sic單晶襯底材料的研拋技術(shù)

sic單晶襯底材料的研拋技術(shù)

由于具有獨特的禁帶寬度、高臨界、強電子遷移率和高熱導(dǎo)率，sic已成為制造高溫、高頻、寬帶、抗輻射和光刻強度設(shè)備的理想材料，在電子和電工行業(yè)發(fā)揮著獨特的作用。同時它具有高楊氏模量(270~310GPa)、較高導(dǎo)熱率(172W/(m·℃))、耐熱沖擊性、高的比剛度、機械能各向同性等一系列優(yōu)良物理性質(zhì),受到越來越多的重視,成為空間光學(xué)和高能激光領(lǐng)域的理想反射鏡材料。SiC晶片的應(yīng)用要求為表面超光滑、無缺陷、無損傷,SiC晶片的加工質(zhì)量和精度直接影響器件的性能。由于SiC的莫氏硬度為9.2,僅次于金剛石,所以晶體的切割、研拋難度極大,因此高精度、高效率、低成本的晶體基片加工技術(shù)的關(guān)鍵是SiC單晶襯底材料制備技術(shù)和發(fā)展方向。1sic的主要加工方法SiC的加工一般經(jīng)過切割、粗研磨、精研磨、粗拋光(機械拋光)、精拋光(化學(xué)機械拋光)工藝過程。1.1調(diào)整后切割方式及過程1)環(huán)形金剛石線鋸切割:通過對線鋸的線速度、進給速度、線鋸的搖擺等參數(shù)的調(diào)整,可以把晶體切割成翹曲度小、厚度均勻、刀縫損失小的晶片金剛石線線徑小,因此刀鋒損失小,刀痕淺,對晶體損傷小,可切割厚度小于200μm的晶片,經(jīng)過切割后的表面粗糙度為0.27~0.33μm。經(jīng)過試驗研究,線切割加工過程中工藝參數(shù)規(guī)律是:在允許的條件下,線速度越大越好(減少線弓),一般不能低于500m/min,切割的進給速度有快—慢—快的規(guī)律,增大擺角角度(對切割圓形截面,減少接觸面積),同時隨著時間的增加,線徑減小量增加,翹曲度增加,切割能力降低,要調(diào)整進給速度、線速度及擺角。線鋸的金剛石顆粒對切向鋸切力影響不大,切向壓力的提高會使切向鋸切力大大提高,提高線鋸壓力和線鋸速度對提高效率有力,比較起來,提高速度更有力。提高線鋸速度,可減少切削壓力。此方法的優(yōu)點:a.可加工非導(dǎo)電材料,而傳統(tǒng)的放電加工則不能;b.可進行多線切割;c.刀縫損失小,這對加工成本高的半導(dǎo)體和貴重材料非常重要,用直徑350μm的金剛石線切割SiC單晶時,刀縫僅0.3048mm;d.可自由改變切割位向。其缺點是效率不高,需要進一步優(yōu)化工藝參數(shù),提高效率或改善裝置進行多線同時切割。2)金剛石線鋸超聲縱向振動切割:該方法是在傳統(tǒng)的往復(fù)式線切割上安裝超聲電源、換能器、變幅桿等裝置實現(xiàn)超聲振動切割。所用的超聲波發(fā)生器功率為250W(可調(diào)),頻率為20kHz,工件的最大振幅為20μm。試驗結(jié)果表明,該種方法的材料去除率達到25mm/min,比不加振動加工材料去除率高2.5倍左右,表面質(zhì)量好,表面粗糙度降低1倍左右,切割紋理與不加振動相比不明顯。但此方法還不十分完善,如對切割不同的材料的優(yōu)化參數(shù)還有待于進一步探索。3)多線鋸割機:20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的游離磨料多線鋸,已成為硅片切割的常用方法。在游離磨料多線鋸加工過程中,鋸絲纏繞在收線輪和放線輪上,在4個導(dǎo)輪上多層纏繞,形成網(wǎng)狀加工部分。通過張緊輪對鋸絲提供適當(dāng)?shù)膹埦o力,被加工材料向下進給,同時磨料通過磨漿的帶動進入加工區(qū)域,從而實現(xiàn)材料的去除加工,如圖1所示。