CN110197789A - SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置及方法，SiC单晶片和不锈钢电极分别与脉冲电源的正极和负极相连，在抛光液中构成闭合回路，晶片作为阳极发生阳极氧化生成一层氧化膜，在通过抛光垫和磨粒机械性地去除氧化层该方法抛光材料去除效率高，机械抛光不会对SiC单晶基材造成损失；且不会消耗大量电能，节能环保，另外本发明加工装置简单，加工方法易实现，适合大范围推广使用。
Description
技术领域
本发明属于硬脆材料抛光加工技术领域，涉及一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置及方法。
背景技术
碳化硅单晶(SiC)具有宽禁带、高导热、高饱和电子漂移速度等优良性能，是最有前途的第三代大功率、高频、高温半导体材料之一。作为IC器件的衬底SiC单晶的表面应达到无损伤的原子级表面粗糙度。然而，SiC单晶的硬度非常高，在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼。此外，SiC单晶由于其化学惰性，几乎不与酸或碱溶液反应。这些特性使得通过传统的机械抛光、化学蚀刻等技术都很难获得具有原子尺度平整度的表面。近年来，化学机械抛光(CMP)、等离子体辅助抛光(PAP)被广泛应用于SiC单晶片的精抛加工。运用该方法虽然可以得到可接受的表面平坦、损伤较小的SiC单晶片，但其材料去除率(MRR)较低，进而会导致加工时间长、加工成本较高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置及方法，解决了现有技术中存在的机械抛光过程中材料去除率(MRR)较低的问题。
本发明采用的技术方案是，
一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，其特征在于，包括玻璃槽，玻璃槽的外表面设置有超声波装置，玻璃槽内部充满抛光液，抛光液中设置有可沿中心轴旋转的抛光盘，抛光盘上表面设置有抛光垫，抛光垫上表面设置有SiC单晶片，SiC单晶片上方通过导电胶连接有可沿中心轴旋转的载料盘，抛光盘和载料盘的旋转方向相反；所述玻璃槽的底部的内表面设置有不锈钢电极，不锈钢电极连接有脉冲电源的负极，脉冲电源的正极连接有载料盘，所述玻璃槽的侧壁通过管道依次连接有液压泵、流量计、恒温系统、喷嘴，喷嘴设置在抛光盘的正上方。
中心转轴均采用电机驱动。
抛光盘上由中间向四周呈放射性设置有若干通孔。
抛光垫上由中间向四周呈放射性设置有若干通孔，所述抛光盘和抛光垫上的通孔位置相互对应。
恒温系统包括测温仪、温度控制器和加热装置，通过温度控制器设定特定的温度，测温仪将测量的抛光液温度反馈给温度控制器，当温度低于设定温度时，温度控制器就会使加热装置对抛光液加热，当加热到设定温度后便停止工作。本文的的恒温系统选用华盼ZM-D3快热式热水器。
超声波装置对加工环境施加超声振动辅助，其频率和振幅可以调整。
一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工方法，本方法依赖于上述的一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置进行实施，具体的步骤如下：
步骤1：将脉冲电源(6)的正极与载料盘(2)连接完成，脉冲电源的负极连接至玻璃槽(7)底部的不锈钢电极(5)；
步骤2：将待抛光晶片通过导电胶与载料盘金属部分粘接而与步骤1所述电路导通；
步骤3：启动电机，使抛光垫(3)、抛光盘(4)二者作为一个整体发生转动；
步骤4：对载料盘(2)施加向下的轴向力F，使晶片(1)与抛光垫(3)接触，进而发生相对运动，将晶片(1)表面的磨粒以及氧化膜抛光去除；
步骤5：晶片(1)抛光完成，将电机、脉冲电源(6)等设备关闭。
本发明的有益效果在于：
(1)抛光材料去除效率高
本发明中，SiC单晶片和不锈钢电极分别与脉冲电源的正极和负极相连，在抛光液中构成闭合回路，晶片作为阳极发生阳极氧化生成一层氧化膜，在通过抛光垫和磨粒机械性地去除氧化层。抛光过程中，晶片与抛光垫各自旋转产生相对运动，晶片与抛光垫中通孔、抛光垫上的磨粒交替接触，使得电化学反应和机械抛光作用交替进行，对晶片进行电化学机械复合加工；晶片表面的氧化层生成之后，随即又被磨粒机械去除；在超声振动的辅助下，超声波在液体中的空化作用产生的瞬时高温高压促进氧化膜的生成；所以，该方法抛光材料去除效率高。
(2)抛光后晶片表面粗糙度低
