GaN晶片芬頓反應(yīng)化學(xué)機(jī)械拋光液組分優(yōu)化＊

嚴(yán)杰文，路家斌，黃銀黎，潘繼生，閻秋生

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,廣州 510006）

（2.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院,廣州 510663）

化學(xué)機(jī)械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）是半導(dǎo)體加工過(guò)程中一種常見(jiàn)的加工方式，其是通過(guò)加工表面的化學(xué)反應(yīng)以及磨粒機(jī)械切削的共同作用來(lái)完成工件表面材料的微量去除[1-2]。芬頓反應(yīng)是利用化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中生成的羥基自由基（·OH）作為氧化劑來(lái)氧化被加工材料的，這種氧化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于污水處理、重金屬絡(luò)合物降解等環(huán)保工程[3-4]。學(xué)者借助芬頓反應(yīng)過(guò)程的強(qiáng)氧化特性，利用羥基自由基（·OH）這種具有較強(qiáng)氧化特性的官能團(tuán)，對(duì)化學(xué)穩(wěn)定性好、加工難度大的硬脆材料加工開展研究，促進(jìn)工件被加工表面腐蝕效應(yīng)層的生成，提高工件表面的加工效果。KUBOTA 等[5]利用H2O2溶液，用鐵作為催化劑對(duì)4H-SiC進(jìn)行氧化腐蝕探索試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與鐵棒接觸的4H-SiC 表面發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象，證明芬頓反應(yīng)促進(jìn)了SiC 表面的氧化。MURATA 等[6]利用固體聚合物電解質(zhì)SPE 產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）對(duì)GaN 表面進(jìn)行氧化，KOH 浸漬電解10 min 后氧化深度達(dá)到80 nm，并觀察到多孔且粗糙的表面結(jié)構(gòu)，使用CeO2顆粒拋光后得到光滑的GaN 表面。OU 等[7]利用紫外光照射光化學(xué)組合機(jī)械拋光N 型GaN 晶片，使用H2O2拋光液（pH=1.5～13.5）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SiO2磨料有效清除晶片表面/亞表面損傷，其材料去除率達(dá)到254.7 nm/h，最低表面粗糙度達(dá)到0.76 nm。閻秋生等[8-10]利用芬頓反應(yīng)原理對(duì)6H-SiC 晶片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光研究，獲得材料去除率為154.1 nm/h，表面粗糙度為0.18 nm 的光滑表面。

GaN 材料為第三代半導(dǎo)體晶圓基材，在產(chǎn)業(yè)中有著良好的應(yīng)用前景。GaN 晶片材料具有優(yōu)異的物理特性，材料熔點(diǎn)高、耐腐蝕、禁帶寬、低介電常數(shù)，且具有高擊穿電場(chǎng)和高電子遷移率，廣泛應(yīng)用于微電子器件及光電子器件等領(lǐng)域的高頻高功率器件的制作。正是由于GaN 材料具有穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，既耐酸又耐堿，其精密拋光過(guò)程難度大，學(xué)者們才探索不同的加工方式，以提高GaN 材料的加工質(zhì)量?；瘜W(xué)機(jī)械拋光是目前半導(dǎo)體行業(yè)主要的精密拋光方式，而僅通過(guò)調(diào)節(jié)pH 值來(lái)提高化學(xué)機(jī)械拋光效果很有限。精密拋光利用芬頓反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性官能團(tuán)能氧化材料表面，可有效促進(jìn)化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程表面質(zhì)量的提高。基于芬頓反應(yīng)原理以及利用芬頓反應(yīng)研究SiC 晶片加工效果[8-9]，探索利用芬頓反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性羥基自由基（·OH）促進(jìn)GaN 晶片化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)程的方式，提高GaN 晶片表面加工質(zhì)量。芬頓反應(yīng)CMP 拋光GaN 晶片試驗(yàn)以晶片表面質(zhì)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，重在優(yōu)化拋光液組分及參數(shù)，通過(guò)研究H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、催化劑種類、磨料種類、磨料粒徑、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)，尋找芬頓反應(yīng)CMP 拋光GaN 晶片的拋光液組分優(yōu)化配比，不斷提高GaN 晶片的加工質(zhì)量。

