本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體單晶材料襯底基片的表面處理技術(shù)，特別是一種單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制作方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體單晶氧化鎵(β-Ga₂O₃)材料擊穿場強高、禁帶寬度達(dá)4.9eV、與氮化鎵(GaN)的晶格失配率僅為8.5％，且兼具藍(lán)寶石(Al₂O₃)的透光性和碳化硅(SiC)的導(dǎo)電性等優(yōu)良特性，滿足發(fā)光二極管或激光二極管的垂直電流結(jié)構(gòu)對襯底材料高透明度和導(dǎo)電性的需求，使得氧化鎵(β-Ga₂O₃)成為代替藍(lán)寶石(Al₂O₃)和碳化硅(SiC)理想的氮化鎵同質(zhì)襯底材料。有利于突破氮化鎵(GaN)外延薄膜與襯底材料物理性能匹配方面缺陷的限制，促進(jìn)其在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用推廣。

高質(zhì)量的襯底表面不但有助于提高外延薄膜的生長效率，還可以有效提升外延薄膜的生長質(zhì)量，因此襯底基片表面結(jié)晶度和表面微結(jié)構(gòu)的規(guī)律控制變得越來越重要。并且不同材料的半導(dǎo)體，由于其物理性質(zhì)明顯不同，因此加工方法存在較大的區(qū)別。

而目前為止還沒有關(guān)于氧化鎵襯底基片化學(xué)機械拋光過后表面原子級結(jié)構(gòu)形態(tài)重建方法的相關(guān)報告。

因此，對于單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制作方法的研究，顯得尤為迫切！本發(fā)明鑒于此需求，經(jīng)大量退火實驗篩選，優(yōu)選出一種單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制作方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中，單晶氧化鎵襯底基片化學(xué)機械拋光后，沒有對襯底基片表面進(jìn)行原子級臺階結(jié)構(gòu)化處理，直接用于氮化鎵外延薄膜的生長，生長的效率和質(zhì)量難以進(jìn)一步提高，提出一種單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法。

技術(shù)方案：為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的主要技術(shù)方案為：

一種單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：單晶氧化鎵襯底基片的化學(xué)機械拋光處理

步驟2：超聲波清洗

依次使用丙酮，硫酸與雙氧水的混合溶液，去離子水，對單晶氧化鎵襯底基片表面進(jìn)行超聲波清洗，去除襯底基片表面的有機物、雜質(zhì)顆粒；

步驟3：超聲波清洗完成后，采用高純氮氣吹干襯底基片表面；

步驟4，將清洗吹干后的單晶氧化鎵襯底基片，按順序整齊平放于退火陶瓷承載盤上，將經(jīng)過化學(xué)機械拋光處理的光滑表面向上，并使各單晶氧化鎵襯底基片之間無重疊，關(guān)閉退火爐爐門，緩慢通入保護氣體氧氣，排除退火爐內(nèi)的空氣，確保退火在氧氣氛圍中進(jìn)行，結(jié)束后關(guān)閉導(dǎo)氣閥；

步驟5，分段升溫退火處理：第一階段將退火爐內(nèi)的溫度以不高于每小時200℃的速度升溫至300～600℃，保溫1.5～2h；第二階段將退火爐內(nèi)的溫度以不高于每小時130℃的速度將退火爐內(nèi)的溫度升溫至600～800℃，繼續(xù)保溫2～3h；第三階段將退火爐內(nèi)的溫度以不高于每小時100℃的速度將退火爐內(nèi)的溫度升溫至900～1000℃，再次保溫3～4h；第四階段將退火爐內(nèi)的溫度以每小時15～20℃的速度將退火爐內(nèi)的溫度升溫至1100～1200℃，轉(zhuǎn)入最終成形退火保溫狀態(tài)，保溫5～6h，使得襯底基片表面材料生成規(guī)則間隔和臺階結(jié)構(gòu)排列；每次升溫過程持續(xù)均勻，增強并促進(jìn)化學(xué)機械拋光處理后的襯底基片表面材料遷移；

