斜切角對(duì)β-Ga2O3(100)面襯底加工的影響研究

李信儒,侯 童,馬 旭,王 佩,李 陽(yáng),穆文祥,賈志泰,2,陶緒堂

(1.山東大學(xué),新一代半導(dǎo)體材料研究院,晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250100;2.山東工業(yè)技術(shù)研究院,濟(jì)南 250100)

0 引 言

β-Ga2O3是一種有潛力的電力電子和光電子應(yīng)用材料,其禁帶寬度約為4.8 eV,臨界擊穿電場(chǎng)為8 MV/cm[1-3]。大尺寸、高質(zhì)量β-Ga2O3體塊單晶的低成本生長(zhǎng),極大地促進(jìn)了其在日盲紫外探測(cè)器、氣體傳感器等領(lǐng)域的發(fā)展[4]。為了獲得高質(zhì)量器件,在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)是必要的選擇。使用斜切樣品制備襯底,其表面表現(xiàn)出很高的臺(tái)階流密度,可以改變外延層的生長(zhǎng)方式,有利于降低材料缺陷密度,從而改善外延質(zhì)量[5-7]。Ougazzaden等[8]在斜切藍(lán)寶石襯底上外延了GaN材料,獲得的樣品表面形貌良好,降低了位錯(cuò)面密度。然而,若斜切角過(guò)大,會(huì)造成切割時(shí)襯底材料浪費(fèi),生產(chǎn)成本大幅提高。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,襯底取向和斜切角的選擇已成為關(guān)鍵[9]。

襯底加工是外延及器件制作的重要基礎(chǔ),襯底的表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)影響外延層的質(zhì)量。為了生長(zhǎng)高質(zhì)量的薄膜,要求襯底表面達(dá)原子級(jí)平坦。β-Ga2O3襯底的制備過(guò)程主要包括切割、研磨、拋光等,研磨工藝可以去除表面的線痕,改善晶片平整度,通過(guò)拋光可去除切割、研磨過(guò)程中對(duì)單晶片表面產(chǎn)生的損傷,使單晶片表面最終達(dá)到平坦化。在(100)面襯底加工過(guò)程中,磨粒與襯底表面層的接觸區(qū)域形成應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力最大值超過(guò)臨界值時(shí),應(yīng)力區(qū)內(nèi)晶體材料將發(fā)生解理,大大增加了加工難度。β-Ga2O3晶體的解理嚴(yán)重阻礙了材料的超精密加工,在機(jī)械加工過(guò)程中緩解和消除β-Ga2O3晶體(100)面襯底的解理?yè)p傷十分重要。Zhou等[13]研究了(100)面的磨削特性,結(jié)果證明在材料去除過(guò)程中晶面伴隨嚴(yán)重的解理,表面粗糙度較高。這將極大地影響化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)效果,從而影響外延層的質(zhì)量。Huang等[14]研究了不同pH值的拋光液對(duì)β-Ga2O3(100)面晶片拋光的影響,結(jié)果表明H3PO4比NaOH更有利于β-Ga2O3的CMP,可以提高拋光效率,得到的晶片表面粗糙度Ra為0.21 nm。徐世海等[15]利用酸性硅溶膠溶液作為拋光液對(duì)β-Ga2O3單晶(100)面進(jìn)行了CMP實(shí)驗(yàn),獲得了亞納米級(jí)平整度的表面。

目前,關(guān)于β-Ga2O3(100)面襯底不同斜切角對(duì)加工的影響鮮有報(bào)道。本文研究了斜切角的引入對(duì)(100)面襯底加工的影響,優(yōu)化了形成超光滑表面的工藝條件。對(duì)不同斜切角度的(100)面襯底經(jīng)研磨、拋光后的表面形貌進(jìn)行了研究,結(jié)果表明采用具有合適斜切角的襯底,可避免解理的發(fā)生,大幅改善襯底的表面形貌。明確斜切角對(duì)加工性能的影響,有助于優(yōu)化加工工藝,揭示β-Ga2O3(100)面加工機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

加工實(shí)驗(yàn)在導(dǎo)模法生長(zhǎng)的β-Ga2O3單晶(100)面襯底上進(jìn)行,用金剛石線切割機(jī)對(duì)襯底分別偏[001]方向0°、1°、6°進(jìn)行斜切。為了避免加工前晶片表面質(zhì)量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,本實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)樣品均為經(jīng)過(guò)CMP、表面粗糙度小于0.5 nm的晶片。具體加工工藝條件及參數(shù)如表1所示。

