一种针对块状半导体侧面及边缘的化学机械抛光方法

本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种针对块状半导体侧面及边缘的化学机械抛光方法。

背景技术：

1、碳化硅、氮化镓、硅基块状衬底是功率电子器件的核心材料，钙钛矿、碲化镉、碲锌镉则是光伏、红外探测领域的关键基材，这类块状半导体的侧面及边缘抛光质量直接决定器件的性能与良率。

2、化学机械抛光（cmp）是实现其精密加工的核心工艺，但现有技术针对这类半导体材料的抛光存在诸多缺陷，具体如下：

3、（1）抛光效率低下：现有侧面抛光技术多为单片抛光模式，对于需大规模制备的钙钛矿光伏基材、碲锌镉探测基材等，单批次仅能处理一片样品，设备稼动率低，无法满足产业化批量加工的要求。

4、（2）手动磨抛导致产品质量失控且工艺适用范围受限：碳化硅、氮化镓等硬质块状半导体硬脆易产生崩边缺口，钙钛矿、碲化镉、碲锌镉等软脆块状半导体则易出现微裂纹、晶型损伤，这类缺陷均需人工磨抛处理。该方式不仅耗费大量人力、效率低下，还易造成抛光角度与深度不规则，既导致硅基衬底表面粗糙度超标，也无法同时适配硬质与软脆半导体的加工特性，大幅降低各类块状半导体产品的良率，还限制了抛光工艺的材料适用范围。

5、（3）传统夹具适配性与耐久性不足：抛光夹具多为金属质地，在酸性（如钙钛矿抛光草酸体系）或碱性（如氮化镓抛光氨水体系）环境下易腐蚀生锈，会污染抛光液与半导体表面，且金属夹具笨重，对碲锌镉等易碎材料的夹持操作难度大，使用寿命也较短。

6、（4）单一抛光工艺存在性能缺陷：机械抛光虽去除速率快，但会给碳化硅、硅基衬底造成严重表面划痕；单纯化学机械抛光时，抛光液中的氧化剂会长时间浸泡钙钛矿晶界、碲化镉浅表层，引发扩散污染，破坏材料光电性能。

7、（5）抛光液使用成本居高不下：传统抛光采用向整张抛光垫抛洒抛光液的方式，针对不同尺寸的氮化镓、碲锌镉样品，均需润湿整张抛光垫，大量抛光液浪费在非加工区域，推高了产业化加工成本。

8、cn117245457a公开了一种衬底的抛光方法，采用机械抛光和化学机械抛光的组合方法，对衬底边缘进行粗糙度小于10 nm的机械抛光，随后使用酸性或碱性抛光液进行粗抛和精抛，确保边缘表面粗糙度小于0.1 nm，去除损伤层和缺陷。然而，该方案仅适配圆形晶圆单边缘加工，不可批量同步处理块状半导体全部侧面与边缘，全域喷淋抛光液耗材浪费严重，金属夹具易污染软脆碲锌镉晶体，仍无法实现多片块状半导体侧面、边缘一体化低损伤批量抛光。

9、cn113172483a公开了一种中心供液化学机械抛光半导体材料的加工方法及其装置，采用中心供液化学机械抛光方法，通过控制抛光液压力和工具载荷，结合固结磨料、小磨头和盘式流体动压抛光技术，实现半导体工件的减薄、半精抛光和超精密抛光，分别使用固结磨料磨抛垫、不含磨料的多孔材料和流体动压抛光盘，调节液膜压力和速度分布以去除材料。然而，该方案仅用于晶片正面平面抛光，缺少棱角定向抛光的角度调节夹具，边缘抛光液供给不足、去除均匀性差，无缓冲夹持结构极易造成碲锌镉崩裂，仍无法实现对块状半导体多侧面、多边缘的同步批量抛光。

10、因此，针对碳化硅、氮化镓、硅基块状衬底及钙钛矿、碲化镉、碲锌镉等块状半导体侧面及边缘化学机械抛光的技术痛点，亟待开发针对块状半导体侧面及边缘的新型化学机械抛光方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种针对块状半导体侧面及边缘的化学机械抛光方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种针对块状半导体侧面及边缘的化学机械抛光方法，具体包括以下步骤：

4、s1：将待抛光的块状半导体稳固夹持在夹具内，并将至少一个夹具与抛光盘连接；

5、s2：调整夹具与抛光盘的夹角至侧面抛光状态或边缘抛光状态；

6、s3：将粗抛抛光液导入抛光机，对块状半导体的侧面或边缘进行机械粗抛；

7、s4：将细抛抛光液导入抛光机，对块状半导体的侧面或边缘进行化学机械细抛；

8、s5：取下块状半导体，重复s1~s4的操作，对块状半导体的其他侧面和边缘进行化学机械抛光。

9、进一步地，步骤s1中，所述夹具具体包括壳体，设于壳体内的第一限位片、第二限位片，以及设于壳体外壁上的抛光液软管。

10、更进一步地，所述壳体采用聚氟乙烯等耐酸碱材料制成，可适配酸性、碱性抛光环境，解决了传统金属夹具腐蚀生锈的问题，且质地轻便、操作灵活，能适配各类块状半导体的夹持需求，延长了夹具使用寿命，降低设备维护成本。

