在科技日新月異的今天，單晶碳化硅（SiC）以其卓越的物理性能，正逐漸成為高端制造領(lǐng)域的璀璨明珠。2024年，隨著超精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展，單晶SiC的加工研究取得了突破性進(jìn)展，為材料加工領(lǐng)域注入了新的活力。
單晶SiC作為一種具有高熱導(dǎo)率、高硬度、高抗腐蝕性的陶瓷材料，在航空航天、半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于其高硬度和脆性，單晶SiC的超精密加工一直是困擾科研人員的難題。傳統(tǒng)的加工方法往往難以達(dá)到理想的加工精度和表面質(zhì)量，限制了單晶SiC的廣泛應(yīng)用。
近年來，隨著超精密加工技術(shù)的不斷突破，單晶SiC的加工難題逐漸得到解決。科研人員通過深入研究單晶SiC的晶體結(jié)構(gòu)和物理性能，成功開發(fā)出了一系列新型的超精密加工方法。這些方法不僅提高了加工精度和效率，還大幅改善了加工表面的質(zhì)量。
其中，激光輔助加工技術(shù)是一項(xiàng)備受矚目的創(chuàng)新成果。通過激光束對(duì)單晶SiC進(jìn)行局部加熱，降低其硬度和脆性，從而實(shí)現(xiàn)高效、高精度的加工。此外，納米壓印技術(shù)也展現(xiàn)出了巨大的潛力。利用納米尺度的模具，可以在單晶SiC表面實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的精確復(fù)制，為制造高精度、高復(fù)雜度的器件提供了有力支持。
除了技術(shù)突破外，單晶SiC超精密加工的研究還涉及到了材料性能的優(yōu)化和加工設(shè)備的創(chuàng)新?？蒲腥藛T通過改進(jìn)單晶SiC的制備工藝，提高了其純度和結(jié)晶度，為超精密加工提供了更好的材料基礎(chǔ)。同時(shí)，針對(duì)單晶SiC的加工特點(diǎn)，研發(fā)了一系列專用的超精密加工設(shè)備，如高精度數(shù)控機(jī)床、超硬刀具等，為加工過程提供了強(qiáng)有力的支撐。
單晶SiC超精密加工技術(shù)的突破不僅推動(dòng)了材料加工領(lǐng)域的發(fā)展，還為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來了革命性的變革。在航空航天領(lǐng)域，單晶SiC的高性能使得其成為制造先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和高溫結(jié)構(gòu)件的理想材料。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，單晶SiC的優(yōu)異性能為制造高性能、高可靠性的芯片提供了有力保障。
展望未來，隨著單晶SiC超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)得到拓展和深化。同時(shí)，我們也期待更多的科研人員和企業(yè)加入到這一領(lǐng)域的研究和開發(fā)中，共同推動(dòng)單晶SiC超精密加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為人類社會(huì)的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量。
摘要
單晶碳化硅(SiC)的高脆性、高硬性和強(qiáng)化學(xué)惰性是制約第三代半導(dǎo)體超精密拋光發(fā)展的關(guān)鍵,實(shí)現(xiàn)襯底高效率、超光滑表面的加工具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于單晶SiC的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP),分別從材料去除和工藝優(yōu)化兩個(gè)維度出發(fā),闡述了CMPSiC的影響因素和規(guī)律,指出了該方法的不足。介紹了光催化、超聲振動(dòng)、電場(chǎng)、等離子體、磁流變、表面預(yù)處理等輔助CMP拋光方法,分析了復(fù)合增效拋光的去除機(jī)理和優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),輔助能場(chǎng)的介入有助于改善SiC表面質(zhì)量,并能獲得較好的加工效果,然而,復(fù)合拋光技術(shù)涉及的能場(chǎng)復(fù)雜,多能場(chǎng)作用下的材料去除機(jī)制和工藝參數(shù)匹配仍需進(jìn)行深入研究。最后,對(duì)未來單晶SiC超精密加工的研究給出了建議,并進(jìn)行了展望。
0引言
單晶碳化硅(SiC)由于具有較大的禁帶寬度、優(yōu)良的導(dǎo)熱性、高的擊穿電場(chǎng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異物理和化學(xué)性能,被廣泛認(rèn)為是制造高壓、高頻和高溫條件下功率器件典型的第三代半導(dǎo)體材料。隨著SiC襯底加工工藝的不斷發(fā)展,高頻、高功率、抗輻射器件的應(yīng)用日益增加。與硅(Si)基相比,基于SiC的大功率器件具有功率密度更高、功耗更低和尺寸更小的優(yōu)點(diǎn)。SiC器件已成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車、高鐵、不間斷電源、高壓電網(wǎng)和5G通信等領(lǐng)域。
