CN104742009A - 一种SiC材料化学机械抛光方法 - Google Patents

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Abstract

一种SiC材料化学机械抛光方法，将SiC材料置于密闭环境中，密闭环境内的气压、温度以及输入气体组份可控，向密闭环境内充入氧化性气体，调节密闭环境内的温度以及氧化气体的分压至高温高压状态；当化学机械抛光过程处于富含高压氧化气体的环境时，氧化气体会大量溶解进入抛光液中，并与碱性抛光液中的OH-一起参与对SiC材料表层的氧化，加速SiC材料表层的氧化速率，碱性抛光液中的O2与SiC材料反应表层生成一薄层SiO2，通过调节环境温度、气体组份、气压和催化剂条件，实现控制抛光过程中SiC材料表面的化学反应速率。本发明提供一种材料去除率较高、过程可控、低成本的SiC材料化学机械抛光方法。

Description

一种SiC材料化学机械抛光方法
技术领域
本发明涉及研磨/抛光领域，尤其是一种适用于SiC材料化学机械抛光方法。
背景技术
SiC材料与第一代半导体材料(Ge和Si)、第二代半导体材料(GaAs、InP等)相比具有更优异的特性，成为第三代半导体材料。同时SiC具有优良的热导率，是制造大尺寸、超高亮度白光和蓝光GaN LED和激光二极管的理想衬底材料，成为光电行业的关键基础材料之一。SiC半导体器件具有超强的性能和广阔的应用前景，一直以来受到各国高度重视。
理想的衬底材料基片质量要求SiC晶片具有表面超光滑、无损伤，SiC硬度高(莫氏硬度9.2～9.6)和强化学稳定性(最小原子间距为1.8A)，使得其很难抛光加工，表面经常出现一些划痕和损伤，直接影响发光二极管的质量。目前已开发的SiC晶片超精密抛光方法，主要包括化学抛光、催化剂辅助化学抛光、电化学抛光、摩擦化学抛光以及化学机械抛光等。
化学抛光是传统的半导体晶片表面加工技术，属于无磨粒的化学腐蚀过程，如采用HNO3、HF与H2O构成抛光液对SiC晶片表面进行抛光。催化剂辅助化学抛光是在化学抛光时使用催化剂从而提高SiC材料去除率，属于无磨料加工方式。电化学抛光是电化学氧化和氧化层去除相结合的加工过程。通过控制抛光时的电流密度实现对SiC晶片表面的氧化速率进行控制，进而提高抛光速率。摩擦化学抛光是利用摩擦作用使SiC晶片被加工表面产生化学变化，形成材料去除的抛光方法。化学机械抛光是将加工液对SiC晶片表面的化学作用和磨粒对晶片表面机械作用相结合，从而实现光滑无损伤表面的加工方法，并在第一代和第二代半导体材料加工中得到广泛应用。
传统的SiC晶片抛光方法，材料去除率极低，抛光过程中化学反应不可控，因此迫切需要开发一种过程可控、高效、低成本的SiC基片抛光方法。
发明内容
为了克服现有的SiC晶片抛光方式的材料去除率极低，抛光过程中化学反应不可控的不足，本发明提供一种材料去除率较高、过程可控、低成本的SiC材料化学机械抛光方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种SiC材料化学机械抛光方法，该方法采用的抛光设备包括密封腔体、机架、抛光盘、工件夹具、碱性抛光液输入部件和氧化性气体输入部件，所述的抛光盘、工件夹具均置于所述的密封腔体内，所述工件夹具置于所述的抛光盘上方，待抛光的SiC材料装夹在所述的工件夹具的底面；所述抛光盘安装在驱动主轴上，所述驱动主轴伸出所述密封腔体的底部，所述驱动主轴与主轴驱动装置连接；所述的碱性抛光液输入部件安装在所述的密封腔体上，所述的碱性抛光液输入部件上装有用于控制抛光过程中抛光液的流量的流量调节阀；所述的氧化性气体输入部件安装在所述的密封腔体上，所述的氧化性气体输入部件上装有用于控制抛光过程中所述密封腔内的气压大小的气压调节阀；所述抛光方法的过程如下：将SiC材料置于密闭环境中，密闭环境内的气压、温度以及输入气体组份可控，向密闭环境内充入氧化性气体，调节密闭环境内的温度以及氧化气体的分压至高温高压状态；当化学机械抛光过程处于富含高压氧化气体的环境时，氧化气体会大量溶解进入抛光液中，并与碱性抛光液中的OH-一起参与对SiC材料表层的氧化，加速SiC材料表层的氧化速率，碱性抛光液中的O2与SiC材料反应表层生成一薄层SiO2，通过调节环境温度、气体组份、气压和催化剂条件，实现控制抛光过程中SiC材料表面的化学反应速率。
进一步，采用催化的方法促进SiC材料表面的氧化反应。
再进一步，所述的密封腔体上装有气体压力计和观察孔。
更进一步，抛光垫粘贴在所述的抛光盘上。
本发明的技术构思为：虽然SiC的化学惰性高，稳定性好，但是SiC晶体表面的Si面是一层Si的悬挂键，其与C的结合键在氧化环境中易被切断。抛光过程中，SiC单晶与碱性抛光液中磨粒的摩擦界面上的机械能一部分转化为热能，使界面实际接触部位处于高温高压状态，处于这种状态的界面是不稳定的，SiC极表层的Si原子很容易渗透到碱性抛光液中，并与其中的OH-反应生成溶于水的盐，其反应方程式为：
Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑。
将反应生成物控制在晶体表层一定的厚度内，同时因反应生成物硬底很低，抛光液中的软质磨粒就可以在不伤及SiC晶片母体的情况下快速去除反应生成物，从而可以获得一般机械抛光达不到的无损伤超光滑表面，
