（机械工程专业论文）基于白刚玉微粉的sic单晶片0001c面化学机械抛光研究.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a s t e r st h e s i so f e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nc m p6 h - - s i cc r y s t a ls u b s t r a t e ( 0 0 0 1 ) cs u r f a c e b a s e do na b r a s i v e a l um i n a ( a 1 2 0 3 ) b y z h a n gp e i y a n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f e s s o rc h e nw e n ji a ns uj i a n x i u s e n i o re n g x i ay u e n l o r n g l n e e r au入 z h e n g z h o ut o u r i s mc o l l e g e a p r i l ，2 0 1 2 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生虢蝴 例2 年“日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：蕴生垒考 砌游月髫自 工程硕士学位论文 基于白刚玉微粉的s i c 单晶片( o 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究 摘要 碳化硅单晶片是最具有发展前景的半导体材料，广泛应用于微电子，光学，半导 体照明，集成电路等。目前发光二极管的发展速度非常迅速，相应的作为衬底材料对 碳化硅单晶片表面要求精度更高、质量更好。化学机械抛光是目前能实现全局平面化 较为实用的一种方法。研究碳化硅化学机械抛光技术中各因素对研磨去除率和研磨表 面质量的影响具有重要的理论指导意义和实际应用价值。本文综合运用正交试验法、 单因素试验研究和极差分析的方法，对s i c 单晶片进行化学机械抛光试验，介绍和分 析抛光液的去除原理，选择并优化抛光液成分含量，以提高研磨膏的材料去除率，改 善加工后的表面质量。 本文采用化学机械抛光工艺方案，以z y p 3 0 0 型研磨抛光机为试验平台，对s i c 单晶片抛光参数进行研究。试验中选用自行研制的含白刚玉w o 5 、w 1 、w 1 5 、w 2 5 、 w 3 5 磨粒的抛光液进行研磨工艺试验，研究了抛光压力、抛光盘盘转速、载物台转 速、磨粒粒度、氧化剂含量、分散剂含量、磨料含量等因素对化学机械抛光加工的影 响规律。并进行了抛光液配方优化试验，应用正交法得到了抛光效率较高，性能良好 的抛光液。 关键词：化学机械抛光抛光液碳化硅抛光工艺 a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d ec r y s t a ls u b s t r a t ei st h em o s tp r o m i s i n gs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，h a s b e e nw i d e l yu s e dm i c r o e l e c t r o n i c sp h o t o n i c s ，s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n g ，i n t e g r a t e dc i r c u i t s ， a n ds oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h el i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ，t h er e q u i r e m e m f o rm g hs u r f a c eq u a l i t yo fs i l i c o nc a r b i d ec r y s t a ls u b s t r a t ek e e p sc o n t i n u o u si n c r e a s i n g a t p r e s e n t ，c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) i sap r a c t i c a lm e t h o dt h a tc a nr e a l i z eg l o b a l p l a n a d z a t i o n t h es t u d yo ns i l i c o nc a r b i d ec