CN117265630A - 一种碳化硅晶体抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化硅晶体抛光方法，包括以下步骤：S1、将电解液配置；S2、对粗抛光碳化硅晶体投入配置电解液中，并将碳化硅晶体电化学氧化；所述电化学氧化碳化硅晶体后，其表面的SiC转化为SiO2，并生成钝化层；S3、基于电化学氧化后碳化硅晶体，对其在电解液中进行半精抛光；S4、对半精抛光后碳化硅晶体，更换磨料进而二次精抛光。本发明具有如下的有益效果：通过电解液NaNO3的选择，对碳化晶体氧化速率有着提升，由此间接提高了碳化晶体的抛光效率；利用电化学氧化作用和磨粒抛光机械作用耦合的方式将碳化晶体抛光，相较于其他抛光设备而言，有效的节约时间成本和金钱成本的投入。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体地，涉及一种碳化硅晶体抛光方法及抛光装置。
背景技术
半导体行业是国家产业升级与转型的重点发展领域，SiC作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、热导率高、饱和电子迁移速率高等诸多优点，是高频、高温、高效、大功率电子元器件的理想材料，在航空航天、新能源汽车、5G基站等科学技术领域有广阔的应用前景。碳化硅晶体的加工质量和加工精度直接影响元器件的使用性能；
碳化硅晶体作为衬底材料时，要求加工表面超光滑、无缺陷、无损伤。但是由于碳化硅晶体本身的高硬度、高脆性、高稳定性等特点，使碳化硅晶体抛光具有较大困难，主要体现在抛光效率低和抛光质量难以保证；
市场上化硅晶体抛光方法有着抛光过程比较复杂，设备价格昂贵,抛光时间较长等问题；
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种碳化硅晶体抛光方法抛光装置。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供碳化硅晶体抛光方法抛光装置。
根据本发明提供的：一种碳化硅晶体抛光方法，包括以下步骤：
S1、将电解液配置，且电解液为：0.6mol/L的NaNO3，并添加至电解池中；
S2、对粗抛光碳化硅晶体投入配置电解液中，并将碳化硅晶体电化学氧化；
S3、基于电化学氧化后碳化硅晶体，对其在电解液中抛光装置进行半精抛光；
S4、对半精抛光后碳化硅晶体，更换磨料进而二次精抛光；
优选地，基于NaNO3化学性质稳定，其NaNO3在碳化硅晶体抛光过程中与磨粒不发生反应；
优选地，电解池通电电压10V,碳化硅晶体载荷30N，机械抛光装置转速40r/min，5μm金刚石和7μm氧化铝混合磨粒；
优选地，所述电化学氧化碳化硅晶体后，其表面的SiC转化为SiO2，SiC转化为SiO2后硬度下降，生成软化的钝化层；
优选地，所述碳化硅晶体电化学氧化采用三电极体系，三电极体系中的三个电极分别是:工作电极、参比电极和辅助电极，且电压越大，所述碳化硅晶体被氧化地越快；
优选地，所述半精抛光的加工条件为：电解池通电电压5V、碳化硅晶体载荷30N、机械抛光装置转速50r/min、1μm的金刚石和1.5μm的氧化铝混合磨粒；
优选地，所述二次精抛光使用SiO2磨粒对碳化硅晶体表面进行抛光；
优选地，一种碳化硅晶体抛光装置，该抛光装置应用于权利要求1至7任意一项所述的碳化硅晶体抛光方法，包括：
机体，其顶部开设有环形蓄水槽，且蓄水槽中开设有出水口；
电解池，其安装于蓄水槽的中间位置处，所述电解池内部的底壁上安装有石墨电极，且石墨电极的顶端安装有抛光垫；所述抛光垫的顶端放置有导电滑环，且导电滑环内部和电解池的底端均镶嵌有导电铜柱；
优选地，所述电解池内部电解液的液面高于石墨电极的平面；
优选的，所述机体顶部的后端安装有控制箱，且控制箱的底端基于伸缩杆与连接盘相连接；