在功率器件中,SiC襯底的表面粗糙度嚴(yán)重影響其使用性能,表面粗糙度越小,擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和擊穿所需的電荷數(shù)量越大。因此,獲得具有無表面損傷、無亞表面損傷(SSD)、原子級(jí)表面粗糙度的超光滑表面,是其廣泛應(yīng)用的必要條件。單晶SiC由于其特殊的硬脆特性和極強(qiáng)的化學(xué)惰性,導(dǎo)致可加工性差,特別是在超精密拋光方面尤為顯著。SiC襯底經(jīng)過切割、研磨和機(jī)械拋光后,表面(或亞表面)會(huì)出現(xiàn)許多損傷,如劃痕和裂紋。為了降低表面粗糙度和去除表面缺陷,對(duì)單晶SiC進(jìn)行精密拋光是必要的。
因此,為了滿足高性能半導(dǎo)體器件對(duì)高精度、高質(zhì)量、高產(chǎn)量SiC襯底的要求,國內(nèi)外學(xué)者一直致力于對(duì)SiC的研究。
1化學(xué)機(jī)械拋光
化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)中期,由于能夠同時(shí)對(duì)玻璃和金屬進(jìn)行平坦化,因而引起了人們的極大關(guān)注。CMP能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)全局和局部平坦化,所以在半導(dǎo)體晶圓制程中被廣泛使用?；瘜W(xué)機(jī)械拋光后的工件表面具有超高的面形精度,表面粗糙度為亞納米級(jí),表面超光滑無損傷。CMP技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)、金屬材料等表面超精密加工中。
在拋光過程中,工件表面與拋光液接觸,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成軟質(zhì)層。工件在壓力作用下與拋光墊相對(duì)運(yùn)動(dòng),其表面的軟質(zhì)層被拋光液中的磨料劃擦去除。CMP示意圖如圖1所示,圖中F為壓力。
CMP的微觀去除機(jī)理非常復(fù)雜,影響因素很多,拋光過程涉及到化學(xué)、摩擦學(xué)、流體力學(xué)等眾多因素,總體來講,CMP的去除機(jī)理具有復(fù)雜性,現(xiàn)有的機(jī)理研究仍存在局限性,大多是在某一方面對(duì)拋光過程進(jìn)行建模和分析,CMP去除模型依然無法得到統(tǒng)一,但是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于CMP中機(jī)械、化學(xué)協(xié)同耦合作用方面的研究和探索從未停止,尤其是在去除機(jī)理仿真和加工工藝研究?jī)蓚€(gè)方面。
1.1 SiC CMP加工機(jī)理仿真研究
為了實(shí)現(xiàn)芯片襯底的高效低損傷加工,必須系統(tǒng)研究超精密加工單晶SiC的材料去除機(jī)理以及表面損傷的產(chǎn)生機(jī)理。
2020年,Z.G.Tian等人采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,對(duì)4H-SiC和6H-SiC的C面和Si面進(jìn)行了劃痕實(shí)驗(yàn),研究表明,與Si面相比,C面的非晶態(tài)變形更少,材料的去除更有效,這種劃痕現(xiàn)象與SiC晶體基面上的位錯(cuò)有關(guān)。圖2為不同試件在不同劃擦深度下無定型原子數(shù)和位錯(cuò)數(shù)量。2021年,P.Zhou等人采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了多磨粒隨機(jī)分布的固結(jié)磨料拋光SiC基片的表面形貌、亞表面損傷特征。結(jié)果表明,多磨粒在單一粗糙面中的暴露高度和磨粒分布決定了SiC襯底的去除行為;金剛石顆粒在固結(jié)磨料拋光墊中的隨機(jī)分布會(huì)使加工質(zhì)量變差。
在CMP中除了存在與機(jī)械拋光相似的磨料劃擦作用外,化學(xué)作用的影響也至關(guān)重要。2021年,孫強(qiáng)采用分子動(dòng)力學(xué)方法分別模擬了CMP中金剛石和SiO2磨粒對(duì)SiC表面原子去除機(jī)制。結(jié)果表明,SiO2在拋光過程中比金剛石更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),原因是其通過與SiC表面原子持續(xù)成鍵和斷鍵來實(shí)現(xiàn)原子去除。2023年,Z.W.Yuan等人研究了SiC在羥基自由基(·OH)水溶液中的原子行為。結(jié)果表明,在只發(fā)生化學(xué)氧化的情況下,SiC表面吸附O、H、·OH生成Si—OH2、Si—OH、Si—H2O和Si—H等,Si原子未曾從SiC表面脫離,如圖3(a)所示。而在機(jī)械作用下,部分Si和C原子以SiO、SiO2、CO、CO2或鏈狀結(jié)構(gòu)脫離基體,其余Si和C原子則以吸附方式脫離基體,如圖3(b)所示。這些研究有助于從原子層面上解釋CMP中原子氧化去除的動(dòng)力學(xué)過程,為揭示材料去除機(jī)理提供了一種有價(jià)值的方法。
目前采用分子動(dòng)力學(xué)手段對(duì)材料去除機(jī)理以及表面損傷機(jī)理的研究逐漸深入,但依然面臨諸多問題,比如模型設(shè)置、尺寸效應(yīng)等,與實(shí)際生產(chǎn)加工存在差異。
1.2 SiC CMP工藝研究
近年來眾多學(xué)者在CMP工藝方面開展了大量的研究工作,主要集中在拋光液的配制、拋光墊選擇與制備以及拋光工藝優(yōu)化等方面。
1.2.1拋光液
在化學(xué)作用方面,拋光液起主導(dǎo)作用。其作用是將工件表面的材料氧化,生成一層質(zhì)地較軟且與基底結(jié)合力較弱的氧化膜,然后通過機(jī)械劃擦將氧化膜去除,以達(dá)到拋光的目的。影響拋光液性能的因素有氧化劑、pH值、分散劑、磨料等。