h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gt e c h n o l o g yi so f i m p o r t a n c ef o rb o t ht h e o r e t i c a lg u i d ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , s o m e m e t h o d sh a sb e e nu s e d ，s u c ha so r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tm e t h o d a n dp o o ra n a l y s i s t h ec h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gt e s t sh a v eb e e nd o n eo ns i l i c o n c a r b i d ec r y s t a ls u b s t r a t e w ei n t r o d u c ea n da n a l y s i st h er e m o v i n g p r i n c i p l e so ft h eg r i n d i n g p a s t e a tt h es a l t l et i m e ，w eo p t i m i z et h eg r i n d i n gp a s t ei n g r e d i e n t s i nt h e ，w ec a ni n c r e a s e t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，a n di m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ep r o c e s s i n g t h i sp a p e ra d o p t so nc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g p r o c e s sp r o g r a mt oz y p 3 0 0t y p e p o l i s h i n gm a c h i n ef o re x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fs i l i c o nc a r b i d ep o l i s h i n g ，r e s e a r c ho n s i n 酉ec r y s t a ls l i c ep a r a m e t e r s t h i sp a p e ra d o p t so nc o n t a i n i n ga 1 2 0 3d e v e l o p e db yw 0 5 ， w 1 ，w1 5 ，w 2 5a n dw 3 5 ，t h ep o l i s h i n gl i q u i df o rp o l i s h i n gp r o c e s st e s t s ，t h ec o n t e n to f t h eo x i d i z i n ga g e n t ，t h ec o n t e n to ft h ed i s p e r s a n t ，t h ec o n t e n to ft h ea b r a s i v ea n dt h e p o l i s h i n gp r e s s u r e ，p o l i s h i n gw h e e lr e v o l v i n gs p e e d ，g r i t sf a c t o r ss u c ha sp a r t i c l es i z eo f t h ei n f l u e n c el a wo fp o l i s h i n gp r o c e s s a n dp o l i s h i n gl i q u i df o r m u l a t i o no p t i m i z a t i o n e x p e r i m e n t ，u s i n gt h eo r t h o g o n a lm e t h o dg o tp o l i s h i n ge f f i c i e n c yi sh i g h e r , t h eg o o d p e r f o r m a n c eo fp o l i s h i n gl i q u i d k e y w o r d s ：c h e m i c a lm e c h a n i c a l p o l i s h i n g ，p o l i s h i n gl i q u i d ，s i l i c o n c a r b i d e ，p o l i s h i n gp r o c e s s 工程硕士学位论文 基于白刚玉微粉的s i c 单晶片( o 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究 目录 摘要i a b s t r a c t。