步驟6：表面結(jié)構(gòu)成形退火完成后，以每小時10～20℃降溫至室溫，出爐。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟1中單晶氧化鎵襯底基片為浮法生長的(100)晶面，且經(jīng)30～120min的化學(xué)機械拋光處理，加工表面完整、無解理缺陷，使用VK-X100/X200形狀測量激光顯微鏡檢測5×5μm平面區(qū)域內(nèi)表面粗糙度Ra＜1nm。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟1中化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)處理在Unipol-1502精密拋光機上進(jìn)行，采用網(wǎng)格型無磨料聚氨酯拋光墊和自制抗解理拋光液。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟1中化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)拋光壓力350g/cm²，拋光盤轉(zhuǎn)速為60r/min，拋光液流量為20ml/min。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟1中化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)抗解理拋光液的成分配置為納米級硅溶膠40％～50％，納米級輔助混合磨料3％～5％，pH值調(diào)節(jié)劑0.5％～3％，表面活性劑2％～3％，絡(luò)合劑：1％～2％，消泡劑：0.01％～0.02％，殺菌劑0.01％～0.02％，助清洗劑：0.01％～0.05％，其余的為去離子水。其中納米級硅溶膠粒徑為10～15nm，二氧化硅膠團顆粒粒徑≤50nm；納米級輔助混合磨料為氧化鈰，磨料粒徑≤50nm；抗解理拋光液pH值為11±0.5。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟2中硫酸與雙氧水的混合溶液的配置方法為：按體積比為1:4:1取去離子水，硫酸和雙氧水混合制成，其中硫酸的體積濃度為95％，雙氧水的體積濃度為30％。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟2中丙酮超聲波清洗溫度為40～60℃，硫酸與雙氧水的混合溶液超聲波清洗溫度為35～50℃，去離子水超聲波清洗溫度為25～40℃。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟2中丙酮超聲波清洗時間為10～15min，硫酸與雙氧水的混合溶液超聲波清洗時間為10～15min，去離子水超聲波清洗時間為5min，所述清洗均采用定時方式。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟2中清洗液液面至少高于振動子表面100mm，且所清洗的單晶氧化鎵襯底基片組其總的橫截面積不得超過超聲槽橫截面積的70％。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟4中的氧氣氛圍，可以有效抑制襯底基片表面材料內(nèi)部氧空位的產(chǎn)生，氧空位的大量產(chǎn)生會對晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成很大影響。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟5中退火爐內(nèi)的溫度第一階段升溫至600℃，保溫1.5～2h；第二階段升溫至800℃，繼續(xù)保溫2～3h；第三階段升溫至1000℃，再次保溫3～4h；第四階段升溫至1100℃，保溫5～6h。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟5中退火爐內(nèi)溫度先以3℃/min的速度升溫至600℃；然后以2℃/min的速度從600℃升至800℃；再以1.5℃/min的速度從800℃升至1000℃；最后以0.25℃/min的速度從1000℃升至最終溫度1100℃。

作為優(yōu)選方案，以上所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟6中退火爐以20℃/h的速度降溫至室溫。

本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點：

(1)本發(fā)明提供的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制作方法，在不增加襯底基片化學(xué)機械拋光表面的粗糙度的基礎(chǔ)上，成功的在襯底基片表面制作出原子級臺階結(jié)構(gòu)，可有效改善襯底基片的表面形貌。

(2)本發(fā)明方法制作的具有原子級臺階結(jié)構(gòu)的襯底基片表面，有利于進(jìn)一步提高其表面氮化鎵薄膜外延生長的質(zhì)量和效率。

(3)本發(fā)明方法制作過程中的通過大量實驗優(yōu)選分段升溫的條件和退火處理的條件，可釋放襯底表面的殘余的應(yīng)力，大大提升襯底基片的表面質(zhì)量。

(4)本發(fā)明所涉及的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制作方法，工藝簡單、易操作、可重復(fù)性好，可實現(xiàn)襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的低成本批量生產(chǎn)制作，經(jīng)濟價值明顯。

使用原子力顯微鏡AFM對樣品基片500nm×500nm區(qū)域進(jìn)行掃描檢測，本發(fā)明所述的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，成功在襯底基片表面制備了原子級臺階結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)平均臺階高度為0.57nm，平滑臺面寬度為106nm，其中定向角約為0.308度，取得了非常好的技術(shù)效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明經(jīng)化學(xué)機械拋光處理的光滑表面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明方法加工制得的單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

實施例1

一種單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟：

步驟1：取單晶氧化鎵襯底基片在Unipol-1502精密拋光機上進(jìn)行加工處理，采用網(wǎng)格型無磨料聚氨酯拋光墊和自制抗解理拋光液?；瘜W(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)拋光壓力350g/cm²，拋光盤轉(zhuǎn)速為60r/min，拋光液流量為20ml/min。

