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碳化硅晶片的化學機械拋光技術

發布人:旺材芯片 時間:2024-01-24 來源:工程師 發布文章
碳化硅(SiC)材料具有尺寸穩定性好、彈性模量大、比剛度大、導熱性能好和耐腐蝕等性能,在現代工業領域應用廣泛:在半導體領域,利用其具有禁帶寬度、擊穿場強高和導熱性良好等特性,SiC成為繼第一代半導體硅(Si)和第二代半導體砷化鎵(GaAs)之后的第三代半導體理想材料;在光學鏡面領域,利用其輕量化、比剛度大和熱變形系數小等特點,SiC成為空間反射鏡光學元件的優選材料;在機械密封領域,利用其較高的尺寸穩定性、耐腐蝕性能和耐磨性質,SiC材料已經在航空、船舶及特殊車輛等多種場合作為密封元件進行開發應用。


SiC材料的表面加工質量對制件的可靠性和使用壽命至關重要,如:在半導體領域,SiC晶片的輕薄化和表面超光滑的特性不僅減小了體積,還降低了其內阻,改善了芯片散熱性能。在單晶SiC基片的外延工藝應用中要求表面粗糙度Ra<0.3 nm ,并且表面無缺陷、無損傷。光學元件的表面質量是影響光學系統成像分辨率的重要因素,拋光就是為了提高表面質量,盡量降低表面粗糙度和亞表面損傷層深度,而散射越少,成像分辨率越高。光學鏡面要求其光學元件表面超光滑,表面粗糙度均方根(Root Mean Square ,RMS)<1nm。機械密封元件要求密封端面的表面粗糙度Ra<0.4 μm,平面度一般小于0.9 μm。
由于SiC材料綜合性能優異,隨著其應用和發展逐步廣泛和深入,對其加工精度要求日益增長。SiC表面平坦化質量直接影響制件性能,決定了制件的成品率。SiC材料的彈性模量(420~530 GPa)與其莫氏硬度(約9.2,顯微硬度約28~40 GPa)的比值小于20,屬于典型的脆硬性材料,其平坦化加工時在力的作用下易產生微裂紋,亞表層缺陷多,使得該材料面臨加工效率低、加工困難及加工成本居高不下等問題,制約了其大規模應用和推廣。
目前,廣泛應用的化學機械拋光技術仍為SiC拋光的基礎加工手段,存在加工效率低、加工機理還未有統一的定論等問題。本文重點對傳統化學機械拋光技術中的游離磨料和固結磨料工藝以及化學機械拋光的輔助增效工藝進行了闡述與總結。

目前SiC材料加工工藝主要有以下幾道工序:定向切割、晶片粗磨、精研磨、機械拋光和化學機械拋光(精拋)。其中化學機械拋光作為最終工序,其工藝方法選擇、工藝路線排布和工藝參數優化直接影響拋光效率和加工成本。在半導體領域中,經過化學機械拋光后SiC單晶片獲得超光滑、無缺陷及無損傷表面是高質量外延層生長的決定因素。
01

傳統化學機械拋光介紹


SiC的傳統化學機械拋光按照磨料存在狀態可分為游離磨料拋光和固結磨料拋光。


一、游離磨料拋光







游離磨料拋光示意圖如圖1所示。游離磨料工藝裝置主要由旋轉工作臺、試件裝夾器及拋光液輸送裝置三部分構成。旋轉工作臺上粘貼有拋光墊并自旋轉,外部通過承載器給晶片施加正壓力,使得晶片與拋光墊兩者之間有合適的正壓力,能夠產生相對運動。在應用傳統的游離磨料工藝拋光時,一般采用三體摩擦方式使得材料去除,即當磨料處于試件表面與拋光墊表面之間時,2個表面和磨料形成三體。三體摩擦如圖2所示。三體摩擦中,磨料是不固定的,磨料在試件與拋光墊表面作移動或滾動。含磨料研磨液在試件與拋光墊之間流動,磨料較均勻地分布在拋光墊上,在壓力作用下,尺寸較大的磨料嵌入拋光墊中,依靠露在外面的尖端劃擦試件表面,通過剪切力來斷開Si-C原子之間的共價鍵,達到材料的微量切除。另外在尺寸較小的磨料的滾軋作用下,微裂紋發生脆性崩裂破碎,試件微裂層材料得以去除。

圖片圖1 游離磨料拋光示意圖圖片圖2 游離磨料拋光三體摩擦示意
在游離磨料工藝中,主要采用三體摩擦方式, SiC材料表面會產生微裂紋,形成亞表面損傷。此外,工藝參數多、游離磨料的分散不穩定性對拋光效果均有較大的影響。另外,游離磨料會嵌在拋光表面,不易清洗。拋光過程中游離磨料還會導致拋光墊微孔堵塞,使得表面變得光滑,最終導致材料去除率逐漸下降。
二、固結磨料拋光







基于游離磨料化學機械拋光的缺點和對晶片平坦化要求的不斷提高,20世紀90年代3M公司率先提出固結磨料的化學機械拋光(Fixed Abrasive-Chemical Mechanical Polishing,FA-CMP)技術。固結磨料化學機械拋光技術中不僅磨料的等高性較好,而且參與拋光的磨料增多,從而提高了材料去除率。固結磨料承受壓強變小,切削層厚度降低,將會提高表面精度。固結磨料拋光示意圖如圖3所示。FA-CMP工藝是把磨料固結在拋光墊中,研磨液不再添加磨料,而是只含有基本化學成分的水溶液或去離子水。來自外部的壓力可以直接加載到磨料上,第一主體(晶片)由夾具夾持,磨料與第二主體(拋光墊)固定結合,限制了磨料的運動。拋光時磨料與第一主體(晶片)之間有相對滑動。

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圖3 固結磨料拋光示意圖

在應用傳統的固結磨料工藝拋光時,采用二體摩擦方式,二體摩擦如圖4所示,通過磨料的切削、耕犁斷開Si-C原子之間的共價鍵,使得材料去除。

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圖4 固結磨料拋光二體摩擦示意圖

在固結磨料工藝中,由于基于二體磨擦原理,不含磨料的研磨液具有依賴性較小、清潔簡單和綠色環保等諸多優點。但工藝上也存在一些不足,例如:在固結磨料工藝處理過程中,采用突起均布的拋光墊,SiC晶片在拋光墊上形成運動軌跡的密度是不一樣的,造成拋光墊的磨損不均和面形惡化,最后影響到所加工工件的面形;當前研究和應用的仍是以平面為主的固結磨料拋光墊,而SiC的應用場合又有許多為非平面,非平面固結磨料拋光墊模具的制備及固化方法難度則會相對增加。

02

輔助增效工藝介紹


SiC晶型結構特點使得SiC材料具有較高硬度與化學穩定性,導致在拋光過程中材料去除率較低,因此探索基于化學機械拋光基本工藝的輔助增效手段,對于實現 SiC材料產業化應用和推廣具有重要的意義。圖5所示為化學機械拋光協同輔助增效工藝示意圖,輔助增效手段主要有等離子輔助、催化劑輔助、紫外光輔助和電場輔助。針對SiC材料固有的高硬度和化學穩定性,利用輔助增效手段先進行表面改性,再進行力學去除。化學機械拋光輔助增效技術材料去除機理本質是通過輔助增效技術手段來控制SiC表面較軟氧化層的形成并從力學上改善SiC氧化層材料的去除方式。

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圖5 化學機械拋光協同輔助增效工藝示意圖來源:超硬材料與磨料磨具




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關鍵詞: 碳化硅

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