i i 1 绪论1 1 。1 课题来源1 1 2 选题背景及研究意义l 1 3 单晶碳化硅的材料特性4 1 3 1 单晶碳化硅的晶体结构4 1 3 2s i c 单晶的物理性质4 1 3 3s i c 单晶的光学性质6 1 3 4s i c 单晶的化学性质6 1 3 5s i c 单晶的力学性质6 1 3 6s i c 单晶的电学性质7 1 4 碳化硅材料的用途7 1 4 1 磨料磨具方亟的用途7 1 4 2 化工方面的用途8 1 4 3 用于耐磨、耐火、耐腐蚀材料8 1 4 4 电子器件方面的用途8 1 5 碳化硅单晶片加工技术的国内外现状9 1 6 本论文的主要工作11 2s i c 单晶片抛光试验准备1 2 2 1 化学机械抛光概述1 2 2 2 试验设备1 4 2 3 检测仪器1 6 2 4 试验样品1 8 3s i c 单晶片( 0 0 0 1 ) c 面试验2 1 3 1 影响碳化硅c m p 的因素2 1 3 2 抛光液成分的选择2 2 3 2 1 磨料的选择2 3 3 2 2p h 调节剂的选择2 4 3 2 3 分散剂选择2 5 i i l 目录工程硕士学位论文 3 2 4 氧化剂的选择2 6 3 2 5 表面活性剂的选择2 7 3 2 5 1 表面活性剂特性概述2 7 3 2 5 2 表面活性剂在c m p 抛光液中的作用2 7 3 3 正交试验设计2 8 3 。3 1 选定试验因子2 8 3 3 2 选水平，制定因子水平表2 8 3 3 。3 正交试验设计2 9 3 4 试验结果分析3 0 4 各因素对s i c 单晶片的材料去除率和表面粗糙度的影响3 3 4 1 各因素对c 面材料去除率和表面粗糙度的影响3 3 4 2p h 值对去除率、表面粗糙度的影响3 3 4 3 磨料粒径对材料去除率、表面粗糙度的影响3 5 4 4 分散剂对去材料除率、表面粗糙度的影响3 6 4 5 氧化剂对去材料除率、表面粗糙度的影响3 8 4 6 磨料含量对材料去除率、表面粗糙度的影响3 9 4 7 载物盘转速对材料去除率、表面粗糙度的影响4 1 4 8 抛光盘转速对材料去除率、表面粗糙度的影响4 2 4 9 压力对材料去除率、表面粗糙度的影响4 4 5 结论4 7 攻读学位期间获奖和发表论文情况4 9 致谢5 l 参考文献5 3 工程硕士学位论文 基于白刚玉微粉的s i c # t 晶r ( o 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究 l 绪论 1 1 课题来源 本课题来源于苏建修教授2 0 1 0 年所申报的国家自然科学基金项目“热化学。机械 能量耦合研磨s i c 单晶基片超精密加工理论和关键技术”，项目编号：5 1 0 7 5 1 2 5 。课 题目标是根据光电产品制造对硬脆材料s i c 单晶基片加工质量要求，提出热- 化学- 机 械能量耦合研磨抛光s i c 单晶基片的超精密加工方案及技术。本课题为此项目的关 键技术之一“基于白刚玉微粉s i c 单晶片( 0 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究”。本课题研究 的目标是找到以白刚玉为磨粒对s i c 单晶片( o 0 0 1 ) c 面化学机械抛光的最佳研磨液配 方和抛光工艺参数。 1 2 选题背景及研究意义 碳化硅的用途十分广泛，可以应用在机械、电子和冶金等重工业领域，也可应用 在建材、化工、发热体等轻工业领域。碳化硅s i c 材料是在1 8 2 4 年，由瑞典科学 b e r z e l i u s ( 1 9 7 9 1 8 4 8 ) 发现的【l 】。在1 8 8 5 年a c h e s o n ( 1 8 5 6 一1 9 3 1 ) 在试验室首次生 长出s i c 晶体。在a c h e s o n 首次生长出s i c 晶体之初，他认为这种材料是c 和a l 的化 合物【2 1 。他的目的是想找到一种制造工艺简单又廉价的研磨材料来代替当时资源紧缺 价格昂贵的金刚石。后来经过研究他发现这种s i c 单晶材料的特性与金刚石非常的相 似。就用这种s i c 单晶材料来代替金刚石应用于对其它材料的切割和研磨，取得的很 好的应用效果。但是由于s i c 单晶的晶体尺寸小，制作工艺复杂，难以形成大规模的 批量生产，故应用范围较小，还不能作为电子器件用材料。 在对s i c 单晶材料的逐渐深入研究中，科学家发现s i c 在电子学方面的性能比金 刚石有更好的应用前景。随着对s i c 材料电子特性的研究逐步深入，在1 9 0 7 年英国电 4 子工程师r o u n d 用s i c 单晶材料研制出了一只对s i c 后来研究具有里程碑意义的电 子发光二极管后的1 9 7 9 年，第一只用s i c 单晶材料制造的蓝色发光二极管问世，这就 进一步拓展了s i c 单晶材料的应用范围和研究领域。