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通过电解液NaNO3的选择，对碳化晶体氧化速率有着提升，由此间接提高了碳化晶体的抛光效率；
2、利用电化学氧化作用和磨粒抛光机械作用耦合的方式将碳化晶体抛光，相较于其他抛光设备而言，有效的节约时间成本和金钱成本的投入。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的碳化晶体加工系统框图；
图2为本发明的碳化晶体加工抛光系统框图；
图3为本发明碳化晶体抛光装置的正视示意图；
图4为本发明碳化晶体抛光装置电解池的正视剖面示意图；
图5为本发明碳化晶体抛光装置导电滑环的安装示意图。
图中：1、机体；2、摆臂支架；3、控制箱；4、伸缩杆；5、连接盘；6、电解池；61、石墨电极；62、抛光垫；63、导电铜柱；7、导电滑环。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了如图1中所示，碳化硅的优异自身性能要得到充分体现，需要对碳化硅进行精密加工，以达到碳化硅晶体的使用要求，其中以碳化硅晶体作为衬底材料为例，碳化硅晶体的表面粗糙度需要达到0.3nm以下。
其中，碳化晶体硅加工方法是：将原料定向切割后，对切割后原料进行研磨，再将研磨后原料进行抛光后封装；
切割：把碳化硅晶锭切割成晶片的方法有很多种，例如内径刀锯、固定磨粒线锯和研磨液线锯。保证碳化硅切片后有好的表面质量、翘曲度、切片厚度均匀，对于碳化硅后续的研磨与抛光加工至关重要；相对于内径刀锯的方式进行碳化硅切片，采用多线模式的研磨液线锯，可以降低切割损耗，在每个晶锭上切下更多的晶片，同时获得碳化硅晶片厚度比较均匀，能实现碳化硅的高效率切割，采用多线切割的工艺对直径100mm的碳化硅晶体进行切割，得到了平整度(TTV)<20um、翘曲度(BOW)<25μum、弯曲度(Warp)<25μm的碳化硅晶片，其线切割后的碳化硅晶体表面非常粗糙，有很多的表面缺陷需要后续工序加工去除；
研磨：碳化硅晶体在线切割之后，表面会留下切割划痕和表面损伤。为了初步去除碳化硅表面的划痕、缺陷和损伤，可以采用金刚石或碳化硼粉末进行研磨。根据研磨工艺采用磨粒粒径的差别，可以分为粗磨和精磨；
抛光：如图2中所示的一种碳化硅晶体抛光方法，包括以下步骤：
S1、将电解液配置；
具体的，所述电解液为：0.6mol/L的NaNO3，其中基于NaNO3化学性质稳定，其NaNO3在碳化硅晶体抛光过程中与磨粒不发生反应；
进一步的，电解液中使用0.6mol/L的NaNO3进行阳极极化时的开路电位小，开路电位的越大反映了碳化硅晶体在相应电解液中氧化难度较大，根据法拉第定律，电流密度与电化学氧化速率正相关，因初步选择0.6mol/L的NaNO3作为电解液；
S2、对粗抛光碳化硅晶体投入配置电解液中，并将碳化硅晶体电化学氧化；
具体的，粗抛光的加工条件为：电解池通电电压10V,碳化硅晶体载荷30N，机械抛光装置转速40r/min，5μm金刚石和7μm氧化铝混合磨粒；使用其组合进行碳化硅晶体机械抛光，材料去除率MRR可以达到20.259μm/h,20min内使碳化硅晶体表面粗糙度Sa从83.364nm下降到.1.977nm；
其中，抛光机型号为：UNIPOL-1200S，电解池内壁的底部安装有石墨电极，且石墨电极与电解池底端内部的导电铜柱相连接，其中需抛光工件通过导电滑环与电源阳极连接，石墨电极与电源阴极连接，构成闭合回路，划槽打孔后的聚氨酯抛光垫与石墨盘相固定；
进一步的，为了在粗抛阶段快速去除研磨工序阶段残留在碳化硅晶体表面的凹坑、凸起、崩碎、划痕等缺陷，这里使用金刚石和氧化铝混合磨粒进行碳化硅晶体的电化学机械抛光，其中金刚石莫氏硬度10，碳化硅莫氏硬度9.5，氧化铝莫氏硬度9.0，二氧化硅莫氏硬度7.0；
S3、基于电化学氧化后碳化硅晶体，对其在电解液中进行半精抛光；
