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如何实现碳化硅晶圆的高效低损伤抛光?
2022年07月26日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:81
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碳化硅(SiC)材料具有尺寸稳定性好、弹性模量大、比刚度大、导热性能好和耐腐蚀等性能,广泛应用于半导体、光学镜面、机械密封等现代工业领域,许多领域往往对其表面加工质量有较高的要求,SiC的表面平坦化质量直接影响制件性能,决定了制件的成品率。随着SiC的应用和发展逐步广泛和深入,其加工精度要求日益增长。但SiC属于典型的脆硬性材料,其平坦化加工时在力的作用下易产生微裂纹,亚表层缺陷多,使得该材料面临加工效率低、加工困难及加工成本居高不下等问题,制约了其大规模应用和推广。

碳化硅晶圆

目前SiC材料加工工艺主要有以下几道工序:定向切割、晶片粗磨、精研磨、机械抛光和化学机械抛光(精抛)。其中化学机械抛光作为最终工序,其工艺方法选择、工艺路线排布和工艺参数优化直接影响抛光效率和加工成本。传统化学机械抛光按照磨料存在状态可分为游离磨料抛光和固结磨料抛光。

关于化学机械抛光的原理及游离磨料、固结磨料的介绍可以看以下文章:

1. 化学机械抛光技术(CMP)中有哪些核心材料?

2. 超薄电子玻璃适合用哪些材料抛光?

SiC化学机械抛光辅助增效方法

SiC 晶型结构特点使得SiC材料具有较高硬度与化学稳定性,导致在抛光过程中材料去除率较低,因此探索基于化学机械抛光基本工艺的辅助增效手段,对于实现SiC材料产业化应用和推广具有重要的意义。

化学机械抛光辅助增效技术材料去除机理本质是通过辅助增效技术手段来控制SiC表面较软氧化层的形成并从力学上改善SiC氧化层材料的去除方式。目前抛光中的辅助增效手段主要有等离子辅助、催化剂辅助、紫外光辅助和电场辅助


化学机械抛光协同辅助增效工艺示意图

1.等离子辅助工艺

等离子辅助抛光(Plasma Assisted Polishing,PAP)工艺是通过等离子将表面材料氧化为较软的氧化层,同时仍依靠磨料摩擦磨损去除材料的一种辅助化学机械抛光。

其基本原理为: 通过射频发生器(RF)使反应气体(如水蒸气、O2等)产生含有自由基团(如OH自由基团、O自由基)的等离子体,具有较强氧化能力的自由基

团对SiC材料表面氧化改性,获得一层较软的氧化层,然后利用软磨料(如CeO2、Al2O3等)抛光去除该氧化层,使SiC材料表面达到原子级光滑面。


不过在PAP工艺过程中,SiC晶片表面处理是在电离出等离子体产生的活性自由基氧化软化晶片表层基础上用软磨料进行机械去除,故材料去除率(Material Removal Rate,MRR)不仅受活性自由基及氧化层生成速率较慢的影响,还受磨料软质性的影响,导致SiC晶片的MRR较低;另外,由于PAP工艺试验设备价格和加工的费用较高,局限了PAP工艺加工SiC晶片的推广。

二、催化剂辅助工艺

催化剂辅助工艺的材料去除基本机理主要是在试剂催化作用下,在SiC表层反应生成硬度较软的氧化层,利用磨料的机械去除作用去除氧化层,以获得高质量表面。

例如采用Fe3O4催化剂和H2O2氧化剂在以金刚石为磨料的化学机械抛光技术下进行辅助,可获得较理想粗糙度的表面。

三、紫外光辅助工艺

紫外光催化反应是强氧化反应之一,其基本原理是利用光催化剂在紫外光的作用下和电子捕捉剂发生光催化反应,产生活性自由基(·OH)。由于OH自由基团的氧化性较强,使其在SiC表层发生氧化反应,生成一层较软的SiO2氧化层,而被软化的SiO2氧化层更容易被磨料抛光去除;另一方面,氧化层与晶片表面之间结合强度低于SiC晶片的内部结合强度,降低了磨料在抛光过程中的切削力,减小了在晶片表层上留下的划痕深度,提高了表面加工质量。


四、电场辅助工艺

电化学机械抛光(Electrochemical Mechanical Polis-hing,ECMP)技术的基本原理是通过在传统化学机械抛光处理时,对抛光液施加直流电场,在电化学氧化下,使得SiC抛光表面形成氧化层,氧化层的硬度显著降低,利用磨料将软化后的氧化层进行去除,实现高效的超精密加工处理。

电化学机械抛光装置示意图

电化学机械抛光装置示意图

采用这种方法时,若阳极电流较弱,则加工表面质量较好,但材料去除率变化不大;若阳极电流较强,则材料去除率显著提高,但阳极电流过强会导致表面精度下降及多孔现象。由此可见,对化学机械抛光施加外电场进行电化学机械抛光时,试件表层的氧化速率和材料去除率相协调的问题,是高效获得光滑表面的关键点。

总结

由于化学和机械的共同作用,化学机械抛光仍是SiC材料最有潜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、脆性强及硬度高等不利于加工的特点,现阶段SiC材料的化学机械抛光技术仍存在一些问题。新型的化学机械抛光辅助增效技术已经进入了尝试和摸索阶段,但不同的化学机械抛光辅助增效

技术对SiC材料的影响不同,结果缺乏可预见性,各类化学机械抛光辅助增效技术的研究在广度上和深度上还不够,未来仍需从抛光原理、材料表面磨削的精确检测及优化做更深入的探索。


参考来源:

1. 碳化硅晶片的化学机械抛光技术研究进展,徐慧敏、王建彬、李庆安、潘飞(现代制造工程);

2. 面向单晶SiC原子级表面制造的等离子体辅助抛光技术,吉建伟、山村和也、邓辉(物理学报);

3. 单晶碳化硅晶片高效超精密抛光工艺,何艳、苑泽伟、段振云、张幼军(哈尔滨工业大学学报)。


粉体圈 小吉

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