1 9 8 1 年，在& 衬底上生长单晶 s i c 的工艺方法出现，引发在电子技术领域的器件制造应用s i c 单晶材料新的研究方 向。与此同时人们逐步认识到所技术和i i i v 族化合物技术在电子器件制造方面有 很大的发展局限性，因此对s i c 晶体材料在电子学领域应用的研究兴趣得到极大的提 高。 作为半导体器件衬底材料，碳化硅单晶片与硅单晶片相比，在耐磨损和耐电压的 性能方面都有较明显的提高，具有高热导率、高击穿电场强度、高饱和电子漂移速度、 大的禁带宽度、低介电常数和较强的抗辐射能力等优异的特性。此外，s i c 还具有较 小的热膨胀系数和耐热冲击性、较高的弹性模量和高的比刚度、适中的密度、高度的 绪论 工程硕士学位论文 尺寸和化学稳定性【3 卅等特点，在航空航天领域的空间光学系统和激光元器件的制造 中也广泛的应用。s i c 单晶片的另外一个优点是在能源消耗方面，它的电损耗量可到 达在硅片的数十分之一至几十分之一，这一特性在能源紧缺的当今世界具有重大研究 价值，也是节能环保领域关注的焦点。因此，它将成为新型的半导体材料用于节能省 电的各种电子设备与器件的研发，广泛应用节能家电产品及电动汽车用的功率电子元 器件等1 5 1 。中科院半导体研究所研究员曾一平分析，按照技术发展预期，如果半导体 照明光源采用s i c 发光材料代替传统照明设备，理论上每年最少能为我国的照明用电 节省三分之一以上。参照目前我国的每年照明耗电量，每年可为国家节省电力消耗一 千亿度电能，比我国的三峡工程的全年发电量还多，如果与火力发电相比可减少二氧 化碳气体排放一亿多吨。 在集成电路制造领域，特别是超大规模集成电路的制造对器件的材料衬底的表面 质量得要求在不断提升，电子器件的集成度越来越高，特征尺寸也越来越小，每个芯 片几十亿个器件的器件已经研制成功【6 j ；因此，s i c 单晶片的表面质量的提高速度是 制造大规模集成电路发展速度的直接影响因素。 半导体照明是我国目前非常重要的发展方向和国家战略，也是全球未来的高技术 领域之，半导体照明器件的核心是发光二极管( l e d ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，l e d 的心脏是一个半导体芯片。目前，制造l e d 芯片的核心技术是在衬底上制作氮化镓 ( g a n ) 基的外延片，这种l e d 被称为g a n 基l e d ，广泛用于半导体照明。但是 g a n 材料的制备困难，工艺复杂，产品质量不稳定，在电子器件制作中很难获得较 好的会属半导体的欧姆接触。目前能用于商品化的氮化镓基l e d 的衬底材料，只有 蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 和碳化硅( s i c ) 两种【7 】。长期以来，在半导体照明产业中，衬底材 料、外延以及芯片被公认为半导体照明领域的上游产品，具有技术含量高、投资强度 大、投资收益见效慢的特点，据调查，目前碳化硅( s i c ) 是除蓝宝石衬底外用于氮 化镓( g a n ) 外延的主要商品化衬底材料，由于碳化硅衬底的导电、导热性能，能比 较理想的解决l e d 器件的散热问题，可以利用碳化硅来制作功率较大氮化镓基l e d 照明设备，所以在半导体照明技术领域中奠定了其非常占重要价值地位，也成为国内 外微电子、半导体照明及光电子领域研究追逐的热点。s i c 有2 5 0 多种多型体，在诸 多s i c 多晶中，只有6 h s i c 晶体和4 日s i c 晶体具有商用价值，同6 h s i c 相比， 4 h s i c 具有高的电子迁移率和低的迁移率各向异性。目前s i c 的外延衬底为 6 日研c 、4 h s i c 。 碳化硅半导体材料耐高温的特性，非常适合应对高温下的极端环境，有研究数据 表明在5 6 0 。c 的高温下，碳化硅晶片可以在不加任何冷却装置的条件下还能照常工 作。因此在钢铁冶炼，石油钻探、宇宙航空、地震预测、核动力开发、汽车和大飞机 制造等工业技术的特殊环境有很大的发展空间。近年来，由于半导体材料的制作及超 工程硕士学位论文 基于白刚玉微粉的s i c 单晶片( 0 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究 精密加工工艺的迅速发展而有了很大的进展。采用碳化硅制作的高温紫外光敏二极 管，可在各种发动机内部炽热的环境下正常工作，而碳化硅制作的电子产品和传感器， 可以直接安装在飞机发动机内部来检测各种所需的数据，也可监控发动机的燃烧工作 状态等，从而实现闭环控制系统，不间断的对材料燃烧起到监控，对发动机工作效率 有显着提高作用佟j 。s i c 的这些性能使其成为在地面核反应堆系统的监控、航天、雷 达、原油勘探、环境检测及航空、汽车马达及通讯系统等极端环境领域中应用的优选 材料。 