1 GaN晶片芬頓反應(yīng)CMP 拋光試驗(yàn)原理

GaN晶片芬頓反應(yīng)CMP 的基本原理是利用芬頓反應(yīng)過(guò)程中生成的羥基自由基（·OH）的強(qiáng)氧化性將難腐蝕的GaN 氧化分解成相應(yīng)氧化物，其反應(yīng)方程如式（1）～式（3）所示：首先亞鐵離子（Fe2+）與過(guò)氧化氫（H2O2）反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基（·OH）和三價(jià)鐵離子（Fe3+）；其次，羥基自由基（·OH）將GaN 氧化生成Ga2O3；最后，三價(jià)鐵離子（Fe3+）和H2O2又被還原成Fe2+和氫過(guò)氧自由基（·OOH），可以保證Fe2+的再生，F(xiàn)e2+在反應(yīng)過(guò)程中起到催化劑的作用，使反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行，不斷生成羥基自由基（·OH）。

生成的氧化產(chǎn)物Ga2O3雖然不溶于水，但其硬度明顯低于GaN 的，其莫氏硬度約為6.5，易被機(jī)械切削去除。GaN晶片芬頓反應(yīng)CMP 拋光參數(shù)試驗(yàn)選用的芬頓反應(yīng)溶液由氧化劑（H2O2）、催化劑（Fe3O4粉末/FeSO4溶液）、磨料（硅溶膠/氧化鋁/氧化鈰）、基液（去離子水）組成。拋光試驗(yàn)采用LGP-15S 型超精密化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)床，將配置好的芬頓反應(yīng)拋光液用蠕動(dòng)泵輸送到拋光盤對(duì)GaN 晶片進(jìn)行拋光，如圖1所示。

圖1 芬頓反應(yīng)CMP 拋光試驗(yàn)裝置Fig.1 Fenton reaction CMP polishing experimental device

2 檢測(cè)方法及設(shè)備

試驗(yàn)用的GaN 晶片采用東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司的無(wú)摻雜GaN 晶片，晶片尺寸為10 mm×15 mm，厚度為（400±25） μm。GaN 晶片試驗(yàn)前表面采用平面研磨機(jī)（KD15B）研磨，研磨后的GaN 晶片表面粗糙度Ra約為10 nm。

試驗(yàn)采用的氧化劑(H2O2)純度為30.0%，無(wú)水乙醇純度為99.0%，廣東光華科技有限公司生產(chǎn)；FeSO4催化劑摩爾濃度為0.2 mol/L，廈門海標(biāo)科技有限公司生產(chǎn)；所用固體催化劑Fe3O4粉末，磨料（氧化鋁、氧化鈰、硅溶膠）為廣州市新稀冶金化工有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)前后均對(duì)GaN 晶片進(jìn)行酒精、去離子水超聲清洗5 min，然后空氣噴槍吹干。采用BRUKER Contour GT-X 白光干涉儀檢測(cè)晶片的表面粗糙度來(lái)評(píng)估其表面加工質(zhì)量。拋光前晶片表面形貌如圖2所示，表面粗糙度測(cè)量選取晶片的9 個(gè)位置點(diǎn)，取其平均值為晶片表面粗糙度最終結(jié)果。

圖2 GaN 晶片原始表面粗糙度Fig.2 Original surface roughness of GaN wafer

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 拋光液中H2O2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GaN 表面拋光加工效果的影響