化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)抗解理拋光液的成分配置為納米級硅溶膠40％，納米級輔助混合磨料3％，pH值調(diào)節(jié)劑0.5％，表面活性劑2％，絡(luò)合劑：1％，消泡劑：0.01％，殺菌劑0.01％，助清洗劑：0.01％，其余的為去離子水。其中納米級硅溶膠粒徑為10～15nm，二氧化硅膠團顆粒粒徑≤50nm；納米級輔助混合磨料為氧化鈰，磨料粒徑≤50nm；抗解理拋光液pH值為11。

步驟2：使用丙酮溶液超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片15min，清洗溫度控制在60℃；再使用硫酸與雙氧水的配比溶液超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片15min，配比溶液各成分的配置比例為去離子水:硫酸:雙氧水＝1:4:1，其中硫酸的體積濃度為95％，雙氧水的體積濃度為30％，清洗溫度控制在40℃；最后，使用去離子水超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片5min，清洗溫度控制在40℃。

步驟3：采用高純氮氣(N₂)吹干襯底基片表面；

步驟4：將清洗吹干后的單晶氧化鎵襯底基片，按順序整齊平放于退火陶瓷承載盤上，經(jīng)化學(xué)機械拋光處理的光滑表面向上(如圖1所示)，并使各襯底基片之間無重疊，關(guān)閉退火爐爐門，緩慢通入保護氣體氧氣，排除退火爐內(nèi)的空氣，確保退火在氧氣氛圍中進(jìn)行，結(jié)束后關(guān)閉導(dǎo)氣閥；

步驟5：單晶氧化鎵襯底基片的分段升溫退火處理。第一階段將退火爐內(nèi)的溫度以3℃/min的速度升溫至600℃，保溫2h，升溫過程要求持續(xù)均勻；第二階段將退火爐內(nèi)的溫度以2℃/min的速度升溫至800℃，繼續(xù)保溫3h，升溫過程要求持續(xù)均勻；第三階段將退火爐內(nèi)的溫度以1.5℃/min的速度升溫至1000℃，再次保溫4h，升溫過程要求持續(xù)均勻。第四階段將退火爐內(nèi)的溫度以0.25℃/min的速度升溫至1100℃，轉(zhuǎn)入最終成形退火保溫狀態(tài)，保溫6h。使得襯底基片表面材料生成規(guī)則間隔和臺階結(jié)構(gòu)排列；每次升溫過程持續(xù)均勻，增強并促進(jìn)化學(xué)機械拋光處理后的襯底基片表面材料遷移；

步驟6：表面結(jié)構(gòu)成形退火完成后，以每小時10℃降溫至室溫，出爐。

使用原子力顯微鏡AFM對樣品基片500nm×500nm區(qū)域內(nèi)的表面形貌進(jìn)行掃描檢測分析，可以在襯底基片表面觀察到明顯的原子級臺階結(jié)構(gòu)，該原子級臺階結(jié)構(gòu)的臺階高度為0.53nm，平滑臺面寬度為102nm，其中定向角約為0.298度。如圖2所示。

實施例2

一種單晶氧化鎵襯底基片表面原子級臺階結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟：

步驟1：取單晶氧化鎵襯底基片在Unipol-1502精密拋光機上進(jìn)行，采用網(wǎng)格型無磨料聚氨酯拋光墊和自制抗解理拋光液?；瘜W(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)拋光壓力350g/cm²，拋光盤轉(zhuǎn)速為60r/min，拋光液流量為20ml/min。化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)抗解理拋光液的成分配置為納米級硅溶膠50％，納米級輔助混合磨料5％，pH值調(diào)節(jié)劑3％，表面活性劑3％，絡(luò)合劑：2％，消泡劑：0.02％，殺菌劑0.02％，助清洗劑：0.05％，其余的為去離子水。其中納米級硅溶膠粒徑為15nm，二氧化硅膠團顆粒粒徑≤50nm；納米級輔助混合磨料為氧化鈰，磨料粒徑≤50nm；抗解理拋光液pH值為11。

步驟2：使用丙酮溶液超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片12min，清洗溫度控制在50℃；再使用硫酸與雙氧水的配比溶液超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片12min，配比溶液各成分的配置比例為去離子水:硫酸:雙氧水＝1:4:1，其中硫酸的體積濃度為95％，雙氧水的體積濃度為30％，清洗溫度控制在45℃；最后，使用去離子水超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片5min，清洗溫度控制在35℃。