据了解，美国c r e e 公司开发用于军事系统的新型碳化硅功率开关，这种开关可 以在最高2 0 0 摄氏度的接合点温度工作。碳化硅器件与p o w e r e x 封装技术的结合将开 发更小型化、更轻型的系统，同时降低了制冷需求。由于其较高的工作温度同时还提 高了可靠性和过载能力，所以在航天和核动力开发领域具有很广的应用前景。这种模 块所具有的低传导性和开关低损耗性使其适合用于高效率器件，如太阳能电源附件以 及电子器件、混动车辆或电动车辆的功率转换等。2 0 0 1 该公司年的碳化硅相关产品 的销售利润达四千八百万美元。在1 9 9 7 年到2 0 0 1 的这5 年中，c r e e 公司的碳化硅 销售年均增长速度达到5 8 ，为公司创造了巨额的价值财富。 化合物半导体中能够通过热氧化方法形成s i 0 2 介质层的材料只有碳化硅，这一 特性为大容量的集成电路的制作提供了极为有利条件，并且可以与硅的成熟工艺相最 大限度地兼容一j 。在s i c 材料上成功制造小规模的i c ，在国外已经有许多制作工艺的 相关报道，但随着s i c 衬底表面加工工艺的不断完善和提升，使衬底圆片表面质量得 到很大的提高，功能更强、性能更好和成品率更高的i c 器件将来肯定能制造出，并 在各个领域得到广泛应用。 经研究发现碳化硅器件的微波特性也非常优良，军工系统中很多航空无线电设备 关键部件，尤其是在航空航天领域，对射频接收器电路的抗干扰能力要求非常高，直 接关系到飞行器的控制安全，目前采用s i c 半导体器件可以大幅提高其抗干扰性。 同时也使射频接收器过滤干扰信号和探测和放大有用信号的能力得到了显着提高，从 而是系统的整体性能有显着的改善【1 0 】。 对于s i c 功率电子器件，不但能够提高公用电力系统的运行效率和可靠性，还能 够阻挡较高的电压，具有较低的寄生电阻和非常小的物理尺寸。开关的响应时间很短， 较快的开关速度能够提高了功率系统的转换效率，这样在整个电力系统设计和运行中 能够使用较小的变压器和电容器等电力器件，大大减小了系统的整体尺寸和质量，也 大大降低了较大电力器件自身的能源消耗问题，对电力系统的节能增效有很大作用。 由此可见，获得超光滑无损伤表面的s i c 单晶基片具有不可估量应用前景。但是， 目前存在的一个主要问题是s i c 单晶基片的超精密加工技术还不成熟，还没有适合生 产s i c 单晶基片的专用工具、设备与工艺；s i c 单晶基片没有形成规模化生产，生 绪论工程硕士学位论文产效率低，生产过程不稳定，表面质量一致性差，致使s i c 单晶基片的价格极其昂贵。s i c 单晶基片表面上微小缺陷都会造成电子器件应用性能的大幅降低甚至造成重大安全事故。由此给大批量的生产高质量、高精度的碳化硅单晶片带来非常大的困难，已经成为目前碳化硅行业发展的瓶颈，是今后发展应用所必须解决的重大问题。因此，当务之急是研究s i c 单晶基片的超精密加工理论与技术，而本课题的研究内容正是在这种市场急需的情况下提出的。目前对于s i c 单晶超精密加工主要有化学机械抛光( c m p ) 、电化学抛光( e c m ) 、催化剂辅助抛光( c a c p ) 或催化剂辅助刻蚀和摩擦化学抛光( t c p ) 【3 】等加工工艺方法，而在实际加工方法应用中，只有使用c m p加工的最终表面能够达到这一目标，所以本课题的试验方法选择化学机械抛光( c 御)的加工方法。1 3 单晶碳化硅的材料特性1 3 1 单晶碳化硅的晶体结构碳化硅的结构是一种二元化合物，也是第族元素中唯一极其稳定的化合物，具有和金刚石很相近的六面晶格，其晶格结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个&( 或c ) 原子与周边包围的c ( 或& ) 原子通过定向的强四面体s p 3 键结合而成的四角型晶体【1 2 1 ，如“图1 1 ”所示，碳原子和碳原子之间的键结距离为3 0 8 埃，碳原子和硅原子之间的键结距离为1 8 9 埃。由于s i c 的原子之间层错形成能量很低，所以呈现出多型体特点，每种多型体的c s 双原子层的堆垛次序各有不同。不同晶体型态的碳化硅其性质也有所不同，如前述的3 c 、6 h 、4 日、1 5 r ，c 表示立方体( c u b i c )结构，日表示六角型( h e x a g o n a l ) 结构，灭表示菱形六面体( r h o 1 b o h e 由0 n ) ，数字表示堆栈的周期排列个数。“图1 2 ”显示各种不同的碳化硅晶体型态堆栈的方式，3 c是以a b c 的顺序堆栈而成，4 h 一s i c 和6 日研c 则分别以a b c b 和a b c a c b 的不同顺序堆栈而成。精0 - 一：j 妇 工程硕士学位论文基于白刚玉微粉的s i c 单晶片( 0 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究 图1 1 研c 晶格结构 图1 2 不同的碳化硅晶体型态堆栈图 1 3 2s i c 单晶的物理性质 s i c 单晶是非金属陶瓷材料的一种，s i c 的弹性变形和热变形很小，属于硬脆材 料，特别适于超精密加工：并且从微观上研究具有晶向稳定，无时效变化：而s i c 单 晶硬度高和耐磨性好的特点，能够在超精密加工中得到表面粗糙度小、加工变质层浅 的工件。