CN114654380A - 一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法 - Google Patents

一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法 Download PDF

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Abstract

一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，属于抛光加工技术领域。首先，将碳化硅晶片通过导电胶粘接至与电源正极连接的铜抛光头，将带通孔的聚氨酯抛光垫用树脂螺钉固定至与电源负极连接的石墨盘。抛光电源为直流稳压电源。在电机驱动下抛光垫与晶片产生相对运动，抛光时抛光垫和晶片浸入电解液，电解液液面高于抛光垫面，抛光液通过蠕动泵滴加至抛光垫表面。本发明利用碳化硅晶体在NaNO3电解液中发生的阳极氧化反应来实现碳化硅晶片的高效抛光，在抛光液中使用小粒径金刚石磨料，可起到为氧化过程提供应力源的作用，加快阳极氧化的发生，从而提高抛光效率。另外，本发明能够显著提高碳化硅晶片的抛光速率，在精抛阶段也能保证好的表面质量。

Description

一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法
技术领域
本发明属于抛光加工技术领域，涉及一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法。
背景技术
碳化硅作为第三代半导体材料，在航空航天、新能源汽车、消费电子等领域有广阔的应用场景。与现有的硅基半导体器件相比，碳化硅半导体器件不但能在更恶劣的环境下使用，更能实现信息的高效高频处理。
碳化硅衬底的表面质量对碳化硅基器件性能有很大影响，但是由于碳化硅的高硬度、高稳定性，现在碳化硅抛光加工方法效率比较低，阻碍了碳化硅基器件的大范围使用。目前碳化硅晶片的抛光方法主要是机械抛光与化学机械抛光相结合。其中机械抛光主要采用金刚石微粉作为磨料，材料去除率高，但会产生表面及亚表面损伤，一般作为化学机械抛光的前置工艺。化学机械抛光方法可以将表面粗糙度降至1nm以下，但材料去除率低，抛光效率低，若要提高抛光效率需要使用高锰酸钾、过氧化氢等强氧化剂，对环境和操作者健康造成危害。
研究表明电化学氧化作用，能将碳化硅表面的Si-C键氧化成Si-O键,使碳化硅表面莫氏硬度由9.5下降到7.0，本发明基于碳化硅的电化学氧化反应提出一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，能够实现碳化硅的高效率高质量抛光。
发明内容
针对现有技术中提出的碳化硅晶片抛光中存在的问题，本发明提出一种碳化硅表面电化学机械抛光方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，包括以下步骤：
第一步，将碳化硅晶片4通过导电胶粘接在铜抛光头下表面，其中铜抛光头通过导线2与直流稳压电源1正极相连，且铜抛光头可在电机带动下转动或平动。
第二步，将带通孔的抛光垫5采用树脂螺钉固定在与直流稳压电源2负极相连的石墨盘6上表面，石墨盘6可在电机的带动下转动。所述石墨盘6固定在电解液槽8内部，电解液槽8内放电解液7，且石墨盘6和晶片4都浸入电解液7中。所述的电化学机械抛光电解液7为NaNO3溶液，其浓度为0.2～0.8mol/L。
