碳化硅單晶襯底超精密拋光關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切關(guān)系到我國(guó)國(guó)防、軍事、航空航天、能源等重要科技領(lǐng)域。以碳化硅(SiC)單晶為代表的第三代半導(dǎo)體材料是一種重要的新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，通過(guò)外延可以作為生長(zhǎng)氮化鎵(GaN)、石墨烯的襯底材料。同時(shí)，它具有高楊氏模量、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等性質(zhì)，可廣泛用于制作高溫、高頻的大功率器件。尤其在軍工方面，是新一代雷達(dá)、衛(wèi)星通訊的核心，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，已然經(jīng)成為當(dāng)今國(guó)際關(guān)注的焦點(diǎn)。由于硅(Si)電子元器件的開

2、發(fā)已趨于極限，因此，研究第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料顯得更加重要和尤為迫切;同時(shí)，它將引領(lǐng)第三次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)革命。
　　SiC單晶襯底的加工質(zhì)量和精度直接影響器件的性能，故要求被加工表面超光滑、無(wú)缺陷、無(wú)損傷。超精密拋光技術(shù)是整個(gè)加工工藝的最后一步，分為機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光兩道工藝。機(jī)械拋光對(duì)材料去除率和平坦度起到?jīng)Q定性作用，化學(xué)機(jī)械拋光是實(shí)現(xiàn)原子級(jí)表面粗糙度的核心。因此，超精密拋光技術(shù)是保證SiC單晶襯底高精度、高效率、低成本的關(guān)鍵。

3、本文以3英寸SiC單晶襯底的表面粗糙度、平坦度和材料去除率為目標(biāo)，對(duì)機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光的工藝和機(jī)理進(jìn)行了研究。使用綜合評(píng)分法來(lái)權(quán)衡表面粗糙度和材料去除率之間的關(guān)系，根據(jù)不同要求得到不同條件下的最佳工藝參數(shù)。從微觀、宏觀兩個(gè)尺度出發(fā)，分析化學(xué)作用、機(jī)械作用以及化學(xué)機(jī)械耦合作用對(duì)SiC單晶襯底原子級(jí)去除機(jī)理的影響。
　　具體的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)建立了無(wú)架行星式雙面機(jī)械拋光二維幾何模型，推導(dǎo)了SiC單晶

4、襯底和拋光墊上磨粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程。分析了磨粒分布半徑、SiC襯底分布半徑、齒圈與太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速比、拋光盤與太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速比對(duì)拋光軌跡和曲率的影響情況。構(gòu)建拋光均勻性函數(shù)，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算變異系數(shù)，研究了磨粒間隔半徑、齒圈與太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速比、拋光盤與太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速比三個(gè)因素對(duì)SiC單晶襯底均勻拋光和拋光墊上磨粒磨損的影響規(guī)律。
　　(2)建立了基于無(wú)架行星差動(dòng)輪系的雙面機(jī)械拋光機(jī)構(gòu)的三維物理模型，分析了3英寸SiC單晶襯底表面對(duì)稱5點(diǎn)的位移、

5、速度、加速度隨時(shí)間變化曲線的重合情況，驗(yàn)證了理論模型的正確性和行星差動(dòng)輪系參數(shù)的可行性?；谠撃Ｐ驮O(shè)計(jì)了3英寸SiC單晶襯底機(jī)械拋光正交試驗(yàn)，通過(guò)單因素分析法和綜合分析法，研究了拋光壓力、下拋光盤轉(zhuǎn)速以及金剛石微粉直徑三個(gè)因素對(duì)材料去除率、表面粗糙度和平坦度的影響規(guī)律，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)。
　　(3)從微觀尺度出發(fā)，建立了6H-SiC單晶晶胞模型，進(jìn)行量子力學(xué)的計(jì)算，分析了晶胞模型分子動(dòng)力學(xué)特性。根據(jù)密度泛函理論和第一性原理，使用

6、CASTEP模塊對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、總態(tài)密度、電子密度以及電荷密度進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)仿真。使用Forcite模塊對(duì)(100)、(010)、(001)三個(gè)面的原子密度的相對(duì)濃度分布、結(jié)構(gòu)無(wú)序化程度的徑向分布函數(shù)、溫度分布以及速度分布隨位置的變化進(jìn)行了研究，分析了晶胞勢(shì)能、動(dòng)能，非鍵合能，總能，總焓的變化規(guī)律。
　　(4)建立了3英寸SiC單晶襯底化學(xué)機(jī)械拋光流固耦合模型，基于ANSYS分析了拋光液對(duì)SiC襯底被加工表面的單向流固耦合作用。分析

7、了拋光液流量和拋光液底面轉(zhuǎn)速對(duì)流固耦合界面的壓力、應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能四個(gè)指標(biāo)的影響情況，為化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理的研究提供理論指導(dǎo)。
　　(5)研究了SiC襯底的Si面和C面的化學(xué)機(jī)械拋光的工藝參數(shù)對(duì)材料去除率和表面粗糙度的影響。首先，設(shè)計(jì)了化學(xué)機(jī)械拋光六因素五水平正交試驗(yàn)（拋光壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速、磨粒直徑、PH值、拋光液濃度和氧化劑濃度），通過(guò)極差、方差分析法確定了單因素的主次順序，分別得到了材料去除率和表面粗糙度單目標(biāo)的最優(yōu)工藝參數(shù)。