2013年,G.S.Pan等人將含H2O2、氫氧化鉀(KOH)和二氧化硅的拋光液引入6H-SiC襯底Si面的化學(xué)機(jī)械拋光中,研究了這3種成分對(duì)襯底材料去除率、表面粗糙度的影響。結(jié)果表明,當(dāng)拋光液中H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、KOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、二氧化硅顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),材料去除率(MRR)增大至105nm/h,表面粗糙度(Ra)為0.067nm。2021年,Q.X.Zhang等人通過摩擦磨損的方式研究了添加不同氧化劑(H2O2、KMnO4和Fenton試劑)的拋光液對(duì)單晶6H-SiC的影響,如圖4所示。實(shí)驗(yàn)顯示SiC在不同拋光液中的MRR不同,其中添加KMnO4的拋光液的MRR最高,不含氧化劑的硅溶膠拋光液的MRR最低。這表明氧化劑種類、pH值是影響CMP的重要因素。
分散劑的作用是使磨粒均勻地懸浮分散在拋光液中,并具有足夠的分布穩(wěn)定性。2022年,W.T.Wang等人使用不同的聚合物分散劑,包括聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸鈉(PAAS)和它們的三嵌段共聚物聚(丙烯酸)-b-PEG-b-聚(丙烯酸)(PAEG)進(jìn)行CMP實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,通過使用PAEG作為分散劑來拋光SiC襯底能獲得更好的去除率和更低的表面粗糙度。
目前研究中磨料種類是多樣的。常見磨料包括金剛石、碳化硼(B4C)、SiC、Al2O3、SiO2和二氧化鈰(CeO2),其莫氏硬度分別為10、9.4、9.2、9、7和6,CeO2、Al2O3、B4C、SiC和納米金剛石已經(jīng)被用于增強(qiáng)SiC襯底CMP拋光的機(jī)械作用。
除了單一磨料外,混合磨料也得到了研究?；旌夏チ蠏伖庖?MAS)包含兩種或更多種類型固相磨料,如ZrO2/SiO2、納米金剛石/SiO2、聚合硅酸鎂鐵鋁鋅/SiO2、SiO2/CeO2和ZrP/Al2O3等。與單一磨料拋光液相比,MAS具有更好的CMP性能。研究發(fā)現(xiàn),在SiO2拋光液中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%金剛石磨料可以將MRR從60nm/h增加到600nm/h,并將Ra從68.3nm降低到0.55nm。
此外,也研究了不同粒徑的同種磨料對(duì)機(jī)械作用的影響。2014年,X.L.Shi等人詳細(xì)分析了不同磨料粒徑的硅溶膠對(duì)4H-SiC晶圓拋光性能的影響。通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)分析得出,當(dāng)磨料粒徑較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致不規(guī)則的平臺(tái)邊緣。反之,如果磨料粒徑較小,材料的去除將更規(guī)則,并且平臺(tái)邊緣將更平坦和光滑,指出磨料粒徑是決定CMP效率和晶圓表面最終平坦化質(zhì)量的重要因素。圖5所示為不同粒徑SiO2磨料拋光后的表面,其中常規(guī)尺寸磨料平均粒徑30.8nm,大尺寸磨料平均粒徑79.3nm。
在目前的報(bào)道中,對(duì)于拋光液的研究思路包括改變氧化劑的種類和濃度、溶液pH值、分散劑、磨料等方法。通過調(diào)節(jié)拋光液中不同成分的含量,控制機(jī)械磨損與化學(xué)反應(yīng)之間的平衡,對(duì)獲得高M(jìn)RR和無原子平面缺陷的表面起著關(guān)鍵作用。
1.2.2拋光墊
拋光墊是CMP中的主要耗材,其自身性質(zhì)、所受外力均會(huì)影響拋光效果。
2017年,D.Lee等人通過有限元分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法測(cè)算了不同型號(hào)聚氨酯拋光墊的彈性模量與泊松比。該研究為之后CMP工藝中應(yīng)力分布研究奠定了基礎(chǔ)。2022年,郝曉麗分別采用聚氨酯、尼龍、超纖拋光布三種不同材質(zhì)的拋光墊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在拋光盤轉(zhuǎn)速為60r/min、施加壓力為25kPa、拋光液磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的條件下,聚氨酯拋光墊的拋光效果最好。
為了進(jìn)一步提高拋光效率和表面質(zhì)量,新型拋光墊的研制得到了快速發(fā)展。2016年,J.K.Ho等人將Fe和Al2O3顆粒浸漬在聚氨酯基體中,形成固結(jié)磨料拋光墊,研究了固結(jié)磨料拋光墊拋光SiC晶片的表面特性和材料去除率,并與聚氨酯拋光墊進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Fe和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%Al2O3的拋光墊拋光時(shí),材料去除率提高了73%,并且拋光后的表面無損傷。該工藝不僅縮短了拋光時(shí)間,而且降低了拋光成本。2022年,J.G.Yao等人采用固化法制備了自退讓性固結(jié)磨料拋光墊(SR-FAPP),用聚氨酯拋光墊和SR-FAPP對(duì)SiC晶片進(jìn)行CMP后,發(fā)現(xiàn)前者材料去除率高于后者,在微觀形貌上,后者拋光后的SiC晶片表面的劃痕明顯減少,有效改善了拋光后SiC晶片表面劃痕的不均勻性。
作為CMP機(jī)械作用中的重要部分,拋光墊的選擇或制備是實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中的必要一環(huán),其制作材料、鑲嵌磨粒類型及分布等均對(duì)拋光效果有著較大影響。
