sic单晶衬底材料的研抛技术

sic单晶衬底材料的研抛技术

由于具有独特的禁带宽度、高临界、强电子迁移率和高热导率，sic已成为制造高温、高频、宽带、抗辐射和光刻强度设备的理想材料，在电子和电工行业发挥着独特的作用。同时它具有高杨氏模量(270~310GPa)、较高导热率(172W/(m·℃))、耐热冲击性、高的比刚度、机械能各向同性等一系列优良物理性质,受到越来越多的重视,成为空间光学和高能激光领域的理想反射镜材料。SiC晶片的应用要求为表面超光滑、无缺陷、无损伤,SiC晶片的加工质量和精度直接影响器件的性能。由于SiC的莫氏硬度为9.2,仅次于金刚石,所以晶体的切割、研抛难度极大,因此高精度、高效率、低成本的晶体基片加工技术的关键是SiC单晶衬底材料制备技术和发展方向。1sic的主要加工方法SiC的加工一般经过切割、粗研磨、精研磨、粗抛光(机械抛光)、精抛光(化学机械抛光)工艺过程。1.1调整后切割方式及过程1)环形金刚石线锯切割:通过对线锯的线速度、进给速度、线锯的摇摆等参数的调整,可以把晶体切割成翘曲度小、厚度均匀、刀缝损失小的晶片金刚石线线径小,因此刀锋损失小,刀痕浅,对晶体损伤小,可切割厚度小于200μm的晶片,经过切割后的表面粗糙度为0.27~0.33μm。经过试验研究,线切割加工过程中工艺参数规律是:在允许的条件下,线速度越大越好(减少线弓),一般不能低于500m/min,切割的进给速度有快—慢—快的规律,增大摆角角度(对切割圆形截面,减少接触面积),同时随着时间的增加,线径减小量增加,翘曲度增加,切割能力降低,要调整进给速度、线速度及摆角。线锯的金刚石颗粒对切向锯切力影响不大,切向压力的提高会使切向锯切力大大提高,提高线锯压力和线锯速度对提高效率有力,比较起来,提高速度更有力。提高线锯速度,可减少切削压力。此方法的优点:a.可加工非导电材料,而传统的放电加工则不能;b.可进行多线切割;c.刀缝损失小,这对加工成本高的半导体和贵重材料非常重要,用直径350μm的金刚石线切割SiC单晶时,刀缝仅0.3048mm;d.可自由改变切割位向。其缺点是效率不高,需要进一步优化工艺参数,提高效率或改善装置进行多线同时切割。2)金刚石线锯超声纵向振动切割:该方法是在传统的往复式线切割上安装超声电源、换能器、变幅杆等装置实现超声振动切割。所用的超声波发生器功率为250W(可调),频率为20kHz,工件的最大振幅为20μm。试验结果表明,该种方法的材料去除率达到25mm/min,比不加振动加工材料去除率高2.5倍左右,表面质量好,表面粗糙度降低1倍左右,切割纹理与不加振动相比不明显。但此方法还不十分完善,如对切割不同的材料的优化参数还有待于进一步探索。3)多线锯割机:20世纪90年代出现的游离磨料多线锯,已成为硅片切割的常用方法。在游离磨料多线锯加工过程中,锯丝缠绕在收线轮和放线轮上,在4个导轮上多层缠绕,形成网状加工部分。通过张紧轮对锯丝提供适当的张紧力,被加工材料向下进给,同时磨料通过磨浆的带动进入加工区域,从而实现材料的去除加工,如图1所示。相对于内圆切割,游离磨料多线锯切割可以提供更好的表面质量,更高的效率以及更小的切缝损失。但目前主要采用的电镀机械镶嵌法制造的多线锯丝还存在金刚石颗粒与基体结合强度不高的缺点,因此固着磨料多线锯锯丝的使用寿命及加工效率的提高有待研究。1.2elid和elid研磨1)普通研磨分为粗研和精研,粗研主要是去除切割的刀痕及切割引起的加工变质层,粗磨主要是去除粗研留下的加工损伤层,并提高表面粗糙度,磨料选用碳化硼和金刚石的混合物,研磨后表面粗糙度可达100nm,晶片平整度达到5μm。通过对SiC工件进行研抛试验,以240mm的球墨铸铁盘为研具,不同颗粒度的金刚石微粉作为磨料,发现表面材料去除率与接触区域的工作压力、速度成正比,但超过一定压力,材料去除率提高不明显,这是由于磨料破碎及接触面积增加,实际加工点的压力不成比例增加,研磨效率并不明显。提高速度也可以提高效率,但超过一定值,由于离心力的作用,磨料被甩出工作区,研磨平稳性降低,研具磨损加快,影响加工精度。