β-Ga₂O₃（010）晶圆化学机械抛光（CMP）工艺优化及亚表面损伤消除研究

作者及发表信息
本研究由宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室（Robert M. Lavelle等）联合材料科学与工程系、电气工程系团队完成，发表于期刊 Materials Science in Semiconductor Processing 2025年第190卷，题为 *Chemical-mechanical polishing improvements and subsurface damage elimination for CZ grown (010) β-Ga₂O₃ substrates*。

学术背景
β-Ga₂O₃作为超宽禁带半导体（Ultrawide Bandgap, UWBG），因其4.85 eV的禁带宽度、8 MV/cm的理论临界电场及良好的n型掺杂特性，成为下一代高功率器件的候选材料。相较于其他UWBG材料，β-Ga₂O₃可通过熔体法（如提拉法CZochralski, CZ）生长大尺寸单晶，但（010）晶向基片的加工面临挑战：其单斜晶系低对称性导致加工过程中易产生亚表面损伤（Subsurface Damage, SSD），影响外延层质量。此前，（010）β-Ga₂O₃基片的化学机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing, CMP）工艺多采用碱性胶体二氧化硅（pH ~10）和低压（≤1.5 psi）条件，但存在SSD残留、材料去除率（Material Removal Rate, MRR）低等问题。本研究旨在开发一种“优化低pH CMP工艺”，以消除SSD并提升制造效率。

研究流程
1. 基线工艺评估
- 对象：12片25 mm直径CZ生长（010）β-Ga₂O₃晶圆。
- 步骤：
- 背面粗抛：使用1–3 μm金刚石浆料（11.72 kPa压力）去除25 μm材料。
- 正面中抛：同浆料去除75 μm材料。
- 最终CMP：碱性胶体二氧化硅（pH ~10）抛光，压力10.34 kPa。
- 表征：高分辨X射线衍射（HRXRD）显示（020）晶面摇摆曲线（XRC）半高宽（FWHM）存在各向异性，平行于（100）晶面的FWHM较高（~65 arcsec），表明SSD残留。预外延表面评估（Pre-Epi Surface Evaluation）通过850°C氧环境热处理模拟外延初始阶段，SEM显示随机分布的划痕和沿（001）解理面的损伤。

1. 工艺优化开发

   • 参数筛选：系统评估抛光垫（孔隙率/硬度）、浆料pH（4 vs. 10）、压力（3.45–20.68 kPa）等。
     
   • 关键改进：
     
     • 酸性浆料（pH ~4）：促进Ga³⁺溶解（反应式：Ga₂O₃ + 6H⁺ → 2Ga³⁺ + 3H₂O），提升MRR至0.8 μm/h（碱性浆料的2倍）。
       
     • 高压缩性多孔垫（Poromeric Pad）：在20.68 kPa高压下仍能平衡机械与化学作用，消除划痕。
       
     • 两步抛光：先用3.0 psi（20.68 kPa）去除5 μm损伤层，再以1.5 psi（10.34 kPa）精抛2小时。
       

2. 规模化验证

   • 对象：4组50 mm直径CZ（010）晶圆（含不同掺杂浓度批次）。
     
   • 结果：AFM显示表面粗糙度（Sq）降至0.1 nm，为目前报道最低值；HRXRD显示FWHM各向异性消失，最小值<30 arcsec。
     

主要结果
1. SSD消除机制：酸性浆料与高压多孔垫协同作用，通过增强化学蚀刻和均匀机械载荷，彻底消除沿（001）晶面的塑性变形（图6 SEM验证）。
2. 工艺效率：优化工艺将抛光周期缩短30小时，适用于50 mm晶圆量产。
3. 晶体质量：XRC低角度尾峰（FW(0.001)M）分析表明，SSD导致的晶格畸变减少>100%（表2）。

结论与价值
本研究通过“低pH高压CMP工艺”解决了（010）β-Ga₂O₃基片的SSD问题，将制造就绪水平（Manufacturing Readiness Level, MRL）提升至7级（生产代表环境验证）。其科学价值在于揭示了单斜晶系材料CMP中各向异性损伤的成因；应用价值为功率器件外延提供了原子级平整基片，推动β-Ga₂O₃器件商业化。

研究亮点
1. 创新方法：首次将酸性浆料（pH ~4）与多孔垫高压抛光结合，突破传统低压限制。
2. 表征技术：开发“预外延表面评估”法，通过热蚀刻显化SSD，弥补AFM/WLI的局限性。
3. 工程意义：工艺可扩展至50 mm晶圆，为CZ法生长（010）β-Ga₂O₃的产业化奠定基础。

其他发现
研究还指出，残余低角度晶界（LAGB）可能源自晶体生长（图8 XRC肩峰），需进一步优化CZ工艺。