另外，s i c 单晶材料在加工过程中几乎晶体材料不存在滑移和弹性变形，其 故拉伸强度比抗压强度低，材料微观组织受力直接发生破裂，并有微裂纹残创1 3 j 。此 外s i c 单晶材料还具有很高的抗磨性，这就使得加工过程中材料去除率很低、研磨盘 及抛光盘磨损严重等问题。另外还有非常优良的导热性能，由碳化硅材料制作的优质 耐火材料就是充分利用其导热率高、抗震性和热膨胀系数小等物理特性。 从“表1 1 ”中的数据可以看出s i c 单晶与研和g a d s 相比是一种宽带隙的半导体 材料，正常温度下6 h s i c 单晶的带隙为3 0 2 3e v ，而研和g a d s 分别为1 1e v 和 1 4 e v 。科研人员对具有最小带隙的3 c s i c 直至具有最大带隙的2 h s i c 的能带结构 进行试验研究发现，它们所有的价带一导带跃迁都有声子参与，说明这些类型的s i c 单 晶材料是间接带隙的半导体。“表1 1 ”中列出了s i 、g a d s 和三种常见s i c 的性能指 标，从“表1 1 ”中可以看出： ( 1 ) s i c 材料与& 和g a a s 相比是一种宽带隙半导体材料，不同的结晶形态决定 了其禁带宽度的不同，4 日s i c 禁带宽度最大，这种特性使得s i c 材料器件在应用中 大大降低了泄漏电流； ( 2 ) s i c 材料的热导率是所材料的3 倍，使s i c 材料器件的功率密度和集成度会 有大幅提高； ( 3 ) s i c 材料的临界击穿电场是研材料的1 0 倍，因此用它作成的半导体器件能 够承受高电压，工作频率范围大和电流密度强的特点，同时在导通的能量损耗方面也 得到很大降低； ( 4 ) s i c 材料的电子饱和漂移速度是所材料的2 倍，使s i c 器件具有优良的微波 特性，可以很大的提高系统的抗干扰性能，同时也使射频接收器过滤干扰信号和探测 和放大有用信号的能力得到了显着提高，从而是系统的整体性能有显着的改善： ( 5 ) s i c 材料与彤和g a a s 材料相比具有高硬度和高化学稳定性的特点【i 4 1 。 表1 1s i c 与s i 、g a a s 性能参数比较 材料 s ig a a s3 c s i c6 h s i c4 h s i c 禁带宽度e g ( e v ) 1 1 21 4 2 2 2 2 93 2 热导率( w k c m ) 1 50 5 44 94 94 9 相对介电常数 11 91 2 51 09 79 7 绪论工程硕士学位论文 电子饱和飘移速度( c m s ) 1 0 2 1 0 2 1 0 2 5 1 0 2 5 1 0 击穿场强( v c m ) 3 1 0 3 4 x 1 0 3( 1 - 5 ) x 1 0 5( 1 - 5 ) x 1 0 5( 1 5 ) x 1 0 5 熔点( k ) 1 6 9 01 5 1 02 1 0 02 1 0 02 l o o 莫氏硬度 76 2 5999 克氏硬度( k g m m 2 ) 11 0 0 - - 1 4 0 07 0 0 - 8 0 03 0 0 03 0 0 03 0 0 0 1 3 3s i c 单晶的光学性质 人们在制备s i c 单晶时发现有不同的特征颜色，经研究发现是因为原子带间的 光吸收不同，常见的4 h s i c 是黄绿色，6 h s i c 是绿色，1 5 r s i c 是黄色，未掺杂 的3 c s i c 材料呈浅黄色，而掺杂的3 c s i c 材料呈黄绿色【l 5 1 。 1 3 4s i c 单晶的化学性质 s i c 单晶具有很高的化学稳定性，主要表现在耐酸碱和抗氧化两个方面，s i c 单晶能抵抗大部分酸碱的腐蚀。s i c 对酸性物质抵抗能力很强，对碱性物质抵抗能力 就稍差。它能溶解于熔融的氧化剂物质，根据这个特点，对碳化硅材料进行化学处理 方法，一般采用熔融状态的n a 2 0 2 、或n a 2 c 0 3 和k n 0 3 的混合物、或k o h ，还可以 使用沸腾的5 0 k 3 f e ( c n ) 6 和5 0 k o h 混合液来处理。在s i c 晶体材料的化学特性研 究中发现，在超精磨加工中可以用熔融的氧化剂和氟作为s i c 的表面腐蚀剂来提高材 料除去率和表面质量。此外，s i c 单晶还具有非常高的热稳定性和抗氧化性。实验 表明碳化硅的最高承受温度为1 6 2 7 。c ，超过这个临界温度二氧化硅保护膜就开始不 断熔化直至最终被彻底破坏，另外研究表明，s i c 材料在l 3 5 个大气压下加热不会 熔化。当对s i c 材料加高温至1 8 0 0 以上时，将会直接升华，而且在高温下，s i c 材 料的一部分会分解成为c 和研的蒸汽。但是在1 8 0 0 。