CN1836842A - 大直径高硬度6H－SiC单晶片的表面抛光方法 - Google Patents
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Abstract
大直径高硬度6H－SiC单晶片的表面抛光方法，属于晶体材料加工技术领域。将表面经过研磨的碳化硅晶片，进行粗抛光和精抛光两次抛光。粗抛光是在保证平整度的条件下，快速去除研磨造成的表面损伤层，并降低表面粗糙度；精抛光采用机械和化学抛光相结合的方法，进一步改善晶片表面的微粗糙度，实现表面高光洁度。精抛光克服了传统机械抛光法和化学腐蚀法的缺点，可获得表面损伤层小、高完整性、高平整度、超光滑的表面，加工出的晶片翘曲度小，厚度均匀性好。该方法加工精度高，工艺流程简单，效率高。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种大直径高硬度6H-SiC单晶片的表面抛光方法，属于晶体材料加工技术领域。
二、背景技术
碳化硅(SiC)作为第三代宽带隙半导体材料的核心，具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场、高电子饱和迁移速率、高化学稳定性等特点，在高温、高频、大功率、高密度集成电子器件等方面具有巨大的应用潜力。众所周知，氮化镓(GaN)是制作光电子器件的最佳材料，但由于不能获得块状氮化镓单晶材料，迫使人们选择其替代衬底蓝宝石和碳化硅。由于碳化硅与氮化镓的晶格失配和热膨胀系数的差异均明显小于蓝宝石，因此碳化硅单晶片是更优良的衬底材料。衬底表面平整度、粗糙度等关键质量参数，将直接影响到其器件的性能，所以在衬底加工过程中必须达到以后工序要求的粗糙度、平整度、平行度等要求，最大限度减少晶片损伤层和杂质微粒，为以后工序的进行打下基础。但是，由于碳化硅莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，脆性大，而且化学稳定性好，常温下几乎不与其他物质反应，故碳化硅单晶的衬底抛光已成为碳化硅广泛应用所必须解决的重要问题，也是促进微电子和光电子进一步发展的十分重要的因素。
三、发明内容
针对碳化硅单晶的特点，本发明提供一种采用优化的抛光工艺，可获得表面粗糙度小，平整度高，表面损伤层小，无加工缺陷的大直径6H-SiC单晶片的表面抛光方法。
大直径高硬度6H-SiC单晶片的表面抛光方法，将表面经过研磨的碳化硅晶片，进行粗抛光和精抛光两次抛光。粗抛光是在保证平整度的条件下，快速去除前步研磨工艺造成的表面损伤层，降低表面的粗糙度；精抛光采用化学腐蚀和机械去除相结合的方法，进一步改善晶片表面的微粗糙度，实现表面高光洁度，无加工缺陷。具体抛光方法如下：
(1)粗抛光：
1)采用粒度小于10um的金刚石微粉，将金刚石粉、氧化剂及分散剂按比例配成PH值为9～13、流动性好、悬浮性能好、无毒、利于清洗的抛光液；
2)采用质硬抛光布，控制晶片上的压力在100～500g/cm2；
3)选择30～70℃的抛光温度；
4)用抛光机对碳化硅晶片进行粗抛光；
(2)对粗抛光后的碳化硅晶片进行精抛光：
1)选用PH值为9～13，浓度为2％～50％，粒度为20～100nm的胶体二氧化硅抛光液，并加入适量氧化剂；
2)采用质软抛光布，控制晶片上的压力在100～500g/cm2；
3)选择20～60℃的抛光温度；