具体的，电化学氧化碳化硅晶体后，其表面的SiC转化为SiO2，并生成钝化层，其SiO2的硬度低于SiC的硬度；所述半精抛光的加工条件为：电解池通电电压5V、碳化硅晶体载荷30N、机械抛光装置转速50r/min、1μm的金刚石和1.5μm的氧化铝混合磨粒，通过上述条件对碳化硅晶体进行机械拋光，30min内使碳化硅晶体表面粗糙度Sa从2.195nm下降到0.489nm，在提高抛光效率的基础上，还能兼顾表面质量；
进一步的，通过电化学氧化后能够将碳化硅晶体表面层材料转化为硬度降低的氧化层(钝化层)，一般使用硬度低于基体高于氧化层的软磨料进行抛光，能够实现不损伤基体的高表面质量抛光。
其中，碳化硅晶体电化学氧化采用三电极体系，三电极体系中的三个电极分别是:工作电极、参比电极和辅助电极，其电压越大，所述碳化硅晶体被氧化地越快；
S4、对半精抛光后碳化硅晶体，更换磨料进而二次精抛光；
具体的，二次精抛光使用SiO2磨粒对碳化硅晶体表面进行抛光；
其中，使用SiO2磨粒进行碳化硅晶体机械精抛光，能够得到无损伤、超光滑表面，表面粗糙度Sa达到0.112nm，符合碳化硅作为衬底材料的使用要求，同时材料去除率MRR达到0.849μm/h，如果载荷较小会导致碳化硅表面粗糙度Sa上升，表面质量变差，限制拋光效率，随着载荷的增加，表面粗糙度Sa逐渐下降，最终稳定在0.1nm左右，材料去除率MRR逐渐上升，最终稳定在0.9um/h；
封装：将抛光完成的碳化硅晶体进行包装进库。
如图3、图4和图5中所示，一种碳化硅晶体抛光装置，该抛光装置应用于权利要求1至7任意一项所述的碳化硅晶体抛光方法，包括：
机体1，其顶部开设有环形蓄水槽，且蓄水槽中开设有出水口；
电解池6，其安装于蓄水槽的中间位置处，所述电解池6内部的底壁上安装有石墨电极61，且石墨电极61的顶端安装有抛光垫62；所述抛光垫62的顶端放置有导电滑环7，且导电滑环7内部和电解池6的底端均镶嵌有导电铜柱63；
具体的，电解池6能够将0.6mol/L的NaNO3的电解液储存，而环形蓄水槽将电解池6内部的溅出的电解液收集，且收集的电解液能够从出水口处留出；
电解池6内部电解液的液面高于石墨电极61的平面；
打磨工件与导电滑环7之间电性连接，且石墨电极61与导电铜柱63之间电性连接，导电滑环7通过导电铜柱63与电源阳极相连接，石墨电极61通过导电铜柱63与电源阴极相连接，进而电解池6中的导电滑环7与石墨电极61之间再利用电解液构成闭合电路；
工件为：碳化硅晶片,且碳化硅晶片与导电滑环7中镶嵌的导电铜柱63之间通过导电胶相连接,同时导电滑环7中镶嵌的导电铜柱63和电解池6底端镶嵌的导电铜柱63中的空隙中填充有环氧树脂进行填充，避免电解液泄漏至导电滑环7中腐蚀导电滑环7，或流出电解池6中导致电解液较少的现象；
机体1顶部的后端安装有控制箱3，且控制箱3的底端基于伸缩杆4与连接盘5相连接，
摆臂支架2，安装于电解池6的一侧，且摆臂支架2的顶部安装有延伸杆，而延伸杆的底壁的一端上活动连接有导轮；
其中，延伸杆的底壁的一端上导轮于导电滑环7相接触，当导电滑环7底端的工件在打磨的过程中带动导电滑环7转动时不会被影响，进而摆臂支架2能对导电滑环7支撑和限位，并不影响导电滑环7的工作；
进一步的，延伸杆分为两根，且两根延伸杆能够叠加交叉放置，底端的延伸杆不能移动，顶端的延伸杆上开设有移动槽，且通过移动槽和固定栓的配合，能够对顶端的延伸杆进行调节，避免了交叉的延伸杆开合角度不够不能对导电滑环7进行支撑和位置固定，且交叉且开合的延伸杆底端均活动安装有导轮；
工作原理，首先，将此装置移动至合适的位置处，随后利用工具将连接盘5在伸缩杆4的底部卸下，紧接着将连接盘5加热至合适的温度后，再将连接盘5的底壁上涂抹石蜡，通过石蜡将工件粘连，并将粘黏工件后的连接盘5安装于伸缩杆4的底端；
其次，将不同目数的抛光垫62贴覆与石墨电极61上，利用控制箱3上的触摸屏将伸缩杆4控制，同时伸缩杆4的伸缩功能带动连接盘5底端的工件与抛光垫62相接触，再利用控制箱3内部的电机带动伸缩杆4转动，而连接盘5带动工件在抛光垫62上转动时需要添加抛光液，由此将连接盘5底端的工件完成初加工；