同时，抛光过程抛光液中的O2与SiC晶片反应表层生成一薄层SiO2，其化学反应方程式为：2SiC+3O2＝2SiO2+2CO↑，或SiC+2O2＝2SiO2+CO2↑。由化学反应热力学和化学反应动力学可知，化学机械抛光过程中氧化反应速率取决于反应过程中的温度、气压等反应条件。SiC晶片的热氧化研究表明，SiC晶片的表面氧化速率与外部环境(包括温度、气体组份、气压等)有关，其中氧化速率与氧化性气体的气压成正比，因此可以通过在环境中加入氧化性气体并提高氧化性气体的气压来提高SiC晶片表层氧化速率。由此本发明提出一种加工中化学反应可控的SiC材料化学机械抛光方法。
将SiC晶片化学机械抛光过程置于一个气压、温度以及气体组份可控的密闭环境内，向密闭环境内充入氧化性气体(如O2)，调节密闭环境内的温度以及氧化气体的分压至高温高压状态。温度一定时，气体在溶液中的溶解度与气相的分压成比例关系。因此，当化学机械抛光过程处于富含高压氧化气体的环境时，氧化气体会大量溶解进入抛光液中，并与抛光液中的OH-一起参与对SiC晶片表层的氧化，从而增加SiC晶片表层的氧化速率。抛光液中的O2与SiC晶片反应表层生成一薄层SiO2，其化学反应方程式为：2SiC+3O2＝2SiO2+2CO↑，或SiC+2O2＝2SiO2+CO2↑。同时，采用催化的方法促进SiC晶片表面的氧化反应。调节密闭环境温度和抛光液温度、输入气体组份、气压、催化剂等反应条件，实现控制化学机械抛光过程中SiC晶片表面的化学反应速率，从而获得更高的SiC材料去除效率。
本发明的有益效果有：1.将SiC晶片抛光过程置于密闭容器内，通过控制密闭容器内的环境(气压、温度、输入气体组成成份、催化剂)，实现SiC抛光过程中化学作用的可控性；2.高压氧化气体环境，并在抛光液中加入催化剂，促进SiC晶片表面氧化生成硬度较自身低很多反应生成物SiO2；3.抛光液中软质磨粒可以快速去除反应层，大大提高加工效率。
附图说明
图1是一种SiC材料化学机械抛光设备的示意图。
图2是图1的俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种SiC材料化学机械抛光方法，该方法采用的抛光设备包括密封腔体2、机架、抛光盘1、工件砝码8、工件夹具8、碱性抛光液输入部件4、流量调节阀3、氧化性气体输入部件5、气压调节阀6和气压计7，所述的抛光盘1、工件夹具8置于所述的密封腔体2内；所述工件夹具8置于所述的抛光盘1上方，待抛光的SiC材料9装夹在所述的工件夹具8的底面，所述抛光盘1安装在驱动主轴上，所述驱动主轴伸出所述密封腔体2的底部，所述驱动主轴与主轴驱动装置连接；所述的碱性抛光液输入部件4安装在所述的密封腔体2上，所述的碱性抛光液输入部件4上装有流量调节阀3，所述的流量调节阀3用于控制抛光过程中抛光液的流量大小；所述的氧化性气体输入部件5安装在所述的密封腔体2上，所述的氧化性气体输入部件5上装有气压调节阀6，所述的气压调节阀6用于控制抛光过程中所述密封腔2内的气压大小；所述抛光方法的过程如下：将SiC材料置于密闭环境中，密闭环境内的气压、温度以及输入气体组份可控，向密闭环境内充入氧化性气体，调节密闭环境内的温度以及氧化气体的分压至高温高压状态；当化学机械抛光过程处于富含高压氧化气体的环境时，氧化气体会大量溶解进入抛光液中，并与碱性抛光液中的OH-一起参与对SiC材料表层的氧化，加速SiC材料表层的氧化速率，碱性抛光液中的O2与SiC材料反应表层生成一薄层SiO2，通过调节环境温度、气体组份、气压和催化剂条件，实现控制抛光过程中SiC材料表面的化学反应速率。
进一步，采用催化的方法促进SiC材料表面的氧化反应。
再进一步，所述的密封腔体上装有气体压力计和观察孔。
更进一步，抛光垫粘贴在所述的抛光盘上。
本实施例中，工件夹具8由驱动装置进行驱动，控制工件夹具8的转动速度。工件砝码8位于所于所述工件夹具8上方，用于施加抛光所需的载荷。
本实施例的工作原理：如图1所示，将SiC晶片抛光过程置于密闭环境中，密闭环境内的气压、温度以及输入气体组份可控。向密闭环境内充入氧化性气体(如O2)，调节密闭环境内的温度以及氧化气体的分压至高温高压状态。温度一定时，气体在溶液中的溶解度与气相的分压成比例关系。当化学机械抛光过程处于富含高压氧化气体的环境时，氧化气体会大量溶解进入抛光液中，并与抛光液中的OH-一起参与对SiC晶片表层的氧化，加速SiC晶片表层的氧化速率。抛光液中的O2与SiC晶片反应表层生成一薄层SiO2，其化学反应方程式为：2SiC+3O2＝2SiO2+2CO↑，或SiC+2O2＝2SiO2+CO2↑。同时，采用催化的方法促进SiC晶片表面的氧化反应。通过调节环境温度、气体组份、气压、催化剂等条件，实现控制抛光过程中SiC晶片表面的化学反应速率。SiC晶片化学反应后表层生成物SiO2硬度低，抛光液中软质磨粒可轻松去除，从而获得更高的SiC材料去除效率。
本实施例的工作过程如下：抛光时，SiC工件置于工件夹具8；所述工件夹具8置于抛光盘1上；抛光液从抛光盘1中心上方注入，进入抛光加工区域。工件夹具8和抛光盘1在密封腔体2内，通过流量调节阀3控制抛光区域内的抛光液流量；抛光液存储器通过气管与密封腔体相连，保持存储器内抛光液压强与密封腔体压强一致；气压调节阀6控制密封腔2内的气压，密封腔体2内气压控制抛光液中氧化性气体溶解进抛光液数量，进而控制SiC表层的氧化，通过调节抛光液温度、气体组份、抛光液成份等条件，控制化学机械抛光过程中SiC工件表面的化学反应速度，与抛光液中磨粒机械作用相结合，从而获得更高的SiC材料去除效率。