4)用抛光机对碳化硅晶片进行纳米级精抛光；
(3)精抛光后对碳化硅晶片清洗以去除表面上的残留粒子和沾污物。
粗抛光和精抛光时，抛光液中所用的氧化剂是次氯酸钠或双氧水或氢氧化钠或其他与抛光液相兼容的氧化剂。
粗抛光时，采用的抛光布是聚氨酯抛光布或合成革抛光布或无纺布抛光布。
粗抛光时，所用的分散剂是硅酸钠或六偏磷酸钠或氨水，抛光液中金刚石粉、氧化剂及分散剂的比例为1∶(0.001～1)∶(0.03～0.3)。
精抛光时，采用的抛光布是合成革抛光布或聚氨酯抛光布，抛光液中氧化剂的加入量为抛光液的1％～50％。
粗抛光和精抛光所用的抛光机都是典型的半导体晶片抛光设备，可以对晶片加压，具有晶片自传和抛光盘公转的功能，自动添加抛光液的特点。例如英国Logitech公司生产的PM5型抛光机。
粗抛光前，碳化硅晶片表面经过研磨后，用台阶仪测得的表面粗糙度Ra约为100nm，表面不平整度小于6μm。粗抛光过程中，材料去除速率为0.5～2μm/h，粗抛光后，用台阶仪测量表面粗糙度小于10nm；用原子力显微镜观察表面有金刚石粉抛光后留下的划痕。
精抛光过程中，材料去除速率为0.1～1μm/h，精抛光后，用原子力显微镜观察表面非常光亮，测得粗糙度小于1nm，无划痕或其它加工缺陷，2英寸晶片的不平整度小于6μm，翘曲度小于10μm，厚度不均匀度TTV(Total Thickness Variation)小于15μm。
本发明具有以下优点：
1、精抛光过程采用化学机械抛光法，克服了传统机械抛光法和化学腐蚀法的缺点，可获得表面损伤层小、高完整性、高平整度、超光滑的表面，最终测得粗糙度小于1nm。
2、加工出的晶片翘曲度小，厚度均匀性好。
3、可实现碳化硅单晶片的连续加工；
4、操作方便，自动化程度高，加工精度高。
5、工艺流程简单，成本较低，效率高。
6、本发明不受抛光设备的限制，可以适用于符合半导体晶片加工要求的任何抛光设备。
四.具体实施方式
实施例1：
大直径高硬度6H-SiC单晶片的表面抛光方法，将表面经过研磨的碳化硅晶片，进行粗抛光和精抛光两次抛光。粗抛光是在保证平整度的条件下，快速去除前步研磨工艺造成的表面损伤层，降低表面的粗糙度；精抛光采用化学腐蚀和机械去除相结合的方法，进一步改善晶片表面的微粗糙度，实现表面高光洁度，无加工缺陷。具体抛光方法如下：
(1)粗抛光：
1)采用粒度为0.1um的金刚石微粉，将金刚石粉、氧化剂及分散剂按比例配成PH值为9～13、流动性好、悬浮性能好、无毒、利于清洗的抛光液；
2)采用质硬抛光布，控制晶片上的压力为100g/cm2；
3)选择30～70℃的抛光温度；
4)用抛光机对碳化硅晶片进行粗抛光；
(2)对粗抛光后的碳化硅晶片进行精抛光：
1)选用PH值为9～13，浓度为2％～50％，粒度为20～100nm的胶体二氧化硅抛光液，并加入适量氧化剂；
2)采用质软抛光布，控制晶片上的压力为100g/cm2；
3)选择20～60℃的抛光温度；
4)用抛光机对晶片进行纳米级精抛光；
(3)精抛光后对碳化硅晶片清洗以去除表面上的残留粒子和沾污物。
粗抛光和精抛光时，抛光液中所用的氧化剂是次氯酸钠。
粗抛光时，采用的抛光布是聚氨酯抛光布。
粗抛光时，所用的分散剂是硅酸钠，抛光液中金刚石粉、氧化剂及分散剂的比例为1∶0.001∶0.03。
精抛光时，采用的抛光布是合成革抛光布，抛光液中氧化剂的加入量为抛光液的1％。
