CN108723897B - 单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法，具体按照以下步骤进行：步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入深度；步骤2，确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入能量值进行注入分次注入，使离子在注入深度上纵向都有较为均匀的分布；步骤3，将离子注入完成的晶片置于抛光机中，去除晶片离子注入的表面层，即成。本发明能主动改变脆性材料表面层的物理机械性能，降低材料的硬度和脆性，从而采用非常小的机械作用力去除。
Description
技术领域
本发明属于脆性材料超精密加工技术领域，具体涉及一种单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法。
背景技术
随着技术的发展，SiC作为第三代半导体材料在功率器件和IC行业的应用越来越广泛。在其大直径生长过程突破后，晶片的制造过程成为人们关注的焦点。由于高硬度和脆性，使得SiC单晶片的切割、研磨和抛光成为器件制造过程的瓶颈。抛光的主要目的是为了降低表面粗糙度。
目前，单晶SiC的主要抛光方法有，(1)化学的方法：如化学机械抛光(CMP)，使表面层材料与抛光液中的元素发生化学反应，生成一种薄膜而去除，但化学污染、后续的清理过程复杂；(2)加热的方法：如等离子体抛光(PAP)，使得加工区表面层的材料在高温等离子作用下处于活化，产生相应的化学反应然后在纳米尺度去除，材料去除率(MRR)非常低；(3)机械的方法：如磨粒研磨和超声抛光，使得材料在塑性域去除，但掌控过程困难。
研究发现单晶SiC存在着脆性和塑性转变的临界切削深度，在低于临界切削深度切削时材料就能够在塑性状态下去除，其表面质量会获得良好改善。因此，大量的研究者集中精力去寻找单晶SiC的临界切削深度，大量的结果表明，该材料的临界切削深度低于75纳米。以上几种方法的目的都是使得材料的表面层产生活化或产生化学反应或使得材料加工处在塑性域，而发生的纳米尺度材料去除，可以获得满足要求的表面粗糙度，但材料去除非常有限，导致抛光时间很长。
发明内容
本发明的目的是提供一种单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法，解决了在单晶SiC的抛光过程中去除脆性材料表面层的物理机械性能容易导致挤压和剪切产生的材料的剧烈变形的问题。
本发明所采用的技术方案是，单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入深度；
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入能量值进行注入，并依次减小能量值分次注入，使离子在注入深度上纵向都有较为均匀的分布；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中，转动过程中，SiC表面与金刚石磨料相对运动，机械抛光去除晶片离子注入的表面层，即成。
本发明的特点还在于，
步骤1中确认研磨后的晶片表面粗糙度一般为25nm～110nm之间。
步骤2中离子注入能量值与离子注入深度呈比例关系
步骤2中选定晶片表面粗糙度对应的能量值后，以对应的能量值为最大值，选择3-5组依次减小的能量值对晶片表面进行注入。
本发明的有益效果是，在单晶SiC的抛光过程中，能主动改变脆性材料表面层的物理机械性能，降低材料的硬度和脆性，从而采用非常小的机械作用力去除，不会导致挤压和剪切产生的材料的剧烈变形，也不会产生巨大的材料崩碎和断裂，这样不仅会提高抛光后表面的质量，同时兼顾了工作效率。
附图说明
图1是现有SiC单晶机械方法抛光的正常状态下的SiC单晶示意图；
图2是现有SiC单晶机械方法抛光SiC单晶在刀具挤压下变形示意图；
图3是现有SiC单晶机械方法抛光SiC单晶在刀具持续的挤压下材料断裂的示意图；
图4是本发明单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法准备将离子束注入晶片表面的示意图；
图5是本发明单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法离子注入完成进入晶片表面分子中的示意图；
图6是本发明单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法离子注入完成后进行机械去除晶片表层示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，根据研磨后晶片表面粗糙度决定离子注入深度；因为表面粗糙度是工件表面的微观不平度，理想状态下注入的同等深度离子分布在工件不平整的表面。
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入能量值进行注入，并依次减小能量值分次注入，使离子在注入深度上纵向都有较为均匀的分布；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中，转动过程中，SiC表面与金刚石磨料相对运动，机械抛光去除晶片离子注入的表面层，即成。
步骤1中确认研磨后的晶片表面粗糙度一般为25nm～110nm之间。
步骤2中离子注入能量值与离子注入深度呈比例关系
步骤2中选定晶片表面粗糙度对应的能量值后，以对应的能量值为最大值，选择3-5组依次减小的能量值对晶片表面进行注入。
实施例1
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，测得晶片表面粗糙度为30nm，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入的深度；
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入深度30nm，并依次选用使得注入深度分别为30nm、20nm、10nm的3组能量分次注入晶片；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中去除晶片离子注入的表面层，即成。