相對于內(nèi)圓切割,游離磨料多線鋸切割可以提供更好的表面質(zhì)量,更高的效率以及更小的切縫損失。但目前主要采用的電鍍機械鑲嵌法制造的多線鋸絲還存在金剛石顆粒與基體結(jié)合強度不高的缺點,因此固著磨料多線鋸鋸絲的使用壽命及加工效率的提高有待研究。1.2elid和elid研磨1)普通研磨分為粗研和精研,粗研主要是去除切割的刀痕及切割引起的加工變質(zhì)層,粗磨主要是去除粗研留下的加工損傷層,并提高表面粗糙度,磨料選用碳化硼和金剛石的混合物,研磨后表面粗糙度可達100nm,晶片平整度達到5μm。通過對SiC工件進行研拋試驗,以240mm的球墨鑄鐵盤為研具,不同顆粒度的金剛石微粉作為磨料,發(fā)現(xiàn)表面材料去除率與接觸區(qū)域的工作壓力、速度成正比,但超過一定壓力,材料去除率提高不明顯,這是由于磨料破碎及接觸面積增加,實際加工點的壓力不成比例增加,研磨效率并不明顯。提高速度也可以提高效率,但超過一定值,由于離心力的作用,磨料被甩出工作區(qū),研磨平穩(wěn)性降低,研具磨損加快,影響加工精度。一般情況下,粗研時用低速、高壓,半精研、精研時用低速、低壓。研磨液可使研磨過程有效散熱、防止熱變形。研磨液粘度低、不變質(zhì),可較好的分離研磨料的顆粒。2)國內(nèi)大學(xué)用ELID在線電解修整方法對SiC磨削,得到了粗糙度為0.57nm的超平滑鏡面。ELID磨削技術(shù)可以使金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪在磨削過程中始終保持銳利狀態(tài),解除了制約金屬結(jié)合劑微粒磨粒砂輪的使用障礙,通過超硬磨料砂輪鋒利狀態(tài)的在線維持與精確控制能夠?qū)崿F(xiàn)難加工硬脆材料的高效精密、超精密與鏡面磨削。此技術(shù)中的氧化膜起著極其重要的作用,ELID磨削可以根據(jù)工件的磨削技術(shù)要求將氧化膜控制在不同的狀態(tài),而不是依賴于電解修銳作用和氧化膜的機械去除作用的自適應(yīng)平衡。只有氧化膜有足夠的強度和致密性,不同平衡狀態(tài)的氧化膜對磨粒把持能力才有所不同,從而決定不同的材料去除方式。其次是建立電解參數(shù)的實時檢測系統(tǒng),實現(xiàn)電解參數(shù)的反饋調(diào)節(jié)和垂直進給速率的反向調(diào)節(jié)。3)計算機控制光學(xué)成形法(非球面,大口徑工件),簡稱CCOS,它根據(jù)定量的面形檢測數(shù)據(jù),在加工過程控制模型的基礎(chǔ)上,用計算機控制一個小磨頭,對光學(xué)零件進行研磨或拋光,通過控制磨頭在工件表面的停留時間及磨頭與工件的相互壓力來控制材料的去除量,在加工過程中,由于小磨頭能夠持續(xù)的跟蹤非球面工件表面各點的曲率半徑的變化,因而與非球面的面形良好的吻合,從而可以獲得很高的加工精度。可以加工工件直徑800mm以下,加工精度面形誤差小于30nm,表面粗糙度優(yōu)于2nm。1.3化學(xué)機械拋光1)拋光分粗拋和精拋,粗拋是利用微小顆粒度的金剛石微粉機械拋光研磨后的損傷層,并進一步降低晶面的表面粗糙度,粗拋后表面粗糙度可達6nm以下。精拋即化學(xué)機械拋光,將加工液與晶片表面的化學(xué)作用和磨粒的機械作用相結(jié)合,可以大大降低機械拋光中的損傷層,通過原子力顯微鏡測量的表面粗糙度可達到1nm,表面平整度達到2μm。