一般情况下,粗研时用低速、高压,半精研、精研时用低速、低压。研磨液可使研磨过程有效散热、防止热变形。研磨液粘度低、不变质,可较好的分离研磨料的颗粒。2)国内大学用ELID在线电解修整方法对SiC磨削,得到了粗糙度为0.57nm的超平滑镜面。ELID磨削技术可以使金属结合剂超硬磨料砂轮在磨削过程中始终保持锐利状态,解除了制约金属结合剂微粒磨粒砂轮的使用障碍,通过超硬磨料砂轮锋利状态的在线维持与精确控制能够实现难加工硬脆材料的高效精密、超精密与镜面磨削。此技术中的氧化膜起着极其重要的作用,ELID磨削可以根据工件的磨削技术要求将氧化膜控制在不同的状态,而不是依赖于电解修锐作用和氧化膜的机械去除作用的自适应平衡。只有氧化膜有足够的强度和致密性,不同平衡状态的氧化膜对磨粒把持能力才有所不同,从而决定不同的材料去除方式。其次是建立电解参数的实时检测系统,实现电解参数的反馈调节和垂直进给速率的反向调节。3)计算机控制光学成形法(非球面,大口径工件),简称CCOS,它根据定量的面形检测数据,在加工过程控制模型的基础上,用计算机控制一个小磨头,对光学零件进行研磨或抛光,通过控制磨头在工件表面的停留时间及磨头与工件的相互压力来控制材料的去除量,在加工过程中,由于小磨头能够持续的跟踪非球面工件表面各点的曲率半径的变化,因而与非球面的面形良好的吻合,从而可以获得很高的加工精度。可以加工工件直径800mm以下,加工精度面形误差小于30nm,表面粗糙度优于2nm。1.3化学机械抛光1)抛光分粗抛和精抛,粗抛是利用微小颗粒度的金刚石微粉机械抛光研磨后的损伤层,并进一步降低晶面的表面粗糙度,粗抛后表面粗糙度可达6nm以下。精抛即化学机械抛光,将加工液与晶片表面的化学作用和磨粒的机械作用相结合,可以大大降低机械抛光中的损伤层,通过原子力显微镜测量的表面粗糙度可达到1nm,表面平整度达到2μm。华侨大学用游离磨料和固结磨料两种方法抛光,对不同的磨料颗粒度(W20、W10、W5),不同的抛光盘(聚氨酯盘、溶胶-凝胶磨抛片铸铁盘),不同的抛光工具,不同的抛光参数加工后的SiC表面质量进行分析,结论为用聚氨酯盘质量最好,铸铁最差,但用溶胶-凝胶磨抛片效率最高,是聚氨酯盘的10倍,但表面粗糙度只相差10nm。2)化学机械抛光(CMP)是唯一可以实现对Si单晶局部及全局平坦化的方法。它是化学作用与机械作用相组合的技术,其过程相当复杂,影响因素很多。化学机械抛光的原理是粘在抛光机上盘的加工表面与抛光机下盘浸有抛光液的多空抛光布吸附的抛光液中的氧化剂、催化剂等物质在设定温度下反应(温度由反应放出热、冷却水、摩擦热等因素决定),上下盘高速反向运转,抛光液连续流动,加工表面的反应物被不断的剥离,新抛光液补充进来,反应产物随抛光液带走,新裸露的被加工表面又被氧化,产物再被剥离下来而循环反复。化学机械抛光既有化学作用又有机械作用,CMP实际上是磨粒磨损下的电化学腐蚀过程。对CMP进行研究的方法概括起来主要有电化学实验法,摩擦磨损—流体力学实验法两大类。电化学实验法主要考察抛光片在抛光浆料中进行CMP时腐蚀电位及腐蚀电流密度的变化,从而可定性地确定抛光液配方组成、抛光压力及转速。腐蚀电化学理论常用来解释金属CMP过程的电化学机理。化学机械抛光的发展是对抛光浆的研究,相应的CMP浆料及机理还有待进一步研究,应从溶胶型SiO3)在超光滑表面光学加工方面除传统光学加工方法外,还有离子束抛光和磁流变抛光技术(MRF),但这些方法对设备要求较高,造价昂贵。但一些发达国家已经将这些技术用于SiC材料反射镜的加工,取得了很好的结果。据报道,美国RO-HMHASS公司的CVDSiC的表面粗糙度已经可以加工到0.3nm。磁流变抛光技术(MRF)是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光。在高强度的梯度磁场中,磁流变抛光液变硬,成为具有粘塑性的Bingham介质。