基于芬頓反應(yīng)的氧化作用，H2O2是羥基自由基（·OH)產(chǎn)生的根源，H2O2在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接決定了化學(xué)反應(yīng)的程度。試驗(yàn)選取5 組H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)（2.5%，5.0%，7.5%，10.0%，12.5%）進(jìn)行CMP 拋光試驗(yàn)，拋光液在添加H2O2溶液后pH 保持在3.5。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。加工條件是：磨料是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%的硅溶膠，磨料粒徑為60 nm，拋光時(shí)間為60 min，拋光壓力為0.18 MPa，拋光轉(zhuǎn)速為40 r/min，拋光液流量為50 mL/min，催化劑是粒徑為60 nm 的Fe3O4粉末。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)H2O2 的CMP 拋光加工表面粗糙度Fig.3 Surface roughness of CMP polishing with different mass fractions of H2O2

從圖3 可以看出：隨著H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，加工表面的粗糙度先減小后增大；當(dāng)H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，表面粗糙度為3.9 nm；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到7.5%時(shí)，表面粗糙度最?。?.2 nm）；但當(dāng)H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大時(shí)，拋光后GaN 的表面粗糙度開始增大，當(dāng)H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，拋光后的表面粗糙度為3.4 nm。

氧化劑H2O2是化學(xué)反應(yīng)生成·OH 的來(lái)源，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響·OH 的生成。由式（1）可知，氧化劑H2O2的增多，有利于產(chǎn)生更多的·OH[10]。

CMP 拋光后工件表面粗糙度是由化學(xué)腐蝕和機(jī)械去除共同作用的結(jié)果。隨著氧化劑H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芬頓反應(yīng)生成的·OH 增多，并且H2O2顯酸性，本身也具有強(qiáng)氧化特性，在·OH 的共同作用下，GaN 晶片加工表面化學(xué)腐蝕作用加強(qiáng)，機(jī)械去除表面腐蝕層，表面粗糙度減小。而當(dāng)化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械去除作用時(shí)，由于表面腐蝕厚度的不均勻性，使得加工表面的表面粗糙度有所增大[8]。

化學(xué)機(jī)械拋光是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)與機(jī)械加工去除達(dá)到匹配時(shí)，即化學(xué)反應(yīng)生成的氧化層速度與機(jī)械去除速度一致時(shí)，表面粗糙度就表現(xiàn)出最好的狀態(tài)[9]。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)H2O2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5% 時(shí)，晶片加工表面質(zhì)量達(dá)到最佳。

3.2 催化劑對(duì)GaN 表面拋光加工效果的影響

催化劑是化學(xué)反應(yīng)催化進(jìn)程的有效調(diào)節(jié)劑。從式（1）～式（3）可以看出：芬頓反應(yīng)中Fe2+起到催化劑的作用，生成的Fe3+通過(guò)式（3）生成氫過(guò)氧自由基·OOH，·OOH 也具有氧化特性，但由于·OH 氧化性最強(qiáng)，因此在芬頓反應(yīng)中起主要氧化作用的是·OH。由式（1）可知：Fe2+離子濃度越高，生成的·OH 越多，加工表面的化學(xué)反應(yīng)速度越快，腐蝕作用將越強(qiáng)。

Fe2+可以通過(guò)2 種形式進(jìn)行添加：一種是能在溶液中電離生成Fe2+的固體催化劑粉末，另一種是含F(xiàn)e2+的亞鐵溶液。因此，選擇固體Fe3O4粉末和FeSO4溶液進(jìn)行CMP 試驗(yàn)，探究不同形態(tài)的催化劑對(duì)GaN 化學(xué)機(jī)械拋光加工表面質(zhì)量的影響。按照Fe3O4固體粉末的化學(xué)特性，F(xiàn)e3O4中Fe2+占比為1/3。芬頓反應(yīng)催化劑為Fe2+，為保證試驗(yàn)過(guò)程固液2 種催化劑中參與催化作用的Fe2+摩爾數(shù)相等，則溶液中催化劑的Fe2+數(shù)量就要一致。針對(duì)固體催化劑的催化效果，采用粒徑為20，60，100 nm的3 種催化劑進(jìn)行試驗(yàn)。催化劑拋光試驗(yàn)的結(jié)果如圖4所示。加工條件是：H2O2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，磨料是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%的硅溶膠，磨料粒徑為60 nm，拋光時(shí)間為60 min，拋光壓力為0.18 MPa，拋光轉(zhuǎn)速為40 r/min，拋光液流量為50 mL/min。