1.2.3工藝優(yōu)化
在CMP中,拋光效果是多個(gè)工藝參數(shù)耦合的結(jié)果,探究壓力、轉(zhuǎn)速、粒徑、拋光液體積流量對(duì)材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律,優(yōu)化工藝參數(shù)是提高拋光效果的有效措施。2013年,J.X.Su等人研究了拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光壓力和磨料尺寸等CMP工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響。研究結(jié)果表明,材料去除率隨著磨料尺寸、轉(zhuǎn)速和拋光壓力的變化而顯著變化。在相同條件下,Si面的MRR大于C面。2021年,龐龍飛等人調(diào)整拋光液體積流量、轉(zhuǎn)速、壓力等工藝參數(shù)對(duì)SiC晶片進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),最終經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化,得到了Ra為0.099nm的光滑表面。2022年,章平等人較為詳細(xì)地研究了工藝參數(shù)對(duì)拋光的材料去除率以及表面粗糙度的影響。通過調(diào)節(jié)拋光壓力、轉(zhuǎn)速、拋光液體積流量,探究了工藝參數(shù)對(duì)SiC加工過程中氧化膜去除率(機(jī)械作用)的作用規(guī)律。結(jié)果表明壓力、轉(zhuǎn)速、拋光液體積流量分別為38.68kPa、120r/min、90 mL/min時(shí),化學(xué)作用與機(jī)械作用最接近于平衡點(diǎn),此時(shí)MRR為92nm/h,Ra的最低值為0.158nm。
工藝參數(shù)與MRR、Ra之間的關(guān)系也可以通過建立模型來進(jìn)行預(yù)測(cè),為SiC的CMP加工提供參考。2021年,J.Y.Deng等人基于改進(jìn)的Preston方程,研究了工藝參數(shù)對(duì)SiC拋光MRR和Ra的影響,并利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了MRR和Ra的預(yù)測(cè)模型,如圖6所示。結(jié)果表明,隨著FeSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)、H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值的升高,MRR呈先升高后降低的趨勢(shì),拋光后Ra呈先降低后升高的趨勢(shì)。隨著磨料粒徑、磨料濃度、拋光壓力和拋光速度的增加,MRR不斷增大。Ra隨磨料粒徑和磨料濃度的增加而不斷減小,隨著拋光壓力的增加而增大,隨著拋光速度的增加而先減小后增大。不難看出,在SiC單晶的CMP中通過工藝優(yōu)化,對(duì)拋光效果起到了一定的改善和提高作用。
綜上所述,目前CMP的研究比較全面,涉及了分子動(dòng)力學(xué)仿真模擬和各因素實(shí)驗(yàn)分析,為SiC單晶的超精密拋光生產(chǎn)、應(yīng)用提供了大量的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。但是,由于SiC的強(qiáng)化學(xué)惰性,在CMP拋光過程中工件表面的化學(xué)反應(yīng)速率有限,材料去除率遇到瓶頸。
2增效化學(xué)機(jī)械拋光
目前化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除率以及加工后的表面粗糙度,已經(jīng)很難通過改變工藝取得大的突破。在CMP拋光的基礎(chǔ)上施加增效輔助,成為了近些年大幅度提高材料去除率和降低表面粗糙度的最優(yōu)選擇。
2.1光催化化學(xué)機(jī)械拋光
光催化化學(xué)機(jī)械拋光(PCMP)示意圖如圖7所示。將單晶SiC工件粘貼在拋光頭底端,使用含有光催化劑的拋光液,通過紫外光的照射,光催化劑顆粒表面產(chǎn)生空穴和電子,吸附在光催化劑顆粒表面的H2O和OH-可通過光生電子和空穴氧化成羥基自由基,然后將單晶SiC表面氧化成SiO2,化學(xué)反應(yīng)式為
可以看出通過機(jī)械劃擦能夠輕易去除SiO2層,實(shí)現(xiàn)工件的平坦化加工。
2021年,W.T.Wang等人研究了pH值、TiO2用量對(duì)CMP的影響,最終優(yōu)化拋光工藝。結(jié)果表明,當(dāng)pH值為6、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%時(shí),平均表面粗糙度為0.521nm,MRR為608 nm/h。2022年,W.T.Wang等人將MAS與光催化效應(yīng)相結(jié)合,通過使用由Al2O3和ZrO2磨料組成的MAS,在UV照射下獲得了694nm/h的材料去除率和0.489nm的表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,UV-TiO2的引入可以提高拋光效率,但其作用機(jī)制還需要進(jìn)一步探討。
2022年,Y.He等人通過反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)的方法,研究了PCMP羥基自由基水溶液中化學(xué)與機(jī)械相互促進(jìn)機(jī)制。通過單顆粒磨粒在SiC表面的劃擦,研究了納米顆粒在拋光過程中促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的行為。Si/C原子主要以SiO、CO、SiO2和CO2的形式斷裂或逃逸。此外,X射線光電子能譜(XPS)和納米壓痕的結(jié)果也驗(yàn)證了PCMP化學(xué)和機(jī)械相互促進(jìn)的去除機(jī)制。通過檢測(cè)到的氧化產(chǎn)物、表面硬度,表明該工藝活化并去除SiC材料,產(chǎn)生光滑且無損傷的表面,Ra為0.269nm。