c 以下时，由于s i c 材料中碳的 溶解度低，只有约0 1 ，所以c 和所的晶体形态非常容易以化合态共存，而不以合 金的形式存在，利用s i c 材料的这一高温状态特性可以制备s i c 晶体材料【眩】。 1 3 5s i c 单晶的力学性质 s i c 材料的莫氏硬度可达9 2 9 5 。由于这种高硬度的特性，s i c 材料被广泛应用 于研磨抛光脆硬材料的磨料和结构材料的增强剂。另外纳米级s i c 材料颗粒呈现出的 是原子晶体特征，具有明显的耐腐蚀、强度高、硬度大、耐磨性能好等力学性能，可 以用在结构涂层或复相陶瓷的改性添加相。纳米s i c 晶须是一维单晶体结构，它具有 很高的强度、杨氏模量，和耐热性。由于s i c 晶须的强度近似于晶体理论强度值，因 此它经常作为增强剂被加入到金属陶瓷和工程塑料基体中起到增强和增韧作用。 1 3 6s i c 单晶的电学性质 常温下s i c 材料是一种半导体材料，具体杂质导电性的特征，含杂质s i c 材料导 6 工程硕士学位论文 基于白刚玉微粉的s i c 单晶片( o 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究 电性能会因杂质不同而不同；而高纯度的s i c 材料具体随着温度的升高电阻率会下降 的特点。不同的s i c 晶体材料在电学性质方面差别相当大，最大不同就是带隙随晶体 结构而变，如：3 c s i c 的带隙为2 3 9 e v ，6 h s i c 为3 0 2 3 e v 和4 h s i c 为3 2 6 3 e v 。 3 c ，6 h ，4 日s i c 这三种材料是目前s i c 研究最为成熟的宽带隙半导体。研究发现， 3 cc s i c 的电子迁移率是最高的，其高临界击穿电场和高热导率决定着可以在 3 c n c 基片上得到较高的器件密度【l2 1 。6 h 两c 的抗辐射能力是s i 器件高1 0 1 0 0 倍，还具有高的声波传播速度( 7 8 k m s ) ，可用在光电子学、抗辐射电子学、高温电子 学和高频大功率器件领域具有应用价值。4 日s i c 的带隙比6 h s i c 更宽，电子迁移 率接近于3 c s i c ，研究者认为4 h s i c 是大功率器件方面最有前途的s i c 材料。 1 4 碳化硅材料的用途 1 4 1 磨料磨具方面的用途 由于s i c 材料硬度高和化学稳定性好的优良特性，使所c 材料在磨料磨具的制作 方面用途非常广泛。目前在磨料磨具行业主要用于制作砂带、砂轮、磨块、研磨膏等 研磨产品【i6 】；随着对光伏产品基体表面质量要求较高越来越高，在单晶硅、多晶硅和 电子行业的压电晶体等材料研磨、抛光方面应用也较为普遍。s i c 材料在磨料磨具的 含量越多，其硬度和材料去除率等磨削性能也越好。 1 4 2 化工方面的用途 s i c 材料在化工方面的用途主要有：制备碳化硅脱氧剂，在炼钢中作为脱氧剂使 用，也可作为铸铁加工中改良剂。另外s i c 脱氧剂是一种新型的强复合型脱氧剂，在 钢铁冶炼中不可缺少，是传统的硅粉碳粉、硅铁粉、电石脱氧的替代品。其主要特点 是脱氧反应快速，白渣形成快，还原时间短，节约能源，提高效率，提高质量，降低 消耗，减少污染和改善劳动条件 1 4 3 用于耐磨、耐火、耐腐蚀材料 在冶炼行业中不但用到了碳化硅的耐酸碱性和低温抗氧化性，还用到了碳化硅 的耐腐蚀和耐高温特性，在钢铁冶炼行业和有色金属冶炼行业的冶炼设备中的很多零 部件都可以用颞c 材料制成，如冶炼炉衬、衬板、支撑件、铝电解槽、铜熔化炉、热 电偶保护管等，故在金属冶炼行业应用广泛，另外在高性能机械材料和零部件的制造 方面主要用于制作要求耐磨、耐蚀和耐高温性能较高的碳化硅陶瓷材料和制作航天火 箭的喷灌、燃气轮机的叶片等。此外，研c 材料耐磨、耐火、耐腐蚀的特性也可能成 为高速公路和航空飞机跑道建造中的理想材料之一。 7 绪论工程硕士学位论文 1 4 4 电子器件方面的应用 碳化硅在电子器件方面的应用最为广泛，也是发挥碳化硅优越性的主要领域。 利用碳化硅的优良电学特性制作的耐高温大功率半导体器件有t m e s f e t 、 m o s f e t 、b j t 、j f e t 等等，它们能够在超过5 0 0 环境温度下正常工作，为极端 环境下的电子系统能够有效稳定的工作提供了可能性，例如在新兴航空航天数据测 量、国防武器系统的相控阵雷达以及关系国计民生的石油地质勘探等领域中都有广泛 应用。在众多的碳化硅多型体中，6h 和3 c s i c 的禁带宽度为3 0 2e v 和2 3 9e v ， 这一禁带宽度正好处在绿、蓝光相等短波长度的发光波段内，利用禁带宽度优势制作 的高亮度蓝光l e d 实现全彩色大面积的显示。此外为了能够检测飞机、汽车以及火 箭的核心部件发动机的燃烧状态，美国的g r e e 公司就利用碳化硅材料成功的研制出 了紫外光敏二极管，与高温集成电路一起组成闭环控制实现了可靠测量和有效的监 控，显着提高了发动机工作效率和发动机安全可靠运行的安全系数，可以预见未来碳 化硅在电子器件方面技术将得到大幅提升，也将为人们生活质量的提高贡献重要的力 量。 