11、更进一步地，所述第一限位片通过可调节螺钉与壳体的顶面连接，用于对块状半导体的顶部进行限位。

12、更进一步地，所述第二限位片通过可调节螺钉与壳体的其中一侧壁连接，用于对块状半导体的对应侧面进行限位。

13、更进一步地，所述第一限位片、第二限位片以及壳体的另一侧壁与块状半导体接触的一面均连接有橡胶垫片。氟橡胶垫片的缓冲设计可有效避免碳化硅、氮化镓硬脆材料崩边，以及钙钛矿软脆材料产生微裂纹。

14、进一步地，所述壳体的两侧外壁均设有抛光液软管。

15、更进一步地，所述抛光液软管通过壳体的若干凸起卡槽固定。

16、更进一步地，所述抛光液软管的一端与抛光机的抛光液喷洒控制系统相连。

17、进一步地，步骤s1中，所述夹具通过角度调节螺钉与抛光盘上的定位架连接，以实现夹具与抛光盘夹角的调节。

18、更进一步地，侧面抛光状态时，所述夹具与抛光盘之间的夹角为180°。

19、更进一步地，边缘抛光状态时，所述夹具与抛光盘之间的夹角为30-60°。

20、进一步地，步骤s1中，所述夹具在抛光盘上均匀分布。

21、更进一步地，侧面抛光状态时，各夹具中块状半导体样品外露的高度差△h≤0.5mm。

22、更进一步地，边缘抛光状态时，各夹具的旋转角度差△θ≤5°。

23、进一步地，步骤s3中，所述粗抛抛光液为磨料颗粒水溶液，磨料颗粒的浓度为5-15wt%。

24、更进一步地，所述磨料颗粒为三氧化二铝、二氧化硅、金刚石、氧化镁、氧化铈中的一种或多种。

25、更进一步地，所述磨料颗粒的粒径范围为1-5μm。

26、进一步地，步骤s3中，所述机械粗抛的抛光压力为80-120g/cm2。

27、进一步地，步骤s3中，所述机械粗抛的抛光盘转速为50-100r/min。

28、进一步地，步骤s3中，所述机械粗抛的抛光时间为15-30分钟。

29、进一步地，步骤s4中，所述细抛抛光液由以下质量百分比的原料组成：磨料颗粒6-12wt%，过氧化氢0.4-2wt%，次氯酸钠 0.5-1.5wt%，分散剂0.3-1wt%，络合剂0.4-1.2wt%。

30、更进一步地，所述磨料颗粒为三氧化二铝、二氧化硅、金刚石、氧化镁、氧化铈中的一种或多种，磨料颗粒的粒径范围为1-5μm。

31、更进一步地，所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、曲拉通 tx-100中的一种或多种。

32、更进一步地，所述络合剂为苹果酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸中的一种或多种。

33、更进一步地，所述细抛抛光液的ph值有酸性和碱性两种类型，通过弱酸或弱碱性溶液分别调整ph值到4-6或8-10。

34、更进一步地，所述弱碱为氨水或碳酸钠。

35、进一步地，步骤s4中，所述化学机械细抛的抛光压力为80-120g/cm2。

36、进一步地，步骤s4中，所述化学机械细抛的抛光盘转速为50-100r/min。

37、进一步地，步骤s4中，所述化学机械细抛的抛光时间为2-5分钟。

38、与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

39、（1）本发明采用特制的夹具可单次实现多片块状半导体样品的同步磨抛，突破了传统单片抛光模式的限制，大幅提升了碳化硅、钙钛矿等材料产业化加工的效率；且通过改变夹具与抛光盘的角度可以实现对材料侧面或边缘的选择性抛光。本发明进一步通过机械抛光与短时间化学机械抛光的二步工艺，既保证了材料去除速率，又避免了氧化剂长时间浸泡导致的碲化镉、碲锌镉浅表层扩散污染，同时让硅基衬底获得优异的表面平整度，有效提升产品良率与材料光电、机械性能。

40、（2）本发明的夹具采用聚氟乙烯整体一次成型制备夹具外壳，搭配氟橡胶垫片实现缓冲夹持，同时通过内六角螺钉调节限位片位置，适配不同尺寸的块状半导体样品；利用十字螺钉调节夹具与定位架的夹角，可以满足侧面与边缘抛光的不同角度需求。

41、（3）本发明通过夹具实现多片块状半导体的同步装夹，严格控制侧面磨抛时样品外露高度差△h≤0.5 mm、边缘磨抛时夹具旋转角度差△θ≤5°，保证抛光均匀性。

42、（4）本发明先采用氧化铝磨料与去离子水配制的粗抛液进行机械抛光，再在粗抛液基础上添加氧化剂、络合剂等配制细抛液，控制化学机械抛光时间在5分钟内，兼顾材料去除速率与表面质量。

43、（5）本发明借助夹具自带的氟橡胶软管可将抛光液仅喷淋在样品待加工区域，无需润湿整张抛光垫，有效避免了抛光液浪费，显著节省碳化硅、氮化镓等材料抛光的耗材成本；同时连接抛光机喷洒控制系统可以实现抛光液的自动化供给。