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破解大尺寸氮化鋁加工瓶頸:化學(xué)機(jī)械拋光在晶圓表面超精密加工的創(chuàng)新實踐


來源:中國粉體網(wǎng)   山林

[導(dǎo)讀]  大尺寸氮化鋁晶圓表面超精密加工技術(shù)

中國粉體網(wǎng)訊  近年來,以氮化鋁、氧化鎵、金剛石等為代表的第四代超寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸興起,它們具有超寬禁帶、高電壓擊穿場、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)以及耐高溫、抗輻射等特性,在紫外探測、芯片制造、高頻大功率電子器件等領(lǐng)域內(nèi)顯示出傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料無法比擬的優(yōu)勢特性,已成為國際半導(dǎo)體及材料研究和產(chǎn)業(yè)化的熱點。


其中,氮化鋁是極具應(yīng)用潛力的超寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有很多優(yōu)良的性質(zhì),如其具有熱導(dǎo)率高、禁帶寬度大、化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒性以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等性能,能夠滿足半導(dǎo)體器件的新需求,被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中。氮化鋁是紫外/深紫外LED、紫外LD最佳襯底材料,也是高功率、高頻電子器件理想襯底材料。此外,氮化鋁具有優(yōu)良的壓電性、高的聲表面波傳播速度和較高的機(jī)電耦合系數(shù),是GHz級聲表面波器件的優(yōu)選壓電材料。


與碳化硅單晶生長類似,氮化鋁單晶無法通過熔體法而只能采用物理氣相傳輸(PVT)法進(jìn)行生長。PVT法生長氮化鋁與碳化硅體單晶基本同時起步于20世紀(jì)70年代。隨著寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的興起,及氮化鋁優(yōu)異性能與潛在應(yīng)用前景,眾多科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)在PVT法制備氮化鋁單晶方面做出了長期不懈努力,但與目前較為成熟的碳化硅等襯底材料相比,氮化鋁單晶生長及其襯底制備具有更高的技術(shù)難度、更高的復(fù)雜性和更高的成本等特點。


作為半導(dǎo)體襯底加工的關(guān)鍵技術(shù),超精密拋光可以降低晶圓表面粗糙度和亞表面損傷程度。因此,超精密拋光技術(shù)在制備大尺寸、高質(zhì)量、低損傷的晶圓襯底方面發(fā)揮著重要作用。


化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)技術(shù)具有獨特的化學(xué)和機(jī)械相結(jié)合的效應(yīng),是在機(jī)械拋光的基礎(chǔ)上,根據(jù)所要拋光的表面,加入相應(yīng)的化學(xué)試劑,從而達(dá)到增強拋光和選擇性拋光的效果。CMP技術(shù)是從原子水平上進(jìn)行材料去除,從而獲得超光滑和超低損傷表面,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件、計算機(jī)硬盤、微機(jī)電系統(tǒng)、集成電路等領(lǐng)域。同時,CMP技術(shù)也是超精密設(shè)備向精細(xì)化、集成化和微型化發(fā)展的產(chǎn)物。


但是由于單晶氮化鋁極高的硬度和優(yōu)良的化學(xué)特性,給拋光方面但來了極大的困難,特別是實現(xiàn)大尺寸、高質(zhì)量、低損傷的單晶氮化鋁晶圓超光滑表面仍然是行業(yè)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。例如,在化學(xué)機(jī)械拋光中,材料的去除是通過化學(xué)和機(jī)械綜合作用,加工后的氮化鋁表面容易出現(xiàn)微裂紋,產(chǎn)生亞表面損傷。此外,在拋光工藝中,研磨液易造成污染,需要專門工藝處理,并且磨料容易對拋光墊造成磨損,需要定期對拋光墊修正。目前,用于氮化鋁的磨料、拋光墊種類、拋光工藝不如碳化硅成熟,有待進(jìn)一步深入研究。


研磨拋光技術(shù)在集成電路芯片的制作中具有重要作用,針對高端研磨拋光相關(guān)的技術(shù)、材料、設(shè)備、市場等方面的問題,中國粉體網(wǎng)將于2025年4月16日河南鄭州舉辦2025第二屆高端研磨拋光材料技術(shù)大會。屆時,國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院副教授熊玉朋將作題為《大尺寸氮化鋁晶圓表面超精密加工技術(shù)》的報告,報告將圍繞大尺寸單晶氮化鋁的加工難題,介紹基于化學(xué)機(jī)械拋光的大尺寸氮化鋁晶圓表面超精密加工的創(chuàng)新解決方案。


專家簡介:


 


熊玉朋,男,工學(xué)博士,國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院裝備狀態(tài)感知與敏捷保障國家重點實驗室副教授,智能裝備精密工程研究室主任,南湖之光實驗室高能激光技術(shù)部副部長,具有光學(xué)工程與機(jī)械工程的交叉學(xué)科背景,主要是從事復(fù)雜曲面光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計、硬脆材料超精密加工技術(shù)的研究,作為項目負(fù)責(zé)人承擔(dān)省部級以上項目9項,項目總經(jīng)費約900萬元,作為項目執(zhí)行人負(fù)責(zé)基礎(chǔ)加強重點項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃等項目,項目總經(jīng)費3000萬元,以第一作者或通訊作者身份發(fā)表SCI論文20余篇,申報國家發(fā)明專利20余項,在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議上作學(xué)術(shù)報告6次。


參考來源:

[1] 人工晶體學(xué)報

[2] 潘飛等,氮化鋁陶瓷的超精密加工研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

[3] 孟凡寧等,化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山林)

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