抛光液中的磨粒为二氧化铈(CeO2)或二氧化硅(SiO2)，其硬度小于SiC单晶，机械抛光不会对SiC单晶基材造成损失；
(3)节能环保
现有的电化学或化学蚀刻抛光加工中，所用的液体中都含有酸碱等化学物质，易造成污染；本发明所用的抛光液中仅由去离子水、微量NaCl和磨粒组成，无需其他物质，不会对环境造成污染；本发明所需施加的电压较小，10V左右即可发生阳极氧化反应，故不会消耗大量电能；所以，本发明节能环保。
(4)加工装置简单，加工方法易实现
本发明中，加工装置中的加工参数如：抛光施加的轴向压力、抛光垫转速、晶片转速、抛光液浓度、抛光液温度、脉冲电源参数(电压、频率、占空比)、超声振动的频率和振幅均可以根据实际情况调节以到达较好的加工效果。
附图说明
图1是本发明SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置示意图；
图2是本发明SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置中载料盘、抛光盘及抛光垫上通孔示意图。
图中，1.SiC单晶片，2.载料盘，3.抛光垫，4.抛光盘，5.不锈钢电极，6.脉冲电源，7.玻璃槽，8.抛光液，9.液压泵，10.流量计，11.恒温系统，12.喷嘴，13.超声波装置。
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。
一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，如图1所示，包括玻璃槽7，玻璃槽7的底部外表面设置有超声波装置13，玻璃槽7内部充满抛光液8，抛光液8中设置有可沿中心轴旋转的抛光盘4，抛光盘4上表面设置有抛光垫3，SiC单晶片1上方通过导电胶连接有可沿中心轴旋转的载料盘2，抛光盘4和载料盘2的旋转方向相反；所述玻璃槽7的底部的内表面设置有不锈钢电极5，不锈钢电极5连接有脉冲电源6的负极，脉冲电源6的正极连接有载料盘2，所述玻璃槽7的侧壁通过管道依次连接有液压泵9、流量计10、恒温系统11、喷嘴12，喷嘴12设置在抛光盘4的正上方。
中心转轴均采用电机驱动。
如图2所示，抛光盘4上由中间向四周呈放射性设置有若干通孔。
抛光垫3上由中间向四周呈放射性设置有若干通孔，所述抛光盘 4和抛光垫3上的通孔位置相互对应。
恒温系统包括测温仪、温度控制器和加热装置，通过温度控制器设定特定的温度，测温仪将测量的抛光液温度反馈给温度控制器，当温度低于设定温度时，温度控制器就会使加热装置对抛光液加热，当加热到设定温度后便停止工作。本文的的恒温系统选用华盼ZM-D3快热式热水器。
超声波装置对加工环境施加超声振动辅助，其频率和振幅可以调整。
一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工方法，本方法依赖于上述的一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置进行实施，具体的步骤如下：
步骤1：将脉冲电源6的正极与载料盘2连接，脉冲电源的负极连接至玻璃槽7底部的不锈钢电极5；
步骤2：将待抛光晶片1通过导电胶与载料盘2金属部分粘接而与步骤1所述电路导通；
将SiC单晶片1用导电胶固定在载料盘2上，经电机驱动，晶片随载料盘轴向旋转；晶片通过导电胶与载料盘金属部分粘接而导通，载料盘与脉冲电源6的正极连接，晶片1即为阳极。
将抛光垫3固定在抛光盘4上，两者上的通孔位置要对应，不锈钢电极5固定于玻璃槽7的底部并用导线与脉冲电源6的负极相连，不锈钢电极5即为阴极；
步骤3：启动电机，使抛光垫3、抛光盘4二者作为一个整体发生转动；
步骤4：对载料盘2施加向下的轴向力F，使晶片1与抛光垫3 接触，进而发生相对运动，晶片1表面与抛光垫通孔部分接触时会发生阳极氧化生成一层氧化膜，随即晶片1与抛光垫(通孔外的部分) 接触时，在磨粒的作用下将氧化膜抛光去除；
对载料盘2施加向下的轴向力F，使晶片1与抛光垫3接触，晶片1与抛光垫3由于各自的旋转而发生相对运动。
当晶片1与抛光垫3的通孔接触时，脉冲电源6、晶片1、不锈钢电极5构成闭合回路，晶片1作为阳极发生电化学反应生成一层氧化膜；紧接着当晶片1与抛光垫3(通孔之外的部分)接触时，由于相对运动，在磨粒的作用下将氧化膜进行机械抛光去除。
液压泵9抽取玻璃槽7中的抛光液8，经过流量计10调整合适的流量，恒温系统11使抛光液保持恒定的温度，最后经喷嘴12又流回玻璃槽7，既实现了抛光液8的循环使用、使抛光液8保持恒定的温度又使磨粒尽可能多的附着于抛光垫3上。
超声波装置13安装在玻璃槽7的底部，对加工环境施加超声波振动。