粗抛光和精抛光所用的抛光机都是PM5型抛光机。
粗抛光前，碳化硅晶片表面经过研磨后，用台阶仪测得的表面粗糙度Ra约为100nm，表面不平整度小于6μm。粗抛光过程中，材料去除速率为0.5～2μm/h，粗抛光后，用台阶仪测量表面粗糙度小于10nm；用原子力显微镜观察表面有金刚石粉抛光后留下的划痕。
精抛光过程中，材料去除速率为0.1～1μm/h，精抛光后，用原子力显微镜观察表面非常光亮，测得粗糙度小于1nm，无划痕或其它加工缺陷，2英寸晶片的不平整度小于6μm，翘曲度小于10μm，厚度不均匀度TTV小于15μm。
实施例2：
大直径高硬度6H-SiC单晶片的表面抛光方法，具体抛光方法及抛光效果与实施例1相同，不同之处在于，粗抛光和精抛光时，抛光液中所用的氧化剂是双氧水，控制晶片上的压力为300g/cm2；粗抛光时，采用粒度为1um的金刚石微粉，采用的抛光布是合成革抛光布；粗抛光时，所用的分散剂是六偏磷酸钠，抛光液中金刚石粉、氧化剂及分散剂的比例为1∶0.01∶0.1；精抛光时，采用的抛光布是聚氨酯抛光布，抛光液中氧化剂的加入量为抛光液的25％。
实施例3：
大直径高硬度6H-SiC单晶片的表面抛光方法，具体抛光方法及抛光效果与实施例1相同，不同之处在于，粗抛光和精抛光时，抛光液中所用的氧化剂是氢氧化钠，控制晶片上的压力为500g/cm2；粗抛光时，采用粒度为6um的金刚石微粉，采用的抛光布是无纺布抛光布；粗抛光时，所用的分散剂是氨水，抛光液中金刚石粉、氧化剂及分散剂的比例为1∶1∶0.3；精抛光时，采用的抛光布是聚氨酯抛光布，抛光液中氧化剂的加入量为抛光液的50％。
Claims (4)
1、一种大直径高硬度6H-SiC单晶片的表面抛光方法，将表面经过研磨的碳化硅晶片，进行粗抛光和精抛光两次抛光。粗抛光是在保证平整度的条件下，快速去除研磨造成的表面损伤层，并降低表面粗糙度；精抛光采用化学腐蚀和机械去除相结合的方法，进一步改善晶片表面的微粗糙度，实现表面高光洁度，其特征在于，具体抛光步骤如下：
(1)粗抛光：
1)采用粒度小于10um的金刚石微粉，将金刚石粉、氧化剂及分散剂按比例配成PH值为9～13、流动性好、悬浮性能好、无毒、利于清洗的抛光液；
2)采用质硬抛光布，控制晶片上的压力在100～500g/cm2；
3)选择30～70℃的抛光温度；
4)用抛光机对碳化硅晶片进行粗抛光；
(2)对粗抛光后的碳化硅晶片进行精抛光：
1)选用PH值为9～13，浓度为2％～50％，粒度为20～100nm的胶体二氧化硅抛光液，并加入适量氧化剂；
2)采用质软抛光布，控制晶片上的压力在100～500g/cm2；
3)选择20～60℃的抛光温度；
4)用抛光机对碳化硅晶片进行纳米级精抛光；
(3)精抛光后对碳化硅晶片清洗以去除表面上的残留粒子和沾污物。
2、如权利要求1所述的大直径6H-SiC单晶片的表面抛光方法，其特征在于，粗抛光和精抛光均采用抛光布进行抛光。
3、如权利要求1所述的大直径6H-SiC单晶片的表面抛光方法，其特征在于，粗抛光时采用金刚石抛光液，精抛光时采用胶体二氧化硅抛光液。
4、如权利要求1所述的大直径6H-SiC单晶片的表面抛光方法，其特征在于，粗抛光和精抛光时，抛光液中所用的氧化剂是次氯酸钠或双氧水或氢氧化钠或其他与抛光液相兼容的氧化剂。
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