圖4 不同類型催化劑GaN 加工表面粗糙度Fig.4 Surface roughness of GaN under catalyst with different particle size

從圖4 可知：采用固體催化劑加工的表面粗糙度高于液體催化劑的；選用不同粒度的Fe3O4固體粉末催化劑時(shí)，粒徑越小，拋光效果越好；粒徑為100 nm 時(shí)，拋光面表面粗糙度3.6 nm；粒徑為60 nm 時(shí)，拋光面表面粗糙度為3.2 nm；粒徑為20 nm 時(shí)，拋光面表面粗糙度為3.0 nm；而采用液體FeSO4溶液時(shí)，表面粗糙度達(dá)到2.8 nm。

從式（1）可知Fe2+越多，芬頓反應(yīng)越強(qiáng)。采用FeSO4溶液作為催化劑時(shí)，溶液中Fe2+能夠快速參與反應(yīng)。但在整個(gè)芬頓反應(yīng)過(guò)程中，H2O2為反應(yīng)物，最終會(huì)消耗，在H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的環(huán)境下，F(xiàn)e2+催化反應(yīng)越強(qiáng)，H2O2消耗越快。因此，在將FeSO4溶液作為催化劑的拋光試驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)e2+快速與H2O2反應(yīng)生成·OH 促進(jìn)了表面的化學(xué)腐蝕作用，加工表面的粗糙度迅速減小。而H2O2被快速消耗后，后續(xù)拋光過(guò)程主要為機(jī)械加工作用。在持續(xù)1 h 的拋光加工過(guò)程中，需要持續(xù)的化學(xué)腐蝕作用，芬頓反應(yīng)速率可以通過(guò)溶液中的Fe2+濃度來(lái)控制。

在添加固體催化劑時(shí)，不改變拋光液pH 值，F(xiàn)e3O4為同時(shí)含有Fe2+、Fe3+的復(fù)雜離子晶體，其催化作用主要依靠固體粒子電離的Fe2+進(jìn)行，固體催化劑對(duì)芬頓反應(yīng)的催化效果與其電離Fe2+的能力緊密相關(guān)[9]。固體催化劑的電離是其與酸的接觸，生成Fe2+和Fe3+，固體催化劑粒子在反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)性電離Fe2+，并且催化劑粒子電離出來(lái)的Fe3+以及Fe2+參與芬頓反應(yīng)生成的Fe3+可以與H2O2反應(yīng)又生成Fe2+。在H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，固體催化劑對(duì)H2O2消耗減緩，即芬頓反應(yīng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。而固體催化劑粒子越小，固體粒子與溶液的接觸面積就越大，即粒子與溶液反應(yīng)生成的Fe2+相對(duì)就越多。因此，選擇粒徑小的固體催化劑粒子，拋光效果更好。

3.3 磨料種類對(duì)拋光表面效果的影響

在CMP 拋光試驗(yàn)中，磨料是拋光液機(jī)械加工過(guò)程表面切削作用的主要承擔(dān)者，而依據(jù)被加工材料的特性，不同磨料的加工效果存在較大差異。選用常用于SiC、藍(lán)寶石拋光加工試驗(yàn)的3 種磨料（硅溶膠、氧化鋁、氧化鈰）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。加工條件是：H2O2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%，磨料粒徑為60 nm，拋光時(shí)間為60 min，拋光壓力為0.18 MPa，拋光轉(zhuǎn)速為40 r/min，拋光液流量為50 mL/min，催化劑是粒徑為20 nm 的Fe3O4粉末。

