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如何實(shí)現碳化硅晶圓的高效低損傷拋光?

文章出處:粉體圈網(wǎng)責任編輯:作者:小吉人氣:-發(fā)表時(shí)間:2022-08-15 17:33:00【

SiC晶型結構特點(diǎn)使得SiC材料具有較高硬度與化學(xué)穩定性,導致在拋光過(guò)程中材料去除率較低,因此探索基于化學(xué)機械拋光基本工藝的輔助增效手段,對于實(shí)現SiC材料產(chǎn)業(yè)化應用和推廣具有重要的意義。

化學(xué)機械拋光輔助增效技術(shù)材料去除機理本質(zhì)是通過(guò)輔助增效技術(shù)手段來(lái)控制SiC表面較軟氧化層的形成并從力學(xué)上改善SiC氧化層材料的去除方式。目前拋光中的輔助增效手段主要有等離子輔助、催化劑輔助、紫外光輔助和電場(chǎng)輔助。

01等離子輔助工藝

等離子輔助拋光(PlasmaAssistedPolishing,PAP)工藝是通過(guò)等離子將表面材料氧化為較軟的氧化層,同時(shí)仍依靠磨料摩擦磨損去除材料的一種輔助化學(xué)機械拋光。

其基本原理為:通過(guò)射頻發(fā)生器(RF)使反應氣體(如水蒸氣、O2等)產(chǎn)生含有自由基團(如OH自由基團、O自由基)的等離子體,具有較強氧化能力的自由基團對SiC材料表面氧化改性,獲得一層較軟的氧化層,然后利用軟磨料(如CeO2、Al2O3等)拋光去除該氧化層,使SiC材料表面達到原子級光滑面。

不過(guò)在PAP工藝過(guò)程中,SiC晶片表面處理是在電離出等離子體產(chǎn)生的活性自由基氧化軟化晶片表層基礎上用軟磨料進(jìn)行機械去除,故材料去除率(MaterialRemovalRate,MRR)不僅受活性自由基及氧化層生成速率較慢的影響,還受磨料軟質(zhì)性的影響,導致SiC晶片的MRR較低;另外,由于PAP工藝試驗設備價(jià)格和加工的費用較高,局限了PAP工藝加工SiC晶片的推廣。

02催化劑輔助工藝

催化劑輔助工藝的材料去除基本機理主要是在試劑催化作用下,在SiC表層反應生成硬度較軟的氧化層,利用磨料的機械去除作用去除氧化層,以獲得高質(zhì)量表面。

例如采用Fe3O4催化劑和H2O2氧化劑在以金剛石為磨料的化學(xué)機械拋光技術(shù)下進(jìn)行輔助,可獲得較理想粗糙度的表面。

03紫外光輔助工藝

紫外光催化反應是強氧化反應之一,其基本原理是利用光催化劑在紫外光的作用下和電子捕捉劑發(fā)生光催化反應,產(chǎn)生活性自由基(·OH)。由于OH自由基團的氧化性較強,使其在SiC表層發(fā)生氧化反應,生成一層較軟的SiO2氧化層,而被軟化的SiO2氧化層更容易被磨料拋光去除;另一方面,氧化層與晶片表面之間結合強度低于SiC晶片的內部結合強度,降低了磨料在拋光過(guò)程中的切削力,減小了在晶片表層上留下的劃痕深度,提高了表面加工質(zhì)量。

04電場(chǎng)輔助工藝

電化學(xué)機械拋光(ElectrochemicalMechanicalPolis-hing,ECMP)技術(shù)的基本原理是通過(guò)在傳統化學(xué)機械拋光處理時(shí),對拋光液施加直流電場(chǎng),在電化學(xué)氧化下,使得SiC拋光表面形成氧化層,氧化層的硬度顯著(zhù)降低,利用磨料將軟化后的氧化層進(jìn)行去除,實(shí)現高效的超精密加工處理。

采用這種方法時(shí),若陽(yáng)極電流較弱,則加工表面質(zhì)量較好,但材料去除率變化不大;若陽(yáng)極電流較強,則材料去除率顯著(zhù)提高,但陽(yáng)極電流過(guò)強會(huì )導致表面精度下降及多孔現象。由此可見(jiàn),對化學(xué)機械拋光施加外電場(chǎng)進(jìn)行電化學(xué)機械拋光時(shí),試件表層的氧化速率和材料去除率相協(xié)調的問(wèn)題,是高效獲得光滑表面的關(guān)鍵點(diǎn)。

總結:由于化學(xué)和機械的共同作用,化學(xué)機械拋光仍是SiC材料最有潛力的平坦化超精密加工方法,由于SiC材料本身具有可加工性差、脆性強及硬度高等不利于加工的特點(diǎn),現階段SiC材料的化學(xué)機械拋光技術(shù)仍存在一些問(wèn)題。新型的化學(xué)機械拋光輔助增效技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了嘗試和摸索階段,但不同的化學(xué)機械拋光輔助增效技術(shù)對SiC材料的影響不同,結果缺乏可預見(jiàn)性,各類(lèi)化學(xué)機械拋光輔助增效技術(shù)的研究在廣度上和深度上還不夠,未來(lái)仍需從拋光原理、材料表面磨削的精確檢測及優(yōu)化做更深入的探索。

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