表1 β-Ga2O3襯底加工參數(shù)Table 1 Processing parameters of β-Ga2O3 substrate

晶片實(shí)驗(yàn)前后的厚度利用數(shù)顯指示表測(cè)量,計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)后晶片的材料去除率。使用光學(xué)顯微鏡(BK-POL, 奧特光學(xué))及掃描電子顯微鏡(SEM)(S-4800, HITACHI)觀察不同加工條件下襯底表面的形貌。采用原子力顯微鏡(AFM)(Dimension Icon, Agilent)進(jìn)一步觀察表面臺(tái)階的微觀形貌并測(cè)量表面的粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同斜切角(100)面襯底研磨的表面形貌

為了驗(yàn)證機(jī)械加工對(duì)不同斜切角襯底加工后質(zhì)量的影響,在SEM下觀察了不同斜切角襯底研磨后的表面形貌,如圖1所示。從圖中可以看出,研磨后,無(wú)斜切角襯底表面出現(xiàn)密集解理坑,解理斷裂嚴(yán)重,表面粗糙。斜切角為1°的晶片在加工時(shí)同樣難以獲得光滑表面。襯底表面除解理坑外,仍存在大面積光滑區(qū)域。光滑區(qū)域的產(chǎn)生是由于材料表面發(fā)生塊狀解理,材料從表面脫落,襯底解理后暴露出(100)面。當(dāng)斜切角增大到6°時(shí),襯底表面未觀察到解理坑,高密度的塑性裂紋出現(xiàn)在襯底表面,表面相對(duì)平坦。與無(wú)斜切角襯底相比,引入斜切角的襯底經(jīng)機(jī)械加工后解理臺(tái)階密度逐漸減小,初始?xì)埩舯砻嫫茡p基本消失,表面逐漸出現(xiàn)磨料造成的劃痕。在相同工藝條件下,加工質(zhì)量與(100)面斜切角度密切相關(guān)。利用AFM進(jìn)一步觀察解理形貌,不同斜切角襯底研磨后解理坑的放大形貌如圖2所示,可以看出解理坑形貌不規(guī)則。當(dāng)斜切角增加到1°時(shí),襯底表面解理坑的尺寸及深度均減小,觀測(cè)區(qū)域的表面粗糙度由94.4 nm降低到37.9 nm。隨著斜切角的繼續(xù)增加,研磨過(guò)程沒(méi)有誘發(fā)解理的發(fā)生,襯底表面布滿磨粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的塑性劃痕。

圖1 0°、1°、6°斜切角襯底研磨后表面形貌Fig.1 Surface morphology of substrates with miscut-angle of 0°, 1° and 6° after lapping

圖2 0°、1°、6°斜切角襯底研磨后表面解理坑形貌Fig.2 Morphology of surface cleavage pit of substrates with miscut-angle of 0°, 1° and 6° after lapping

在研磨過(guò)程中,不同斜切角的β-Ga2O3(100)面襯底的材料去除率如圖3 所示。從圖中可以看出, 晶片的材料去除率隨著斜切角的增大而減少。0°、1°、6°斜切角襯底研磨時(shí)材料的去除率分別為 19.40、7.55、5.00 μm/min。當(dāng)沒(méi)有引入斜切角時(shí),由于研磨作用,(100)面襯底表面被誘發(fā)嚴(yán)重的解理分層,材料從表面剝落,形成階梯式表面。β-Ga2O3晶體在本階段沒(méi)有產(chǎn)生塑性去除,大面積的材料剝落導(dǎo)致了較高的材料去除率。引入斜切角后,解理分層現(xiàn)象被抑制。隨著斜切角的增大,襯底材料越來(lái)越難以沿著(100)面發(fā)生剝落。研磨過(guò)程中,金剛石磨料在研磨盤與襯底之間運(yùn)動(dòng),磨料對(duì)襯底表面的滾軋效果顯著,亞表面裂紋形成網(wǎng)絡(luò)造成表面材料的崩落,因此,材料的去除以三體摩擦塑性去除為主。β-Ga2O3晶體材料去除的主要方式由解理分層向塑性去除轉(zhuǎn)變,材料去除率也隨之降低。

圖3 不同斜切角襯底的材料去除率Fig.3 Material removal rate of substrates with different miscut-angle