從圖5 可以看出：采用硅溶膠拋光后的表面粗糙度可減小至3.3 nm，氧化鋁和氧化鈰磨料拋光后得到的表面粗糙度分別為8.2 nm，7.5 nm。GaN 材料化學(xué)特性穩(wěn)定、表面硬度大，在GaN 晶片的CMP 拋光試驗(yàn)中，芬頓反應(yīng)的強(qiáng)氧化特性使工件原始表面容易被強(qiáng)氧化劑腐蝕變軟，再通過(guò)磨粒的機(jī)械去除表面凸峰。從磨料硬度角度看：3 種磨料粒子中氧化鋁磨料的硬度最高，氧化鈰磨料的硬度次之，在拋光加工過(guò)程中，氧化鋁、氧化鈰磨料的銳邊對(duì)工件表面進(jìn)行切削，更容易去除表面材料，但獲得的表面質(zhì)量較差；軟質(zhì)的硅溶膠沒(méi)有棱角利刃，對(duì)工件表面的劃擦作用明顯小于其他2 類磨料粒子的，磨粒對(duì)工件表面的凸峰進(jìn)行緩慢微量去除，能獲得更好的拋光表面質(zhì)量。可見(jiàn)，對(duì)于GaN晶片的拋光，適宜采用硅溶膠磨料。

圖5 不同磨料GaN 加工表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of GaN under catalyst with different abrasives

3.4 磨料粒徑對(duì)拋光表面效果的影響

選用粒徑為60，100，120 nm 的3 組磨料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。加工條件：H2O2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，磨料是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%的硅溶膠，拋光時(shí)間為120 min，拋光壓力為0.18 MPa，拋光轉(zhuǎn)速為40 r/min，拋光液流量為50 mL/min，催化劑為粒徑20 nm 的Fe3O4粉末。

圖6 的結(jié)果表明：經(jīng)不同粒徑的硅溶膠拋光液拋光后，GaN 晶片工件表面粗糙度隨著磨料粒徑的變大而增大；當(dāng)磨料粒徑為60 nm 時(shí)，拋光表面粗糙度為1.5 nm；當(dāng)磨料粒徑為100 nm 時(shí)，表面粗糙度為2.6 nm；當(dāng)磨料粒徑為120 nm時(shí)，表面粗糙度為3.3 nm。

圖6 不同磨料粒徑GaN 加工表面粗糙度Fig.6 Surface roughness of GaN under catalyst with different abrasives size

芬頓反應(yīng)在表面形成的氧化層，使得表面更易加工，磨料的粒徑大小主要體現(xiàn)在磨料的材料去除能力上，大磨粒材料去除能力強(qiáng)一些，小磨粒材料去除能力弱一些。磨料粒徑小時(shí)，單顆磨粒與工件表面的接觸面小，對(duì)工件表面的劃擦作用小，磨粒在單次切削工件表面時(shí)去除表面的量小。磨料粒徑大時(shí)，單顆磨粒對(duì)工件表面的劃擦作用就會(huì)大，磨粒在單次切削工件表面時(shí)去除表面的量大，導(dǎo)致表面形成更大的凹坑，使得表面粗糙度更大。磨粒粒徑在增加到120 nm 時(shí)，表面粗糙度增幅明顯增大。因此，為獲得更好的表面質(zhì)量，磨料粒徑在60 nm 時(shí)較為適合。

3.5 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GaN 表面拋光加工效果的影響

拋光液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。加工條件是：H2O2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，磨料為硅溶膠，磨料粒徑為60 nm，拋光時(shí)間為120 min，拋光壓力為0.18 MPa，拋光轉(zhuǎn)速為40 r/min，拋光液流量為50 mL/min，催化劑為粒徑20 nm 的Fe3O4粉末。