華僑大學(xué)用游離磨料和固結(jié)磨料兩種方法拋光,對不同的磨料顆粒度(W20、W10、W5),不同的拋光盤(聚氨酯盤、溶膠-凝膠磨拋片鑄鐵盤),不同的拋光工具,不同的拋光參數(shù)加工后的SiC表面質(zhì)量進行分析,結(jié)論為用聚氨酯盤質(zhì)量最好,鑄鐵最差,但用溶膠-凝膠磨拋片效率最高,是聚氨酯盤的10倍,但表面粗糙度只相差10nm。2)化學(xué)機械拋光(CMP)是唯一可以實現(xiàn)對Si單晶局部及全局平坦化的方法。它是化學(xué)作用與機械作用相組合的技術(shù),其過程相當(dāng)復(fù)雜,影響因素很多?；瘜W(xué)機械拋光的原理是粘在拋光機上盤的加工表面與拋光機下盤浸有拋光液的多空拋光布吸附的拋光液中的氧化劑、催化劑等物質(zhì)在設(shè)定溫度下反應(yīng)(溫度由反應(yīng)放出熱、冷卻水、摩擦熱等因素決定),上下盤高速反向運轉(zhuǎn),拋光液連續(xù)流動,加工表面的反應(yīng)物被不斷的剝離,新拋光液補充進來,反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光液帶走,新裸露的被加工表面又被氧化,產(chǎn)物再被剝離下來而循環(huán)反復(fù)?；瘜W(xué)機械拋光既有化學(xué)作用又有機械作用,CMP實際上是磨粒磨損下的電化學(xué)腐蝕過程。對CMP進行研究的方法概括起來主要有電化學(xué)實驗法,摩擦磨損—流體力學(xué)實驗法兩大類。電化學(xué)實驗法主要考察拋光片在拋光漿料中進行CMP時腐蝕電位及腐蝕電流密度的變化,從而可定性地確定拋光液配方組成、拋光壓力及轉(zhuǎn)速。腐蝕電化學(xué)理論常用來解釋金屬CMP過程的電化學(xué)機理?；瘜W(xué)機械拋光的發(fā)展是對拋光漿的研究,相應(yīng)的CMP漿料及機理還有待進一步研究,應(yīng)從溶膠型SiO3)在超光滑表面光學(xué)加工方面除傳統(tǒng)光學(xué)加工方法外,還有離子束拋光和磁流變拋光技術(shù)(MRF),但這些方法對設(shè)備要求較高,造價昂貴。但一些發(fā)達國家已經(jīng)將這些技術(shù)用于SiC材料反射鏡的加工,取得了很好的結(jié)果。據(jù)報道,美國RO-HMHASS公司的CVDSiC的表面粗糙度已經(jīng)可以加工到0.3nm。磁流變拋光技術(shù)(MRF)是利用磁流變拋光液在磁場中的流變性進行拋光。在高強度的梯度磁場中,磁流變拋光液變硬,成為具有粘塑性的Bingham介質(zhì)。當(dāng)這種介質(zhì)通過工件與運動盤形成很小空隙時,對工件表面與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力,從而使工件表面的材料被去除。磁流變拋光具有使最后精密研磨表面達到傳統(tǒng)光學(xué)拋光法所具有的光潔度、面形和形狀精度的能力,并且能加工各種光學(xué)表面,無論其對稱性、幾何形狀和表面斜率變化如何。該方法與計算機數(shù)控平臺有效結(jié)合,通過表面演化計算獲得面形,不需工具,不產(chǎn)生亞表面破壞層,加工前要先用傳統(tǒng)方法將材料表面拋光到很小的表面粗糙度。盡管這種方法加工CVDSiC的絕對體積去除率很小,但可以通過編程進行局部有針對性的精確修整,提高了加工效率,可在幾星期中制造出高質(zhì)量(λ/10P-V面形,lnm的粗糙度)SiC樣品件。Zygo于2000年制造出基于CNC平臺的最大型磁流變拋光機,拋光范圍可達500mm×1000mm,它重新定義了精密光學(xué)工業(yè)的加工能力和競爭范圍。2其他方法2.1離子束加工技術(shù)IBF加工技術(shù)是用加速的中性離子束撞擊工作表面,傳遞能量而去除材料的過程。