徑、磨削參數(shù)、砂輪尺寸等均有關(guān)系，建立準確的磨粒切削深度模型對于優(yōu)化磨削參數(shù)，控制磨削晶片的表面/亞表面質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對基于工件旋轉(zhuǎn)原理的金剛石砂輪磨削晶片的磨粒切削深度模型進行了研究。中國臺灣大學(xué)的YOUNG等日本茨城大學(xué)的ZHOU等大連理工大學(xué)的高尚等總結(jié)上述國內(nèi)外氧化鎵單晶超精密加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，采用游離磨料研磨工藝加工氧化鎵晶片時由于材料去除機理固有的原因，導(dǎo)致氧化鎵晶片不僅加工效率低，而且表面損傷嚴重，極易解理破碎，難以實現(xiàn)大尺寸氧化鎵晶片的高效低損傷加工。基于工件旋轉(zhuǎn)磨削原理的金剛石砂輪超精密磨削技術(shù)在加工氧化鎵晶片時，具有砂輪表面磨粒分布均勻、磨粒等高性好、磨削力小等優(yōu)點，能夠有效抑制氧化鎵晶片解理破碎；此外，通過采用細粒度金剛石砂輪和低進給速度以很小的磨粒切深磨削氧化鎵晶片時，能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鎵單晶的延性域加工，表面粗糙度達到納米級，表面/亞表面沒有微裂紋產(chǎn)生，為實現(xiàn)大尺寸氧化鎵晶片的高效低損傷加工提供了有效途徑。但目前關(guān)于氧化鎵晶體超精密磨削加工的表面/亞表面損傷形成機理及其演化規(guī)律尚不明確，對材料去除機理的理解不夠深入。此外，在氧化鎵晶片的產(chǎn)業(yè)化加工中，為了協(xié)調(diào)磨削和拋光工序的加工效率，需要選擇合理的金剛石砂輪和工藝參數(shù)在給定損傷深度和加工效率條件下加工氧化鎵晶片，但目前尚沒有針對特定加工目標的系統(tǒng)磨削工藝研究方法，無法指導(dǎo)氧化鎵晶片磨削工藝。因此，后續(xù)還需深入研究氧化鎵晶體超精密磨削的材料去除機理，分析磨削表面的損傷形成機理及其組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律，建立損傷深度和加工效率約束下的砂輪特性參數(shù)和磨削工藝參數(shù)選擇方法，才能為大尺寸氧化鎵晶片的高效低損傷磨削加工提供理論指導(dǎo)，實現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)法磨削技術(shù)在大尺寸氧化鎵晶片制造中的應(yīng)用。3氧化單晶加工技術(shù)(1)金剛石、氧化鎵和氮化鋁等超寬禁帶半導(dǎo)體材料是制造超高壓電力