实施例2
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，测得晶片表面粗糙度为50nm，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入的深度；
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入深度50nm，并依次选用使得注入深度分别为50nm、40nm、30nm、20nm的4组能量分次注入晶片；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中去除晶片离子注入的表面层，即成。
实施例3
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，测得晶片表面粗糙度为70nm，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入的深度；
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入深度70nm，并依次选用使得注入深度分别为70nm、50nm、30nm、10nm的4组能量分次注入晶片；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中去除晶片离子注入的表面层，即成。
实施例4
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，测得晶片表面粗糙度为100nm，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入的深度；
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入深度100nm，并依次选用使得注入深度分别为100nm、80nm、60nm、40nm、20nm的5组能量分次注入晶片；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中去除晶片离子注入的表面层，即成。
实施例5
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，测得晶片表面粗糙度为110nm，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入的深度；
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入深度110nm，并依次选用使得注入深度分别为110nm、90nm、70nm、50nm、30nm共5组能量分次注入晶片；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中去除晶片离子注入的表面层，即成。
本发明的步骤2中，离子束到达SiC晶片，离子束能量逐渐减弱消失，停留在SiC晶片分子中，成为SiC晶片的整体部分，所以注入层不会像常规那样有可能脱落或剥离。步骤3中进行抛光时，因注入离子的表面与未注入离子层分子排列不同，抛光硬度降低的表层，注入深度可控，则确保了表面材料在纳米尺度的范围可控去除，从而也保证SiC单晶的表面质量。
图1是现有SiC单晶机械方法抛光的正常状态下的SiC单晶示意图；刀具与需加工晶体还未接触，SiC单晶分子排列完整。图2是现有SiC单晶机械方法抛光SiC单晶在刀具挤压下变形示意图；刀具接触到SiC单晶，去除表层时，刀具压入SiC单晶分子表层，进行移动切削。图3是现有SiC单晶机械方法抛光SiC单晶在刀具持续的挤压下材料断裂的示意图；在图2的基础上，SiC单晶已经产生形变，刀具持续移动，便对SiC单晶进行持续的挤压，在SiC单晶变形到一定程度，会断裂。由此达到了去除SiC单晶表层的目的，但断裂处的分子形变依然存在。且SiC单晶的高硬度，将会对刀具的产生巨大磨损。
图4是本发明单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法准备将离子束注入晶片表面的示意图。准备阶段，SiC单晶表面是原始表面形态，离子束还未进入SiC单晶表面。图5是本发明单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法离子注入完成进入晶片表面分子中的示意图。离子注入以后改变SiC单晶表面分子结构。离子束注入SiC单晶分子中，SiC单晶分子中分布有离子杂质，但并没有使SiC单晶分子产生物理上的形变。图6是本发明单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法离子注入完成后进行机械去除晶片表层示意图。在离子注入完成以后，用磨粒机械去除晶片表层。
Claims (3)
1.单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1，对研磨后要进行抛光的晶片表面进行粗糙度测量，根据研磨后晶片表面粗糙度度决定离子注入深度；确认研磨后的晶片表面粗糙度为25nm~110nm之间；
步骤2，离子注入SiC晶片表面，
确定操作所选用的离子注入机以后，选用Al离子进行注入，根据步骤1测量的晶片表面粗糙度和离子注入深度和离子注入能量值的比例关系，选择晶片表面粗糙度对应的离子注入能量值后分次进行注入，以对应的能量值为最大能量值，并依次减小能量值注入，使离子在注入深度上纵向都有较为均匀的分布；
步骤3，机械去除晶片表面，
将离子注入完成的晶片置于抛光机中，转动过程中，SiC表面与金刚石磨料相对运动，机械抛光去除晶片离子注入的表面层，即成。
2.根据权利要求1所述的单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法，其特征在于，所述步骤2中离子注入能量值与离子注入深度呈比例关系。
3.根据权利要求1所述的单晶SiC的离子注入表面改性与纳米尺度抛光方法，其特征在于，所述依次减小能量值分次注入具体为选择3-5组依次减小的能量值对晶片表面进行注入。
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