步骤5：晶片1抛光完成，将电机、脉冲电源6等设备关闭。
本发明一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置的工作原理为：
(1)当晶片转动至通孔位置时，位于通孔位置的晶片、不锈钢电极与脉冲电源构成闭合回路；在外加电场的作用下，作为阳极的晶片 (位于通孔位置与抛光液接触的部分)表面会电离出微小氧气泡并汇聚在晶片表面形成一层氧气膜；在脉冲电流的作用下，氧气会转变成高强度的负氧离子，负氧离子与SiC单晶表面的活性微区发生氧化反应生成一层疏松的氧化膜。
(2)当产生的氧化膜转动至与抛光垫接触时，在抛光液中磨粒的作用下会将氧化膜进行机械去除。
(3)超声波的作用：
超声波在液体中具有空化现象，空化产生的瞬间高温高压又会促进负氧离子的生成，进而提高SiC单晶表面氧化膜的生成速率；超声波的周期性振动会使生成的氧化膜的疏松程度增强，更有利于负氧离子穿过氧化膜与SiC单晶基体接触，促进氧化膜的生成率。
本发明一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置抛光材料去除效率高；抛光后晶片表面粗糙度低、节能环保、加工装置简单，加工方法易实现；
本发明一种SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工方法，其在上述机械抛光加工装置的基础之上，可将晶片上的抛光材料高效率去除，操作简单，可再现性高，十分适合用于工业生产当中。
Claims (7)
1.SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，其特征在于，包括玻璃槽(7)，玻璃槽(7)的外表面设置有超声波装置(13)，玻璃槽(7)内部充满抛光液(8)，抛光液(8)中设置有可沿中心轴旋转的抛光盘(4)，抛光盘(4)上表面设置有抛光垫(3)，抛光垫(3)上表面设置有SiC单晶片(1)，SiC单晶片(1)上方通过导电胶连接有可沿中心轴旋转的载料盘(2)，抛光盘(4)和载料盘(2)的旋转方向相反；所述玻璃槽(7)的底面的内表面设置有不锈钢电极(5)，不锈钢电极(5)连接有脉冲电源(6)的负极，脉冲电源(6)的正极连接有载料盘(2)，所述玻璃槽(7)的侧壁通过管道依次连接有液压泵(9)、流量计(10)、恒温系统(11)、喷嘴(12)，所述喷嘴(12)设置在抛光盘(4)的正上方。
2.根据权利要求1所述的SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，其特征在于，所述中心转轴均采用电机驱动。
3.根据权利要求1所述的SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，其特征在于，所述抛光盘(4)上由中间向四周呈放射性设置有若干通孔。
4.根据权利要求1所述的SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，其特征在于，所述抛光垫(3)上由中间向四周呈放射性设置有若干通孔，所述抛光盘(4)和抛光垫(3)上的通孔位置相互对应。
5.根据权利要求1所述的SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，其特征在于，所述恒温系统包括测温仪、温度控制器和加热装置。
6.根据权利要求1所述的SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置，其特征在于，所述超声波装置(13)设置有若干个。
7.SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工方法，其特征在于，本方法依赖于权利要求1所述的SiC单晶片的超声辅助电化学机械抛光加工装置进行实施，具体的步骤如下：
步骤1：将脉冲电源(6)的正极与载料盘(2)连接完成，脉冲电源的负极连接至玻璃槽(7)底部的不锈钢电极(5)；
步骤2：将待抛光晶片通过导电胶与载料盘金属部分粘接而与步骤1所述电路导通；
步骤3：启动电机，使抛光垫(3)、抛光盘(4)二者作为一个整体发生转动；
步骤4：对载料盘(2)施加向下的轴向力F，使晶片(1)与抛光垫(3)接触，进而发生相对运动，晶片(1)与抛光垫通孔部分接触时会发生阳极氧化生成一层氧化膜，随即晶片1与抛光垫通孔外的部分接触时，在磨粒的作用下将氧化膜抛光去除；
步骤5：晶片(1)抛光完成，将电机、脉冲电源(6)等设备关闭。
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