2023年,H.Lee從摩擦學(xué)角度對(duì)CMP、MASCMP和PCMP進(jìn)行了比較研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PCMP具有更高的摩擦力和MRR,這可能是由TiO2顆粒光催化氧化導(dǎo)致的。
目前,有關(guān)PCMP的研究涉及多個(gè)方面,包括pH值、TiO2用量、磨料等,也從摩擦學(xué)角度進(jìn)行了理論分析。紫外光和光催化劑的引入,可以極大地提高拋光中的氧化反應(yīng)速率,從而改善拋光效果。此外,PCMP是一種高效、清潔的SiC襯底拋光方法,且不釋放對(duì)環(huán)境和人體健康有害的化學(xué)物質(zhì)。
2.2超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光
超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光(UVACMP)是一種經(jīng)濟(jì)有效地提高SiC單晶拋光性能的技術(shù)。通過超聲波發(fā)生器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng),超聲振動(dòng)作用在拋光區(qū),使拋光液中磨料更加分散,并且使磨料獲得一定動(dòng)能,加大了拋光中的機(jī)械作用,同時(shí)振動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱促進(jìn)了拋光中的化學(xué)作用,超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光示意圖如圖8所示。
2018年,翟文杰等人利用分子動(dòng)力學(xué)方法建立SiC原子模型,分析了刻劃過程超聲振動(dòng)對(duì)SiC晶體結(jié)構(gòu)、溫度、法向力和切向力的影響規(guī)律,同時(shí)也分析了振動(dòng)頻率對(duì)拋光質(zhì)量及材料去除率的影響。結(jié)果表明:超聲振動(dòng)的引入將大幅降低磨粒所受平均切向力和法向力,從而有利于刻劃加工的進(jìn)行及其表面質(zhì)量的提高;但當(dāng)振動(dòng)頻率超過一定值后,超聲振動(dòng)對(duì)材料去除率和表面質(zhì)量的影響不大。通過分子動(dòng)力學(xué)仿真,研究了超聲輔助劃擦的微觀去除機(jī)理,為實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。
2018年,Y.Hu等人提出超聲化學(xué)機(jī)械拋光方法,進(jìn)行了有、無超聲振動(dòng)輔助的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,超聲CMP能有效地降低工件的表面粗糙度的峰谷值(PV),超聲振動(dòng)輔助可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),提高拋光效率,改善表面質(zhì)量,最終MRR為1057 nm/h、表面粗糙度PV為0.474μm。2022年,X.Chen等人提出了一種利用超聲振動(dòng)、Fenton氧化和機(jī)械沖擊復(fù)合機(jī)理對(duì)SiC進(jìn)行高效拋光的超聲振動(dòng)化學(xué)輔助拋光方法。超聲和Fenton氧化的相互作用實(shí)現(xiàn)了更高的拋光效率和質(zhì)量,與機(jī)械拋光(MP)相比,MRR提高了19.51%,Ra降低了18.3%。這是由于化學(xué)拋光液產(chǎn)生的·OH氧化與超聲振動(dòng)機(jī)械去除的協(xié)同促進(jìn)作用所致。
有學(xué)者對(duì)超聲振幅和頻率的變化進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明,添加超聲振動(dòng)輔助使MRR增大,但加工表面質(zhì)量有所降低。施加超聲振動(dòng)輔助在其他形式的加工中已得到成熟應(yīng)用,在化學(xué)機(jī)械拋光SiC領(lǐng)域也取得了不錯(cuò)的效果,可以同時(shí)增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械作用,有助于提升材料去除率,但加工表面質(zhì)量改善幅度不大,有待優(yōu)化研究。
2.3電化學(xué)機(jī)械拋光
電化學(xué)機(jī)械拋光(ECMP)示意圖如圖9所示。ECMP是一種利用電解液作為拋光液,將工件的電化學(xué)腐蝕與機(jī)械拋光相結(jié)合的精密工藝。在單晶SiC(作為陽極)表面帶電后通過陽極氧化產(chǎn)生氧化層,然后用軟磨料機(jī)械去除氧化層,最后獲得超光滑無損傷的表面。
2015年,H.Deng等人采用CeO2拋光液作為陽極氧化的電解液和拋光介質(zhì)去除氧化層。由于陽極氧化的結(jié)果,表面硬度從34.5GPa下降到1.9 GPa。結(jié)果表明,ECMP材料的去除率為3620nm/h。采用CeO2拋光液進(jìn)行了30 min的ECMP,工件原有劃痕均被去除,獲得了光滑的表面,均方根(RMS)粗糙度為0.23nm,如圖10所示。該實(shí)驗(yàn)獲得了理想的拋光效果,但是對(duì)于拋光中氧化機(jī)理的研究不夠深入。