当这种介质通过工件与运动盘形成很小空隙时,对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力,从而使工件表面的材料被去除。磁流变抛光具有使最后精密研磨表面达到传统光学抛光法所具有的光洁度、面形和形状精度的能力,并且能加工各种光学表面,无论其对称性、几何形状和表面斜率变化如何。该方法与计算机数控平台有效结合,通过表面演化计算获得面形,不需工具,不产生亚表面破坏层,加工前要先用传统方法将材料表面抛光到很小的表面粗糙度。尽管这种方法加工CVDSiC的绝对体积去除率很小,但可以通过编程进行局部有针对性的精确修整,提高了加工效率,可在几星期中制造出高质量(λ/10P-V面形,lnm的粗糙度)SiC样品件。Zygo于2000年制造出基于CNC平台的最大型磁流变抛光机,抛光范围可达500mm×1000mm,它重新定义了精密光学工业的加工能力和竞争范围。2其他方法2.1离子束加工技术IBF加工技术是用加速的中性离子束撞击工作表面,传递能量而去除材料的过程。由于离子束的刻蚀率低,加工精确度高,可进行数字式控制,被认为是传统加工步骤之后的最终修整。用离子束加工技术方法对CVDSiC镜面进行处理,当加工量非常微小时,离子束加工技术能很好地校正镜片轮廓,不会增加表面粗糙度。目前已实现对直径500mm的SiC镜片进行加工。有学者使用气体簇离子射线加工SiC薄片,得到SiC晶片较低的表面粗糙度(Ra低于0.4nm),同时可有效去除相对大的尖锐加工痕迹而不产生额外的亚表面和表面损伤,并能去除前期加工留下的高密度浅划痕。离子射线修整确定性高,无需重复,免除了对工件施加的压力,但它所需温度过高,且必需在真空中进行,在溅射过程中还可能增加表面粗糙度。2.2elid和mcv组合工艺进行纳米加工化学气相沉积碳化硅(CVD-SiC)具有优良的力学性能与热性能,如高硬度、高热传导性、低热膨胀性。CVD-SiC是一种具有β立方晶体结构的坚硬材料Ohmori等对SiC进行了在线电解修整(ELID)磨削试验,发现应用ELID磨削工艺加工SiC陶瓷材料是比较高效的方法,但是利用固定磨料磨削的表面会产生亚表面损伤与微裂纹。这些缺陷必须在后续的工艺中利用游离磨料加工去除。20世纪90年代初,磁流变光整加工(MRF)技术得到了发展与运用。它是一种基于磁流变流体在磁场中的流变性进行加工的新兴技术。磁流变液经过工件,在汇集间隙处产生的剪切力使材料去除,且加工表面洁净、无刮伤。磁流变液中磨粒对工件表面的切入量非常小,因此MRF被认为是一种确定性的光学元件光整加工技术。CVD-SiC材料的磁流变光整加工去除量很小。因此光整加工前的工件表面应有良好的形状精度与表面粗糙度,而ELID磨削则能较好地达到这些要求。尹韶辉、大森整等利用在线电解修整镜面磨削和磁流变光整加工组合工艺对化学气相沉积碳化硅反射镜进行纳米级精度的加工。首先进行在线电解修整磨削,使反射镜面高效率加工成形,并获得较好的形状精度和表面质量;然后利用磁流变技术进行光整加工,以减少反射镜的亚表面损伤,提高表面质量,并通过修正加工,显著提高了工件表面的形状精度。对化学气相沉积碳化硅进行了一系列的加工试验,高效率地得到Rq=2.4nm(均方根偏差)的表面粗糙度和21.2nm的形状精度。2.3超声-化学-机械ucmpsic单晶片的精密加工基于超声-化学-机械复合的SiC单晶片精密加工实际上是在研磨盘的作用下,声能、化学能与机械能对工件表面作用关系的一种综合体现,也就是在加工过程中,通过相互间的运动,磨粒的撞击以及氧化剂达到去除表面层材料的目的。关于本项技术提出的超声-化学-机械SiC单晶片复合精密加工的理论和方法,目前尚未看到类似报到。UCMP技术针对SiC单晶片的精密加工展开理论与试验研究,其主要学术思想和理论依据是:1)根据材料物理化学原理,采用化学方法使SiC晶体表面氧化和溶解,在磨料机械磨损的作用下去除表面层材料,达到加工所需的目的;2)采用超声波频率高、能量集中的特点及在其他加工领域的成功经验,发挥其对研磨液喷吸作用以及对磨粒的加速效果,使