2.2 不同斜切角(100)面襯底拋光的表面形貌

2.2.1 拋光壓力對(duì)無(wú)斜切角(100)面襯底形貌的影響

利用光學(xué)顯微鏡觀察不同壓力拋光1 h后β-Ga2O3(100)面晶片表面形貌,如圖4 所示。隨著拋光壓力的減小,襯底表面越來(lái)越平滑。當(dāng)拋光壓力為1.0 N時(shí),晶體表面布滿階梯狀的解理?yè)p傷,殘留嚴(yán)重的破碎痕跡,此時(shí)拋光壓力較大,磨粒所傳遞的研磨壓力和產(chǎn)生的接觸應(yīng)力也大,機(jī)械作用強(qiáng)度增加。晶片表面與拋光墊幾乎處于干摩擦狀態(tài),磨料在襯底表面嵌入的深度較大,這導(dǎo)致β-Ga2O3襯底表面發(fā)生嚴(yán)重的解理破壞。拋光壓力降低到0.5 N時(shí),晶片表面質(zhì)量有一定的改善,大尺寸解理?yè)p傷的數(shù)量減少,晶體表面質(zhì)量有所提升,但此時(shí)階梯狀解理?yè)p傷仍然明顯,分布密度也較大。隨著拋光壓力進(jìn)一步降低到0.2 N,晶體表面大尺寸解理?yè)p傷的數(shù)量大幅減少,觀測(cè)范圍內(nèi)存在大面積平整區(qū)域。這是因?yàn)殡S著拋光壓力的減小,每顆磨粒所傳遞的研磨壓力和產(chǎn)生的接觸應(yīng)力也減小,磨料在襯底的嵌入深度降低,誘發(fā)解理破壞的可能性就越小。本實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)調(diào)控拋光壓力可以減弱解理的發(fā)生,提升加工質(zhì)量。

圖4 不同壓力下拋光1 h后β-Ga2O3(100)面襯底表面形貌Fig.4 Surface morphology of β-Ga2O3 (100) plane substrate after 1 h polishing under different pressures

2.2.2 拋光時(shí)間對(duì)不同斜切角(100)面襯底形貌的影響

圖5為利用光學(xué)顯微鏡觀察到的不同斜切角襯底分別拋光1、2、3 h時(shí)的形貌變化。拋光前,對(duì)不同斜切角襯底分別進(jìn)行了5 min的研磨。基于不同斜切角襯底研磨后表面形貌的區(qū)別,襯底在拋光過(guò)程中表現(xiàn)出不同的形貌變化規(guī)律。拋光1 h后,無(wú)斜切角的(100)面襯底研磨后晶體表面的大量解理破碎痕跡被去除,表面的解理坑密度大幅降低。隨著拋光的繼續(xù)進(jìn)行,解理臺(tái)階開始逐漸消失,拋光3 h后,襯底表面光滑平整。對(duì)于斜切角為1°的襯底,拋光過(guò)程中,襯底表面殘留的解理臺(tái)階開始逐漸消失,縱橫交錯(cuò)的微劃痕出現(xiàn)在襯底表面。加工3 h后,表面缺陷基本去除。斜切角為6°的襯底表面的塑性劃痕經(jīng)1 h拋光后就被完全去除。如圖6所示,利用AFM測(cè)得此時(shí)襯底表面粗糙度為0.189 nm。

圖5 不同斜切角襯底在不同拋光時(shí)間的表面形貌Fig.5 Surface morphology of substrates with different miscut-angle after different polishing time

圖6 6°斜切角襯底拋光1 h后的AFM照片F(xiàn)ig.6 AFM image of substrate with miscut-angle of 6° after 1 h polishing

隨著拋光時(shí)間的增加,無(wú)斜切角(100)面襯底表面解理坑的臺(tái)階高度逐漸被去除,解理坑的尺寸也有所減小。隨著解理坑的不斷去除,最終實(shí)現(xiàn)光滑表面。隨著斜切角的引入,研磨導(dǎo)致的解理?yè)p傷緩解,解理坑減小,拋光難度也隨之降低。劃痕的出現(xiàn)證明小斜切角襯底的材料去除方式由研磨時(shí)解理脆性去除逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇?塑性去除。當(dāng)斜切角增加到6°時(shí),拋光前襯底表面布滿塑性劃痕,表面相對(duì)較平整,與拋光液及拋光墊接觸面積大,表面材料充分接觸拋光液,形成的化學(xué)反應(yīng)膜可以及時(shí)地被機(jī)械作用去除,因此,能較快地獲得光滑無(wú)損傷的表面。

3 結(jié) 論

研究了不同斜切角β-Ga2O3(100)面襯底在加工過(guò)程中的形貌變化以及不同拋光參數(shù)對(duì)襯底拋光的影響,得出以下結(jié)論:

1)斜切角的引入緩解了(100)面襯底在加工過(guò)程中的解理?yè)p傷現(xiàn)象。隨著斜切角的增加,襯底材料的去除方式出現(xiàn)了脆性去除-脆塑性混合去除-塑性去除的轉(zhuǎn)變。

2)隨著斜切角的增加,襯底研磨后的表面粗糙度及材料去除率均減小。斜切角為6°時(shí),襯底研磨后表面粗糙度最低。

3)拋光壓力降低可以有效抑制β-Ga2O3(100)面襯底在拋光過(guò)程中的解理?yè)p傷。

4)6°斜切角的引入極大地提高了拋光效率,拋光得到的襯底表面粗糙度為0.189 nm。