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ZnO光电功能薄膜材料的CMP研究

作　者: 张涛峰
导　师: 张楷亮
学　校: 天津理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 氧化锌薄膜化学机械平坦化表面粗糙度抛光速率抛光机理
分类号: TN304.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

Ⅱ-Ⅵ族半导体材料ZnO以其优异的性能在深紫外光电子、蓝光发光器件、激光器件、压电转换器和传感器等领域获得广泛应用,但常用的生长方法沉积的ZnO薄膜表面粗糙,某种程度上影响了上述器件的性能及进一步应用。如何通过IC兼容工艺技术获得高平坦面成为当前ZnO基器件的障碍之一。众所周知,化学机械全局平坦化(CMP)是亚微米器件的必须的、唯一的全局平坦化方法,近年来ZnO-CMP的工作开始引起关注。韩国Gupta课题组基于光电器件率先开展了ZnO-CMP研究,并获得了低粗糙度表面(约为6A),但是去除速率仅为67nm/min,无法满足半导体器件制作的效率需求。如何提高去除速率并同时获得高平坦化表面成为当前的关键技术难题之本论文以胶体二氧化硅为研磨料,使用6EC-nspire (Strasbaugh, Inc)抛光机台抛光4inch硅基氧化锌薄膜,优化了抛光液及工艺参数。通过台阶测试仪(Dektak150of Veeco Instments, Inc)和原子力显微镜(5600LS of Agilent Technologies, Inc)表征抛光前后薄膜厚度与表面形貌。研究结果如下：首先,优化了氧化锌薄膜抛光液的配制：(1)抛光液为酸性时去除速率明显比碱性时大,表面粗糙度随着pH值的增大(4→10)先增大后减小,当pH值为7时薄膜表面观察到了划痕而且表面粗糙度达到最大值6.3A。(2)抛光速率随着磨料浓度增大而增大,在磨料浓度为12wt%时抛光速率达到最大值115.5nm/min;浓度为4wt%时表面粗糙度达到最小值为5.5A。磨料粒径大小对抛光速率的影响也有同样的规律。其次,优化了氧化锌薄膜化学机械平坦化工艺参数：(1)抛光速率随着压力(P)的增大而增大,表面粗糙度不断减小,下压力为5psi时,抛光速率和表面粗糙度分别为165.1nm/min和1.9A。(2)抛光速率随着抛光盘转速(V)增大而增大,转速为80rpm时,抛光速率和表面粗糙度分别为126.9nm/min和4.5A。(3)抛光速率随着抛光液流量增大而增大,抛光液流量为400ml/min时,抛光速率和表面粗糙度为128.0nm/min和7.4A。最后,分别从机械和化学两个方面分析了抛光机理,完善泊松方程为：RR=KPV+Ro，其中R0代表纯化学反应(化学刻蚀)所导致的抛光速率,通过验证试验得出Ro=4.69nm/min。总之,本文优化了氧化锌薄膜化学机械平坦化抛光液及抛光工艺,对抛光机理进行了初步探索,并得到了高抛光速率和高平坦的表面。这就为后续制备基于氧化锌薄膜的光电器件奠定了基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-21
  1.1 化学机械平坦化技术的发展  10-16
    1.1.1 化学机械平坦化  10-11
    1.1.2 CMP在IC领域的应用、发展及面临的挑战  11-16
  1.2 光电功能材料氧化锌化学机械平坦化国内外研究状况  16-18
  1.3 本论文研究的目的和意义  18-19
  1.4 本论文的研究的思路与内容  19-21
    1.4.1 本论文的研究思路  19
    1.4.2 本论文研究的主要内容  19-21
第二章样品的制备与实验测试表征  21-29
  2.1 样品的制备——氧化锌薄膜的生长  21-25
    2.1.1 氧化锌薄膜的生长  21-22
    2.1.2 氧化锌薄膜表面形貌的表征  22-24
    2.1.3 氧化锌薄膜厚度的表征  24-25
  2.2 抛光液的配制  25-26
    2.2.1 抛光液磨料的选择及其性质  25-26
    2.2.2 抛光液配制方法  26
  2.3 氧化锌薄膜的CMP实验  26-29
第三章氧化锌薄膜抛光液的研究  29-41
  3.1 抛光液PH值对氧化锌薄膜抛光的影响  29-33
    3.1.1 抛光液pH值实验条件  29-30
    3.1.2 抛光液pH值对抛光速率及表面粗糙度的影响  30-33
  3.2 磨料粒径大小对抛光的影响  33-36
    3.2.1 不同磨料粒径实验条件  34
    3.2.2 不同磨料粒径对抛光的影响  34-36
  3.3 不同磨料浓度对抛光的影响  36-39
    3.3.1 不同磨料浓度对抛光的影响  37
    3.3.2 实验结果分析  37-39
  3.4 小结  39-41
第四章抛光工艺参数的研究  41-53
  4.1 下压力对氧化锌薄膜抛光的影响  41-44
    4.1.1 下压力抛光实验条件  41-42
    4.1.2 下压力工艺参数对抛光的影响  42-44
  4.2 抛光盘转速对氧化锌薄膜抛光的影响  44-47
    4.2.1 抛光盘转速实验条件  44-45
    4.2.2 抛光盘转速影响分析  45-47
  4.3 氧化锌薄膜化学机械平坦化机理研究  47-49
  4.4 不同的抛光液流量对氧化锌薄膜抛光的影响  49-51
    4.4.1 抛光液流量的实验条件  49
    4.4.2 抛光液流量对抛光影响分析  49-51
  4.5 小结  51-53
第五章总结与展望  53-54
参考文献  54-60
发表论文和科研情况说明  60-62
致谢  62-63

ZnO光电功能薄膜材料的CMP研究

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