圖7 不同磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)GaN 加工表面粗糙度Fig.7 Surface roughness of GaN under catalyst with different abrasive concentration

圖7 的結(jié)果表明：隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，GaN的表面粗糙度逐漸減小，在磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，晶片表面粗糙度為1.9 nm；當(dāng)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到20.0%時(shí)，拋光后表面粗糙度降至1.7 nm；當(dāng)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到30.0%時(shí)，拋光后表面粗糙度降至1.5 nm。

GaN 晶片加工表面粗糙度隨磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小。主要是因?yàn)楫?dāng)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，單位體積內(nèi)拋光液中與工件表面接觸加工的磨料數(shù)量越少，對(duì)氧化層的機(jī)械去除作用越弱，造成氧化層表面的缺陷未及時(shí)去除，表面粗糙度較大。隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，單位體積內(nèi)磨料數(shù)量增多，其去除作用增強(qiáng)，晶片表面的凸峰也被磨料切削平整，加工表面質(zhì)量變好。磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，表面粗糙度減小幅度減緩。磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到30.0%，表面粗糙度減小至1.5 nm。因此，為得到較好的表面加工質(zhì)量，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為30.0%。

3.6 最優(yōu)拋光液組分試驗(yàn)結(jié)果

利用上述優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)對(duì)GaN 晶片進(jìn)行芬頓反應(yīng)CMP 拋光加工試驗(yàn)。加工條件：H2O2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，催化劑為20 nm 的Fe3O4粉末，磨料粒徑為60 nm的硅溶膠，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.0%，拋光轉(zhuǎn)速為40 r/min，拋光壓力為0.18 MPa，拋光液流量為50 mL/min，拋光時(shí)間為120 min。

圖8 為拋光液組分優(yōu)化后，拋光工件的表面形貌圖，采用優(yōu)化后的拋光液參數(shù)加工表面質(zhì)量有了進(jìn)一步地改善，獲得了表面粗糙度Ra為 0.9 nm 的光滑表面。

圖8 優(yōu)化拋光液組分參數(shù)后拋光表面圖Fig.8 Polished surface topography after optimizing the composition parameters of the polishing liquid

4 結(jié)論

芬頓反應(yīng)能有效促進(jìn)GaN 晶片的表面腐蝕作用，通過(guò)芬頓反應(yīng)CMP 拋光液組分優(yōu)化試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）芬頓反應(yīng)化學(xué)作用生成的羥基自由基CMP拋光加工GaN 晶片，能有效腐蝕GaN 晶片表面并形成氧化層。當(dāng)H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，GaN 晶片加工表面效果最優(yōu)，表面粗糙度達(dá)到3.2 nm。

（2）催化劑可有效調(diào)節(jié)芬頓反應(yīng)速率，液體催化劑FeSO4溶液中Fe2+迅速與H2O2溶液發(fā)生反應(yīng)，H2O2溶液為最終消耗物。雖然拋光加工可獲得表面粗糙度為2.8 nm 的表面質(zhì)量，但液體催化劑起初反應(yīng)迅速，H2O2溶液也被快速消耗，后續(xù)拋光過(guò)程以機(jī)械作用為主。固體催化劑Fe3O4粉末可持續(xù)在溶液中電離出Fe2+，并且Fe3O4粉末的粒徑越小，粉末與溶液接觸的越好，電離的Fe2+越多。采用粒徑為20 nm 的Fe3O4粉末催化劑，工件表面粗糙度達(dá)到3.0 nm。

（3）采用優(yōu)化后的拋光液參數(shù)，即在H2O2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，催化劑為20 nm 的Fe3O4粉末，磨料為硅溶膠，磨料粒徑為60 nm，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.0%，拋光轉(zhuǎn)速為40 r/min，拋光壓力為0.18 MPa，拋光液流量為50 mL/min，拋光時(shí)間為120 min 時(shí)，可得到表面粗糙度為0.9 nm 的GaN 晶片加工表面。