2020年,X.C.Yin為了闡明SiC表面陽極氧化機(jī)理,進(jìn)行陽極氧化和機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)。X射線衍射結(jié)果表明,由于表面氧化作用,改性表面的主要元素為Si和O,說明改性后的SiC表面形成了SiO2氧化層。并且,他提出一種基于內(nèi)外雙向擴(kuò)散理論的陽極氧化過程模型,在氧化過程中,SiO2和SiC之間可能形成了一層含氧化SiC(Si—C—O)的過渡層,以此來揭示該方法的去除機(jī)理。
2021年,X.Z.Yang等人研究了溫度、表面損傷、摻雜濃度和應(yīng)變對(duì)SiC氧化速率的影響規(guī)律,這些因素對(duì)SiC的陽極氧化有促進(jìn)作用。加工損傷和摻雜對(duì)SiC陽極氧化的促進(jìn)作用主要是由SiC表面的加工殘余應(yīng)變和摻雜應(yīng)變引起的。壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變均能提高SiC的陽極氧化速率。在此基礎(chǔ)上,2022年,X.Z.Yang等人通過模擬質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%NaCl水溶液中SiC的陽極氧化體系,研究了SiC表面陽極氧化過程中的電荷利用效率,并闡明其機(jī)理。當(dāng)電流密度小于20 mA·cm-2時(shí),SiC陽極氧化過程中的電荷利用效率保持恒定,當(dāng)電流密度大于30mA·cm-2時(shí),電荷利用效率顯著降低,導(dǎo)致MRR顯著降低。
ECMP的關(guān)鍵是如何控制電氧化速率,電流密度、工件原始表面和亞表面質(zhì)量是影響加工效果的重要因素。
2.4等離子體輔助拋光
等離子體輔助拋光(PAP)是一種將大氣等離子體照射與軟磨料拋光相結(jié)合的精密拋光技術(shù)。PAP技術(shù)由K.Yamamura于2010年提出,圖11為PAP示意圖(圖中DPM為露點(diǎn)儀,MFC為質(zhì)量流量控制器、UPW為超純水),該裝置由獨(dú)立安裝的等離子體產(chǎn)生和機(jī)械去除部分組成。大氣等離子體輻照可在單晶SiC表面形成氧化層,通過機(jī)械裝置去除氧化層后,獲得無內(nèi)應(yīng)力、無SSD的原子級(jí)光滑表面。
2012年,H.Deng等人提出了一種新型的等離子體輔助拋光技術(shù)。該技術(shù)利用氦基水蒸汽等離子體對(duì)SiC表面的力學(xué)和化學(xué)性能進(jìn)行了改性。X射線光電子能譜測(cè)試結(jié)果表明,等離子體輻照后表面得到有效氧化,主要產(chǎn)物為SiO2。白光干涉儀掃描圖像顯示,PAP處理后的表面劃痕消失,Ra、均方根粗糙度也從4.41nm、0.621nm分別下降到1.889nm、0.280nm。利用透射電子顯微鏡對(duì)PAP處理后的表面進(jìn)行了觀察,結(jié)果表明幾乎沒有引入結(jié)晶缺陷。2014年,H.Deng等人對(duì)等離子體氧化和磨料拋光進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)氦氣中水蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí),等離子體氧化速率大大提高。2013年,H.Deng等人[60]將水蒸汽等離子體輻照和CeO2磨料拋光相結(jié)合,獲得了一個(gè)均方根粗糙度約0.2nm原子級(jí)平面的4H-SiC表面,其具有有序的臺(tái)階/平臺(tái)結(jié)構(gòu)。水蒸汽等離子體氧化碳化硅層和軟磨料機(jī)械去除氧化層的結(jié)合,可以獲得4H-SiC(0001)的原子級(jí)平面表面,而不會(huì)引起晶體亞表面損傷。
2016年,H.Deng等人將等離子體化學(xué)氣化加工(PCVM)和等離子體輔助拋光相結(jié)合,采用非接觸式干法刻蝕PCVM去除SSD層,以及采用等離子體改性和軟磨料拋光相結(jié)合的PAP對(duì)SSD層進(jìn)行無損傷拋光。PCVM處理5 min后,雖然表面粗糙度略有提高,但研磨形成的劃痕和SSD層被完全去除。經(jīng)PAP處理后,獲得了均方根粗糙度為0.6nm的無劃痕表面。
PAP技術(shù)可以獲得原子級(jí)光滑表面,且無亞表面損傷,但是材料去除率低,設(shè)備昂貴,從而限制了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
2.5磁流變輔助拋光
磁流變輔助拋光引入磁流變彈性體(MRE),與化學(xué)機(jī)械拋光相結(jié)合,在外加磁場(chǎng)、磁性拋光墊、氧化還原反應(yīng)的共同作用下,提高工件的材料去除率,降低表面粗糙度,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超精密加工。磁流變輔助拋光示意圖如圖12所示。
2022年,D.Hu等人制備了聚氨酯基磁流變彈性體拋光墊,將其用于單晶SiC的磁控力學(xué)性能、磁拋光效果的研究。采用MRE拋光墊對(duì)原始表面粗糙度為80nm的單晶SiC進(jìn)行90min的拋光實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,MRE拋光墊的剪切模量增大,拋光過程的材料去除率增大,表面粗糙度減小。2022年,鄧子默[63]通過單因素實(shí)驗(yàn)分析了工作間隙、通電電流和拋光時(shí)間對(duì)單晶SiC磁流變拋光效果的影響。獲得了亞納米級(jí)表面粗糙度,指出Ra隨電流的增大而減小,隨工作間隙的增大而增大。