最后，取来不同目数的抛光垫62贴覆与石墨电极61上，连接盘5底端的工件取下后，将电解液投入电解池6中，再把取下的工件粘黏至导电滑环7的底端，使石墨电极61底端的导电铜柱63于电源阴极相连通，而导电滑环7通过导电铜柱63与电源阳极相连接，进而将导电滑环7底端粘黏的工件放置于抛光垫62上，并电化学氧化工件，利用摆臂支架2将导电滑环7支撑和位置固定，随后利用石墨电极61的转动将电解液中的工件进行精打磨，由此完成碳化硅晶体打磨的全部工作。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将电解液配置，且电解液为：0.6mol/L的NaNO3，并添加至电解池中；
S2、对粗抛光碳化硅晶体投入配置电解液中，并将碳化硅晶体电化学氧化；
S3、基于电化学氧化后碳化硅晶体，对其在电解液中抛光装置进行半精抛光；
S4、对半精抛光后碳化硅晶体，更换磨料进而二次精抛光。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，基于NaNO3化学性质稳定，其NaNO3在碳化硅晶体抛光过程中与磨粒不发生反应。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，所述粗抛光的加工条件为：电解池通电电压10V,碳化硅晶体载荷30N，机械抛光装置转速40r/min，5μm金刚石和7μm氧化铝混合磨粒。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，所述电化学氧化碳化硅晶体后，其表面的SiC转化为SiO2，SiC转化为SiO2后硬度下降，生成软化的钝化层。
5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，所述碳化硅晶体电化学氧化采用三电极体系，三电极体系中的三个电极分别是:工作电极、参比电极和辅助电极，且电压越大，所述碳化硅晶体被氧化地越快。
6.根据权利要求1所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，所述半精抛光的加工条件为：电解池通电电压5V、碳化硅晶体载荷30N、机械抛光装置转速50r/min、1μm的金刚石和1.5μm的氧化铝混合磨粒。
7.根据权利要求1所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，所述二次精抛光使用SiO2磨粒对碳化硅晶体表面进行抛光。
8.一种碳化硅晶体抛光装置，其特征在于，该抛光装置应用于权利要求1至7任意一项所述的碳化硅晶体抛光方法，包括：
机体(1)，其顶部开设有环形蓄水槽，且蓄水槽中开设有出水口；
电解池(6)，其安装于蓄水槽的中间位置处，所述电解池(6)内部的底壁上安装有石墨电极(61)，且石墨电极(61)的顶端安装有抛光垫(62)；所述抛光垫(62)的顶端放置有导电滑环(7)，且导电滑环(7)内部和电解池(6)的底端均镶嵌有导电铜柱(63)。
9.根据权利要求8所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，所述电解池(6)内部电解液的液面高于石墨电极(61)的平面。
10.根据权利要求8所述的碳化硅晶体抛光方法，其特征在于，所述机体(1)顶部的后端安装有控制箱(3)，且控制箱(3)的底端基于伸缩杆(4)与连接盘(5)相连接。
Priority Applications (1)
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| CN202311209994.3A CN117265630A (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 一种碳化硅晶体抛光方法 |
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