第三步，在电机驱动下抛光垫5与晶片4产生相对运动，抛光头使晶片4以一定压力压于抛光垫5表面，抛光垫5通孔中的电解液使阳极晶片4与阴极石墨盘6之间电路导通。使用蠕动泵向抛光垫表面滴加抛光液3，其中抛光垫转速为20～50r/min，抛光压力14-58psi，保证抛光时抛光垫和晶片浸入电解液，在电化学阳极氧化和磨粒机械去除的共同作用下实现对碳化硅晶片的高效抛光。所述的电化学机械抛光的抛光液3为金刚石-氧化铝混合磨料与溶剂共混的混合溶液，其中金刚石磨料的粒径为0.25～5μm，氧化铝磨料的粒径为0.5～7μm，且所选择的金刚石磨料粒径需小于氧化铝磨料粒径，混合磨料浓度为1～20wt.％,其中，金刚石磨料与氧化铝磨料的质量比为1:1；所述的溶剂为NaNO3电解液，以保证电解液7浓度稳定。
进一步的，所述的电解液槽8内电解液7液面高于抛光垫2mm。
进一步的，所述的抛光垫5为聚氨酯材质。
进一步的，所述的抛光电源为直流稳压电源，抛光电压5～20V。
进一步的，抛光液3通过蠕动泵以200ml/h速度滴加至抛光垫5表面。
本发明的反应原理为：本发明利用碳化硅晶体在NaNO3电解液中发生的阳极氧化反应来实现碳化硅晶片的高效抛光，反应的方程式为：SiC+4H2O-8e-→SiO2+CO2+8H+。在抛光液中使用小粒径金刚石磨料，可起到为氧化过程提供应力源的作用，进一步加快阳极氧化的发生，从而进一步提高抛光效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：能够显著提高碳化硅晶片的抛光速率，在粗抛阶段20min内使碳化硅晶片的表面粗糙度Sa由84.364nm下降至1.977nm，材料去除速率达到20μm/h；同时在精抛阶段也能保证好的表面质量Sa 0.489nm。
附图说明
图1是本发明碳化硅晶片电化学机械抛光方法示意图，其中F为抛光压力，±ω为抛光垫转速，±ωp为抛光头转速，±vp为抛光头水平移动速度。
图2是碳化硅晶片电化学机械粗抛光前后光学显微镜下的表面形貌及抛光去除率测量结果。图2(a)为碳化硅晶片抛光前的表面形貌；图2(b)为碳化硅晶片抛光后的表面形貌；图2(c)为碳化硅晶片表面方孔抛光前后的深度变化ΔL＝6.753μm。
图3是碳化硅晶片电化学机械精抛光后由zygo白光干涉仪测得的表面形貌图像。
图1中：1直流稳压电源；2导线；3抛光液；4晶片；5抛光垫；6石墨盘；7电解液；8电解液槽。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图1对本发明作进一步说明。
附图1展示了一种碳化硅电化学机械抛光方法，该方法中碳化硅晶片4使用导电胶粘接在通过导线2与直流稳压电源1正极相连的铜抛光头上，抛光头可在电机带动下转动或平动。带通孔的聚氨酯抛光垫5使用树脂螺钉固定在与直流稳压电源2负极相连的石墨盘6上，石墨盘6可在电机的带动下转动。石墨盘6与电解液槽8固定，石墨盘6和晶片4都浸入电解液7中，电解液7液面高于抛光垫2mm，抛光头使晶片以一定压力压于抛光垫5表面，抛光垫5通孔中的电解液使阳极晶片4与阴极石墨盘6之间电路导通。使用蠕动泵向抛光垫表面滴加抛光液3。在电化学阳极氧化和磨粒机械去除的共同作用下实现对碳化硅晶片的高效抛光。
下面以两个具体的实施案例对本发明作进一步说明。
实施案例1
抛光前碳化硅晶片表面形貌如附图2(a)所示，此表面由金刚石磨粒研磨制得，表面有大量划痕、凹坑、脆性损伤等缺陷，为测量电化学机械抛光工艺的去除率，使用FIB在碳化硅晶片表面预制方形孔槽。
配制浓度为0.6mol/L NaNO3溶液作为电化学机械抛光电解液7，配制金刚石-氧化铝混合磨料溶液作为电化学机械抛光抛光液，其中金刚石磨料的粒径为5μm，氧化铝磨料的粒径为7μm，两种磨料浓度均为4wt.％。
碳化硅晶片4通过导电胶粘接至与电源正极连接的铜抛光头，带通孔的聚氨酯抛光垫5用树脂螺钉固定至与电源负极连接的石墨盘6。抛光电源为直流稳压电源，抛光电压10V。
在电机驱动下抛光垫5与晶片4产生相对运动，抛光垫转速为40r/min，抛光压力43.5psi，抛光时抛光垫和晶片浸入电解液7，电解液液面高于抛光垫2mm，抛光液7通过蠕动泵以200ml/h速度滴加至抛光垫5表面。