為了提升磁流變拋光中的化學(xué)作用,引入Fenton反應(yīng)成為新的研究方向。2019年,H.Z.Liang等人基于Fenton反應(yīng)原理,提出了化學(xué)-磁流變復(fù)合拋光(CMRF)方法。為了研究CMRF的材料去除特性,對(duì)羰基鐵粉與磨料進(jìn)行了受力分析,并基于工件表面磁流變效應(yīng)計(jì)算了拋光墊的拋光力。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)Preston方程,建立了材料去除模型。通過對(duì)單晶SiC晶片進(jìn)行CMRF測(cè)試,發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致。2022年,D.Hu等人采用MRE中的磁性顆粒(Fe3O4/CIP)作為非均相Fenton反應(yīng)的固相催化劑,對(duì)單晶SiC進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。結(jié)果表明,在MRE中使用Fe3O4/CIP作為固相催化劑,對(duì)拋光SiC進(jìn)行非均相Fenton反應(yīng),可大幅度提高M(jìn)RE拋光墊的材料去除能力,同時(shí)改善拋光質(zhì)量。
在CMP中引入磁場(chǎng),可以有效提高材料去除率和表面質(zhì)量。此外,在特制拋光墊中加入Fenton反應(yīng)催化劑,也是一種行之有效的方法。
2.6表面預(yù)處理輔助拋光
表面預(yù)處理輔助是指在CMP之前,對(duì)工件表面施加其他能量形式進(jìn)行預(yù)處理,以達(dá)到降低表面初始硬度,易于拋光的目的。表面預(yù)處理的方式多樣,如激光預(yù)處理、熱氧化預(yù)處理等。
2019年,B.B.Meng等人采用分子動(dòng)力學(xué)方法,在納米尺度上研究了飛秒激光輔助加工過程中SiC改性層的可加工性和去除機(jī)理。結(jié)果表明:改性層中的微/納米結(jié)構(gòu)對(duì)材料去除過程有顯著影響,SiC表面結(jié)構(gòu)有效地提高了去除率,減小了亞表面損傷深度。SiC改性層在納米級(jí)加工過程中的去除機(jī)制與未處理表面的不同,當(dāng)預(yù)設(shè)加工深度大于改性層深度時(shí),去除和變形機(jī)制的主要形式由非晶化和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Щ蛪K狀剝落,表面改性有效地降低了磨粒磨損程度。
2021年,B.Gao等人提出了一種皮秒激光輔助CMP方法,首先用皮秒激光對(duì)SiC的Si面進(jìn)行預(yù)處理,然后進(jìn)行拋光。結(jié)果表明:皮秒激光預(yù)處理(PLP)產(chǎn)生的波紋和多晶層改善了表面加工性能,同時(shí)PLP氧化的C—O、Si—C—O和Si—O鍵易于材料去除。與非激光預(yù)處理樣品相比,激光預(yù)處理后樣品的材料去除率在拋光時(shí)前45 min顯著提高,而表面粗糙度顯著降低,如圖13所示。2021年,G.P.Chen等人采用納秒激光調(diào)制技術(shù)對(duì)SiCSi面進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)果表明,該技術(shù)可使表面氧含量增加,且氧化物成分一致,用Al2O3拋光液拋光后,Ra低至0.081nm。
除了高能激光對(duì)表面預(yù)處理的方式外,采用熱氧化手段進(jìn)行表面預(yù)處理也取得了較好效果。2018年,H.Deng等人采用熱氧化預(yù)處理與軟磨料拋光相結(jié)合的拋光工藝,實(shí)現(xiàn)了4H-SiC的原子尺度無損傷加工。通過熱氧化預(yù)處理,C面的硬度從4.6GPa降低到1.7GPa,使用CeO2拋光液高效拋光。對(duì)于未預(yù)處理的常規(guī)CeO2拋光液拋光,拋光16h后仍存在劃痕,而對(duì)熱氧化表面進(jìn)行拋光,拋光3h即可獲得無劃痕且SiC原子排序良好的表面。將表面預(yù)處理和軟磨料拋光相結(jié)合的方法能夠?qū)崿F(xiàn)4H-SiC的C面原子尺度無損傷加工。盡管表面預(yù)處理可以應(yīng)用于多種材料,但是目前很難實(shí)現(xiàn)表面精準(zhǔn)處理,易產(chǎn)生亞表面損傷和晶體缺陷,亟需深入研究。
3拋光技術(shù)對(duì)比及發(fā)展方向
3.1主要精密拋光技術(shù)比較
綜上所述,CMP不管是在實(shí)驗(yàn)原理上,還是在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上,都是最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)的。但拋光液通常含有強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿以及強(qiáng)氧化劑,對(duì)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)者會(huì)產(chǎn)生危害,而且其拋光效率已到了瓶頸。
目前增效化學(xué)機(jī)械拋光得到了越來越多的關(guān)注,比如光催化輔助、超聲振動(dòng)輔助、電化學(xué)輔助、等離子體輔助、磁流變輔助、激光預(yù)處理、預(yù)熱處理等增效方式。光催化輔助增效方式需要增加一套紫外光設(shè)備,拋光液中需添加光催化劑,得到的表面質(zhì)量和拋光效率相對(duì)于CMP有了較大的提高。超聲振動(dòng)輔助增效方式在其他加工領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用,而用于輔助CMP時(shí),需要在CMP設(shè)備的基礎(chǔ)上添加一套超聲設(shè)備,目的是加快化學(xué)反應(yīng)并提高機(jī)械去除能力。電化學(xué)增效方式需要增加一套電化學(xué)系統(tǒng),并且工件表面容易留下電流腐蝕痕跡,導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。等離子體輔助增效方式需要復(fù)雜的等離子體產(chǎn)生和照射裝置,操作性差,但可得到階梯型微觀形貌,所得表面粗糙度極低,目前研究較少。磁流變輔助增效方式在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用,需要制作特定拋光墊,可以得到較為理想的拋光效果。對(duì)材料進(jìn)行表面預(yù)處理,能夠降低表面硬度,可以實(shí)現(xiàn)快速去除的目的,但是對(duì)于控制預(yù)處理的厚度以及避免外來能量對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,仍是目前的難題和挑戰(zhàn)。