步驟3：采用高純氮氣(N₂)吹干襯底基片表面。

步驟4：將清洗吹干后的單晶氧化鎵襯底基片，按順序整齊平放于退火陶瓷承載盤上，經(jīng)化學(xué)機械拋光處理的光滑表面向上，各襯底基片之間無重疊，關(guān)閉退火爐爐門，緩慢通入保護氣體氧氣，排除退火爐內(nèi)的空氣，確保退火在氧氣氛圍中進(jìn)行，結(jié)束后關(guān)閉導(dǎo)氣閥。

步驟5：單晶氧化鎵襯底基片的分段升溫退火處理。第一階段將退火爐內(nèi)的溫度以2.5℃/min的速度升溫至600℃，保溫1.5h，升溫過程要求持續(xù)均勻；第二階段將退火爐內(nèi)的溫度以1.5℃/min的速度升溫至800℃，繼續(xù)保溫2h，升溫過程要求持續(xù)均勻；第三階段將退火爐內(nèi)的溫度以1.5℃/min的速度升溫至1000℃，再次保溫3.5h，升溫過程要求持續(xù)均勻。第四階段將退火爐內(nèi)的溫度以0.5℃/min的速度升溫至1100℃，轉(zhuǎn)入最終成形退火保溫狀態(tài)，保溫5h。使得襯底基片表面材料生成規(guī)則間隔和臺階結(jié)構(gòu)排列；每次升溫過程持續(xù)均勻，增強并促進(jìn)化學(xué)機械拋光處理后的襯底基片表面材料遷移；

步驟6：表面結(jié)構(gòu)成形退火完成后，以每小時20℃降溫至室溫，出爐。

使用原子力顯微鏡AFM對樣品基片500nm×500nm區(qū)域內(nèi)的表面形貌進(jìn)行掃描檢測分析，可以在襯底基片表面觀察到明顯的原子級臺階結(jié)構(gòu)，該原子級臺階結(jié)構(gòu)的臺階高度為0.61nm，平滑臺面寬度為110nm，其中定向角約為0.317度。

實施例3對比實驗

步驟1：將實施例1經(jīng)過化學(xué)機械拋光處理后符合標(biāo)準(zhǔn)的單晶氧化鎵襯底基片，進(jìn)行清洗、吹干、裝爐，直接升溫至1100℃實施表面結(jié)構(gòu)成形退火。

步驟2：使用丙酮溶液超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片15min，清洗溫度控制在40℃；再使用硫酸與雙氧水的配比溶液超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片15min，配比溶液各成分的配置比例為去離子水:硫酸:雙氧水＝1:4:1，其中硫酸的體積濃度為95％，雙氧水的體積濃度為30％，清洗溫度控制在35℃；最后，使用去離子水超聲波清洗單晶氧化鎵襯底基片5min，清洗溫度控制在25℃。

步驟3：采用高純氮氣(N₂)吹干襯底基片表面。

步驟4：將清洗吹干后的單晶氧化鎵襯底基片，按順序整齊平放于退火陶瓷承載盤上，經(jīng)化學(xué)機械拋光處理的光滑表面向上，各襯底基片之間無重疊，關(guān)閉退火爐爐門，緩慢通入保護氣體氧氣，排除退火爐內(nèi)的空氣，確保退火在氧氣氛圍中進(jìn)行，結(jié)束后關(guān)閉導(dǎo)氣閥。

步驟5：單晶氧化鎵襯底基片退火處理。將退火爐內(nèi)的溫度以2℃/min的速度直接升溫至1100℃，然后轉(zhuǎn)入最終成形退火保溫狀態(tài)，保溫5h，升溫過程要求持續(xù)均勻；

步驟6：表面結(jié)構(gòu)成形退火完成后，以每小時10℃降溫至室溫，出爐。

對比實驗結(jié)果：使用原子力顯微鏡AFM對樣品基片500nm×500nm區(qū)域內(nèi)的表面形貌進(jìn)行掃描檢測分析，只能在襯底基片表面觀察到輕微的臺階，說明存在分子的擴散遷移，但襯底基片表面材料沒有生成規(guī)則間隔和臺階結(jié)構(gòu)排列，由于對比實驗實施例3未采用分段升溫，表面原子級臺階結(jié)構(gòu)成形退火效果較差。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。