采用此工艺参数连续抛光20min，抛光后的晶片表面形貌如附图2(b)所示，表面脆性损伤被去除，仅残留少量微细划痕和凹坑，表面粗糙度Sa由84.364nm下降至1.977nm。检测预制的方形孔槽深度变化，可得此工艺参数下的材料去除率MRR＝ΔL/t＝20.259μm/h，远高于现有文献报道。此工艺参数可作为碳化硅晶片粗抛光工艺使用。
实施案例2
为实现碳化硅晶片精抛光，进一步对实施案例1工艺抛光得到的碳化硅晶片进行电化学机械精抛光。
配制浓度为0.6mol/L NaNO3溶液作为电化学机械抛光电解液7，配制金刚石-氧化铝混合磨料溶液作为电化学机械抛光抛光液，其中金刚石磨料的粒径为1μm，氧化铝磨料的粒径为1.5μm，两种磨料浓度均为4wt.％。
碳化硅晶片4通过导电胶粘接至与电源正极连接的铜抛光头，带通孔的聚氨酯抛光垫5用树脂螺钉固定至与电源负极连接的石墨盘6。抛光电源为直流稳压电源，抛光电压5V。
在电机驱动下抛光垫5与晶片4产生相对运动，抛光垫转速为30r/min，抛光压力43.5psi，抛光时抛光垫5和晶片4浸入电解液7，电解液7液面高于抛光垫2mm，抛光液3通过蠕动泵以200ml/h速度滴加至抛光垫5表面。
采用此工艺参数连续抛光30min，抛光后的晶片表面形貌如附图3所示，表面划痕和凹坑被去除，获得表面粗糙度降低至Sa 0.489nm的光滑表面。此工艺参数可作为碳化硅晶片精抛光工艺使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将碳化硅晶片(4)通过导电胶粘接在铜抛光头下表面，其中铜抛光头通过导线(2)与直流稳压电源(1)正极相连，铜抛光头可在电机带动下转动或平动；
第二步，将带通孔的抛光垫(5)采用树脂螺钉固定在与直流稳压电源负极相连的石墨盘(6)上表面，石墨盘(6)可在电机的带动下转动；所述石墨盘(6)固定在电解液槽(8)内部，电解液槽(8)内放电解液(7)，且石墨盘(6)和晶片(4)都浸入电解液(7)中；所述的电化学机械抛光电解液(7)为浓度为0.2～0.8mol/L的NaNO3溶液；
第三步，在电机驱动下抛光垫(5)与晶片(4)产生相对运动，抛光头使晶片(4)以一定压力压于抛光垫(5)表面，抛光垫(5)通孔中的电解液使阳极晶片(4)与阴极石墨盘(6)之间电路导通；使用蠕动泵向抛光垫表面滴加抛光液(3)，其中抛光垫转速为20～50r/min，抛光压力14-58psi，保证抛光时抛光垫和晶片浸入电解液，在电化学阳极氧化和磨粒机械去除的共同作用下实现对碳化硅晶片的高效抛光。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，其特征在于，所述的电化学机械抛光的抛光液(3)为金刚石-氧化铝混合磨料与NaNO3电解液共混的混合溶液，其中金刚石磨料的粒径为0.25～5μm，氧化铝磨料的粒径为0.5～7μm，且所选择的金刚石磨料粒径需小于氧化铝磨料粒径，混合磨料浓度为1～20wt.％,其中，金刚石磨料与氧化铝磨料的质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，其特征在于，所述的电解液槽(8)内电解液(7)液面高于抛光垫2mm。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，其特征在于，所述的抛光垫(5)为聚氨酯材质。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅晶片电化学机械抛光方法，其特征在于，所述的抛光电源为直流稳压电源，抛光电压5～20V。
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