1 5 碳化硅单晶片加工技术的国内外现状 1 9 8 9 年第一种碳化硅衬底圆晶片加工成品面世销售，自此碳化硅制作的电子器 件和集成电路获得高速发展。目前在很多领域都出现的碳化硅产品，如高亮度的发光 二极管、温炉窑构件、紫外光敏二极管、短波半导体激光器等i i7 ，经过2 0 多年的发 展，目前碳化硅器件加工技术和加工工艺已经可以支撑制造大型的商用器件。国内的 碳化硅加工制造技术和科研成果都取得了可喜的成果，能够进一步促进碳化硅器件获 得更加广泛的商业应用。 s i c 晶体衬底在电学领域应用的关键技术是单晶生长技术和单晶基片的超精密 加工技术。不仅生长出高质量大直径的s i c 单晶极为重要，而且此后的单晶基片加工 对衬底的表面质量起着决定性作用，并且直接影响衬底的加工成本和生产效率。在半 导体照明器件的生产中，适合于s i c 基l e d 的外延工艺要求衬底表面的粗糙度 5 n m ，且衬底表面无缺陷、无损伤。目前，s i c 单晶基片的加工研磨抛光工艺是：内 圆锯切片、游离磨料研磨抛光和固结磨料机械抛光等工艺方法。由于s i c 单晶材料的 硬度很高( 莫氏硬度为9 2 ，仅次于莫氏硬度为1 0 的金刚石) 、化学稳定性高( 常温 下几乎不与其它物质反应) 、晶体材料质量比a 1 2 0 3 和s i 晶体差、机械a n - r 性能差、 材料价格高等特殊性，采用目前使用的加工工艺进行加工存在加工质量低、加工效率 低、加工成本高、加工工艺稳定性差等方面的技术难题，加工出的基片质量不能满足 对c 器件的生产和市场要求。 在对s i c 材料超精密加工的不断深入研究和探索中，研究人员意识到：传统的机 工程硕士学位论文 基于白刚玉微粉的s i c 单晶片( o 0 0 1 ) c 面化学机械抛光研究 械加工方法已经不能满足超光滑无损伤基体表面的质量要求。从能量角度分析，在材 料去除加工中，至少需要相当于材料化学键结合能与依赖于温度、化学平衡度和反应 速度等因素的表面障壁能之和的加工能量。因此，如果在传统机械加工工艺的基础上 加入化学作用、表面活化效应等方法，使其与机械加工中纳米磨粒碰撞以及磨粒摩擦、 划擦等作用相结合，就会形成新的加工工艺技术。 s i c 晶片表面的加工质量和精度的好坏，直接影响到器件制作工艺和器件的使用 性能。经过科研人员不懈努力，目前国内外已开发出几种符合晶片表面质量要求的超 精密加工方法。包括化学机械抛光( c m p ) 、电化学抛光( e c m p ) 、催化剂辅助抛光 ( c a c p ) 和摩擦化学抛光( t c p ) 等工艺方法。在对这几种加工方法的对比研究中 发现，只有使用c m p 加工的最终表面能够达到器件制造的要求目标。化学机械抛光 ( c m p ) 技术是近十几年发展起来的利用化学和机械复合作用实现超光滑无损伤表面 加工的新技术。在化学机械抛光时，通过化学抛光液与工件表面的反应，在工件表面 产生一层反应膜，然后通过抛光液中磨粒和抛光垫的机械作用去除这层薄膜，新露出 的工件表面再进行化学反应，这样在化学作用和机械作用的交替进行中完成对基片表 面抛光。国内外对集成电路制造中单晶硅片、层间介质和金属的c m p 机理、工艺规 律以及关键技术进行了大量研究，c m p 已经在单晶硅衬底制备和多层布线结构的层 间平坦化中得到成功应用。 s i c 单晶基片的超精密加工工艺涉及基片研磨和磨削加工以及基片抛光等加工 技术，国内外这些技术研究的发展现状和趋势分述如下： 1 ) 基于游离磨料的传统化学机械抛光方面 2 0 世纪9 0 年代以来s i c 单晶基片的c m p 超精密加工工艺方法及器件的研制受 到美、日、俄等国家科研人员的极大关注，成为研究热点。经过努力，c m p 技术的 应用和推广在很多种类的脆硬材料的精密加工中都取得了快速发展。虽然取得了不小 的进展，但由于c m p 加工影响因素的复杂性及产生背景的特殊性，其理论研究相对 不足，限制了c m p 加工表面质量的进一步提高，所以必须研究确切的c m p 加工机 理。除此以外，c m p 技术还在精细陶瓷、光学玻璃、石英晶体、砷化镓晶体、蓝宝 石晶体等多种硬脆材料的加工中得到应用。此外，台湾和同本学者研究了利用磨料与 基片之间固相化学反应的机械化学抛光( m c g ) 技术和利用磨削液的化学作用和磨粒 机械作用的化学机械磨肖i j ( c m g ) 技术，在由3 0 0 m m 硅片薄化加工中达到了c m p 加工 的效果。虽然c m p 技术能够获得超光滑无损伤的晶体表面质量，但国内外目前关于 s i c 单晶基片的c m p 技术的文献较少。经查阅国内外文献资料，发现i i i v sr e v i e w t h ea d v a n c e ds e m i c o n d u c t o rm a g a z i n e 在2 0 0 6 年第1 期上报道美国的 p e n ns t a t eu n i v e r