高效率地獲得光滑表面是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵問題,因此材料去除率和表面粗糙度被認(rèn)為是評(píng)價(jià)單晶SiC拋光工藝兩個(gè)最重要指標(biāo)。不同拋光方法之間的對(duì)比如表1所示。
單個(gè)方向增效可以獲得單個(gè)方面的提高,比如光催化輔助可以提升化學(xué)氧化作用,但如果機(jī)械作用無法與之同步,得到的加工效果則有限。
因此多個(gè)技術(shù)方向復(fù)合增效以達(dá)到化學(xué)氧化作用和機(jī)械去除作用同時(shí)提升的方法,引起了研究者的注意。比如,2019年,Y.He等人開發(fā)了一種用于4H-SiC晶圓Si面的電增強(qiáng)光催化拋光方法,如圖14所示。電流可以有效地防止半導(dǎo)體顆粒表面產(chǎn)生的電子與空穴的復(fù)合,從而提高拋光效率。以P25為光催化劑、H2O2為電子捕獲劑的拋光液拋光性能最好,MRR約為1180nm/h,在1.0μm×1.0μm范圍內(nèi),Ra約為0.053 nm。2019年,翟文杰等人對(duì)SiC進(jìn)行了超聲-電化學(xué)機(jī)械研拋實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在試件與拋光盤之間的電壓為+10V時(shí),材料去除率比無電壓時(shí)提高了55.1%;當(dāng)對(duì)試件施加超聲-電場(chǎng)作用后,材料去除率比無超聲時(shí)提高了91.7%。
2021年,T.Yin等人采用高濃度氧氣氛圍與光催化輔助拋光相結(jié)合,對(duì)SiC襯底CMP特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:與常規(guī)空氣氣氛相比,將空氣氣氛中的氧(O2)分壓增加到300kPa,Si面和C面的材料去除率均增加超過2倍。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖15[72]所示。2022年,鄧家云使用Fe3O4作為催化劑,對(duì)電Fenton化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行了研究,利用電場(chǎng)參數(shù)控制CMP中·OH的生成速率和總濃度,實(shí)現(xiàn)·OH的持續(xù)、穩(wěn)定、可控生成,加速SiC的氧化腐蝕作用,從而達(dá)到與磨粒去除的協(xié)同效應(yīng),最終MRR為2358nm/h、Ra為0.372nm。
可以看出,利用復(fù)合能場(chǎng)輔助CMP方法,可以取得較好的效果,但是目前研究還不深入,多能場(chǎng)耦合下材料去除機(jī)理及工藝參數(shù)設(shè)置還需深入研究。
4結(jié)語
隨著SiC器件應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,對(duì)SiC襯底的加工效率及表面質(zhì)量也提出了更高的要求。因此可用于SiC超精密拋光的CMP工藝受到了廣泛關(guān)注。在當(dāng)前的研究中,對(duì)CMP中拋光液、拋光墊、工藝參數(shù)等因素進(jìn)行了多方面的選擇優(yōu)化;并基于能場(chǎng)輔助提升化學(xué)和機(jī)械作用,進(jìn)一步改善拋光效果。
綜上所述,可得出:①CMP拋光單晶SiC面臨的主要問題是材料去除率低(MRR<200nm/h),這與SiC的強(qiáng)化學(xué)惰性有關(guān),拋光過程中表面氧化層的反應(yīng)速率是影響加工效率的關(guān)鍵因素;②SiC表面氧化層的形成和去除是揭示材料去除過程的基礎(chǔ),弄清氧化層的反應(yīng)機(jī)制和劃擦作用有助于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐;③增效CMP復(fù)合拋光方法的核心是增強(qiáng)SiC的化學(xué)作用,以提升材料去除率,取得的效果顯著,但新增加的能場(chǎng)(聲、光、電等)會(huì)使材料的去除過程變得復(fù)雜,不確定性增加;④多能場(chǎng)增效CMP拋光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)效率和精度的提升,具有廣闊的應(yīng)用前景,然而,多能場(chǎng)激勵(lì)下的拋光去除機(jī)理、各參數(shù)與加工效果之間的映射關(guān)系尚不清晰,需要深入研究。隨著加工方法的不斷成熟,高頻、高功率的SiC器件及電路在未來將會(huì)發(fā)揮更大的作用。
來源：微納電子技術(shù)
作者：田壯智1,2,班新星1,2,3*,韓少星3,段天旭1,2,鄭少冬1,2,朱建輝3
(1.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,鄭州450001;
2.河南省超硬磨料磨削裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州450001;
3.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,鄭州450001）
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