由于離子束的刻蝕率低,加工精確度高,可進行數(shù)字式控制,被認為是傳統(tǒng)加工步驟之后的最終修整。用離子束加工技術(shù)方法對CVDSiC鏡面進行處理,當(dāng)加工量非常微小時,離子束加工技術(shù)能很好地校正鏡片輪廓,不會增加表面粗糙度。目前已實現(xiàn)對直徑500mm的SiC鏡片進行加工。有學(xué)者使用氣體簇離子射線加工SiC薄片,得到SiC晶片較低的表面粗糙度(Ra低于0.4nm),同時可有效去除相對大的尖銳加工痕跡而不產(chǎn)生額外的亞表面和表面損傷,并能去除前期加工留下的高密度淺劃痕。離子射線修整確定性高,無需重復(fù),免除了對工件施加的壓力,但它所需溫度過高,且必需在真空中進行,在濺射過程中還可能增加表面粗糙度。2.2elid和mcv組合工藝進行納米加工化學(xué)氣相沉積碳化硅(CVD-SiC)具有優(yōu)良的力學(xué)性能與熱性能,如高硬度、高熱傳導(dǎo)性、低熱膨脹性。CVD-SiC是一種具有β立方晶體結(jié)構(gòu)的堅硬材料Ohmori等對SiC進行了在線電解修整(ELID)磨削試驗,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用ELID磨削工藝加工SiC陶瓷材料是比較高效的方法,但是利用固定磨料磨削的表面會產(chǎn)生亞表面損傷與微裂紋。這些缺陷必須在后續(xù)的工藝中利用游離磨料加工去除。20世紀(jì)90年代初,磁流變光整加工(MRF)技術(shù)得到了發(fā)展與運用。它是一種基于磁流變流體在磁場中的流變性進行加工的新興技術(shù)。磁流變液經(jīng)過工件,在匯集間隙處產(chǎn)生的剪切力使材料去除,且加工表面潔凈、無刮傷。磁流變液中磨粒對工件表面的切入量非常小,因此MRF被認為是一種確定性的光學(xué)元件光整加工技術(shù)。CVD-SiC材料的磁流變光整加工去除量很小。因此光整加工前的工件表面應(yīng)有良好的形狀精度與表面粗糙度,而ELID磨削則能較好地達到這些要求。尹韶輝、大森整等利用在線電解修整鏡面磨削和磁流變光整加工組合工藝對化學(xué)氣相沉積碳化硅反射鏡進行納米級精度的加工。首先進行在線電解修整磨削,使反射鏡面高效率加工成形,并獲得較好的形狀精度和表面質(zhì)量;然后利用磁流變技術(shù)進行光整加工,以減少反射鏡的亞表面損傷,提高表面質(zhì)量,并通過修正加工,顯著提高了工件表面的形狀精度。對化學(xué)氣相沉積碳化硅進行了一系列的加工試驗,高效率地得到Rq=2.4nm(均方根偏差)的表面粗糙度和21.2nm的形狀精度。2.3超聲-化學(xué)-機械ucmpsic單晶片的精密加工基于超聲-化學(xué)-機械復(fù)合的SiC單晶片精密加工實際上是在研磨盤的作用下,聲能、化學(xué)能與機械能對工件表面作用關(guān)系的一種綜合體現(xiàn),也就是在加工過程中,通過相互間的運動,磨粒的撞擊以及氧化劑達到去除表面層材料的目的。關(guān)于本項技術(shù)提出的超聲-化學(xué)-機械SiC單晶片復(fù)合精密加工的理論和方法,目前尚未看到類似報到。UCMP技術(shù)針對SiC單晶片的精密加工展開理論與試驗研究,其主要學(xué)術(shù)思想和理論依據(jù)是:1)根據(jù)材料物理化學(xué)原理,采用化學(xué)方法使SiC晶體表面氧化和溶解,在磨料機械磨損的作用下去除表面層材料,達到加工所需的目的;2)采用超聲波頻率高、能量集中的特點及在其他加工領(lǐng)域的成功經(jīng)驗,發(fā)揮其對研磨液噴吸作用以及對磨粒的加速效果,使