Claims (4)

1.一种SiC材料化学机械抛光方法，其特征在于：该方法采用的抛光设备包括密封腔体、机架、抛光盘、工件夹具、碱性抛光液输入部件和氧化性气体输入部件，所述的抛光盘、工件夹具均置于所述的密封腔体内，所述工件夹具置于所述的抛光盘上方，待抛光的SiC材料装夹在所述的工件夹具的底面；所述抛光盘安装在驱动主轴上，所述驱动主轴伸出所述密封腔体的底部，所述驱动主轴与主轴驱动装置连接；所述的碱性抛光液输入部件安装在所述的密封腔体上，所述的碱性抛光液输入部件上装有用于控制抛光过程中抛光液的流量的流量调节阀；所述的氧化性气体输入部件安装在所述的密封腔体上，所述的氧化性气体输入部件上装有用于控制抛光过程中所述密封腔内的气压大小的气压调节阀；所述抛光方法的过程如下：将SiC材料置于密闭环境中，密闭环境内的气压、温度以及输入气体组份可控，向密闭环境内充入氧化性气体，调节密闭环境内的温度以及氧化气体的分压至高温高压状态；当化学机械抛光过程处于富含高压氧化气体的环境时，氧化气体会大量溶解进入抛光液中，并与碱性抛光液中的OH-一起参与对SiC材料表层的氧化，加速SiC材料表层的氧化速率，碱性抛光液中的O2与SiC材料反应表层生成一薄层SiO2，通过调节环境温度、气体组份、气压和催化剂条件，实现控制抛光过程中SiC材料表面的化学反应速率。
2.如权利要求1所述的一种SiC材料化学机械抛光方法，其特征在于：采用催化的方法促进SiC材料表面的氧化反应。
3.如权利要求1或2所述的一种SiC材料化学机械抛光方法，其特征在于：所述的密封腔体上装有气体压力计和观察孔。
4.如权利要求1或2所述的一种SiC材料化学机械抛光方法，其特征在于：抛光垫粘贴在所述的抛光盘上。
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