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      如何實現碳化硅晶圓的高效低損傷拋光?

      文章出處:粉體圈網責任編輯:作者:小吉人氣:-發表時間:2022-08-15 17:33:00【

      SiC晶型結構特點使得SiC材料具有較高硬度與化學穩定性,導致在拋光過程中材料去除率較低,因此探索基于化學機械拋光基本工藝的輔助增效手段,對于實現SiC材料產業化應用和推廣具有重要的意義。

      化學機械拋光輔助增效技術材料去除機理本質是通過輔助增效技術手段來控制SiC表面較軟氧化層的形成并從力學上改善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、紫外光輔助和電場輔助。

      01等離子輔助工藝

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

      其基本原理為:通過射頻發生器(RF)使反應氣體(如水蒸氣、O2等)產生含有自由基團(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。

      不過在PAP工藝過程中,SiC晶片表面處理是在電離出等離子體產生的活性自由基氧化軟化晶片表層基礎上用軟磨料進行機械去除,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機械拋光技術下進行輔助,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生光催化反應,產生活性自由基(·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,提高了表面加工質量。

      04電場輔助工藝

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

      采用這種方法時,若陽極電流較弱,則加工表面質量較好,但材料去除率變化不大;若陽極電流較強,則材料去除率顯著提高,但陽極電流過強會導致表面精度下降及多孔現象。由此可見,對化學機械拋光施加外電場進行電化學機械拋光時,試件表層的氧化速率和材料去除率相協調的問題,是高效獲得光滑表面的關鍵點。

      總結:由于化學和機械的共同作用,化學機械拋光仍是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,現階段SiC材料的化學機械拋光技術仍存在一些問題。新型的化學機械拋光輔助增效技術已經進入了嘗試和摸索階段,但不同的化學機械拋光輔助增效技術對SiC材料的影響不同,結果缺乏可預見性,各類化學機械拋光輔助增效技術的研究在廣度上和深度上還不夠,未來仍需從拋光原理、材料表面磨削的精確檢測及優化做更深入的探索。

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