CN113524025B - 一种SiC单晶片抛光方法 - Google Patents

一种SiC单晶片抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种SiC单晶片抛光方法，采用含有还原剂、氧化剂、催化剂等化学物质的抛光垫，在抛光压力的作用下，SiC单晶片与抛光垫表面的凸峰相接触，产生摩擦及摩擦热，还原剂释放出氧气，在催化剂及摩擦热等的作用下，氧气与SiC单晶片表面发生氧化反应，在表面生成一层SiO2层，然后由具有自退让功能的磨粒去除；此过程交替进行，实现SiC单晶片表面全局被平坦化。由于采用具有自退让功能的磨粒，磨粒能够随抛光压力的变化而上下退让，当磨粒尺寸不一致或磨粒的凸刃高度不同时，通过磨粒的自退让性，使得加工中磨粒的凸刃高度随压力的变化而变化，控制加工中每个磨粒的切深。抛光后SiC单晶片表面质量高，成本低，废物排放低。

Description

一种SiC单晶片抛光方法
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种SiC单晶片抛光方法。
背景技术
单晶SiC是继Ge和Si等第一代半导体材料、GaAs、InP等第二代半导体材料发展起来的第三代半导体材料，因为它具有宽禁带、高击穿电场强度、高热导率、热稳定性好、高饱和漂移速度、高抗辐射能力等优越性能，在高频、高温、抗辐射、大功率、光电子等领域优势非常明显，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景，且在航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势，将成为支撑信息、能源、交通、国防等发展的重点半导体材料，也正在成为全球半导体产业新的战略高地。
而SiC基器件的使用性能和制造成本是制约微电子、光电子等产业发展重要因素，但器件的使用性能与SiC单晶基片表面加工质量密切相关，因此，如何高精度、高质量、高效率和低成本地实现SiC单晶基片超光滑无损伤表面的加工已成为超精密加工技术领域的前沿性研究课题。目前，SiC单晶基片的加工主要还是沿用晶体基片传统加工工艺：内圆锯切片、游离磨料研磨和化学机械抛光(CMP)。
国内外在单晶SiC材料的超精密加工方面进行了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果，但单晶SiC基片的超精密加工理论尚未完善，还有很多问题没弄清楚、没有解决，如材料去除机理问题、加工效率问题等。
化学机械抛光技术是实现单晶SiC等硬脆晶体基片表面超光滑无损伤最有效的平坦化方法之一，广泛用于集成电路、半导体照明领域。化学机械抛光是化学作用和机械作用相结合并具有交互作用的技术，但是抛光过程产生的废物会对环境造成污染，且生产成本较高。固结磨粒化学机械抛光是近十多年来出现的平坦化技术，能有效提高材料去除率，但是仍然存在生产成本较高的缺陷。
因此，如何改变现有技术中，单晶SiC基片抛光过程中，造成环境污染、生产成本较高的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiC单晶片抛光方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高了产品表面质量，减少了排放避免环境污染，降低了生产成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种SiC单晶片抛光方法，包括如下步骤：
步骤一、抛光盘顶部设置抛光垫，抛光头设置于抛光垫的顶部，抛光头朝向抛光盘的一侧设置背膜，SiC片位于背膜与抛光垫之间，在抛光头的压力作用下，SiC片与抛光垫表面的凸峰相接触，形成多个微接触区，且抛光垫中的还原剂产生固相还原反应，释放氧气，在微接触区形成富氧；
步骤二、在催化剂、氧化剂、活性剂以及摩擦作用下，氧气与SiC片表面发生固相氧化反应，在SiC片表面生成SiO2层；
步骤三、抛光垫朝向SiC片的一面具有磨粒，磨粒具有自退让功能，磨粒能够去除SiC片表面凸出的SiO2层，凹处的SiO2层因无法与磨粒接触而保留，SiC片表面凸出部分裸露出SiC单晶基体；
步骤四、SiC片表面凸出部分裸露出的SiC单晶基体再次被氧化，氧化后被磨粒去除，重复步骤一至步骤三，直至SiC片表面凹处的SiO2层也被去除，实现SiC片表面平坦化；
在步骤一至步骤四的进行中，喷头持续向抛光垫喷洒去离子水。
优选地，抛光垫中的还原剂为下列物质的一种或几种：过氧化钠粉末、氯酸钾末、高锰酸钾粉末。
优选地，抛光垫中的氧化剂为下列物质的一种或几种：FeSO4粉末、CrO3粉末、氢氧化钠粉末。
优选地，抛光垫中的催化剂为下列物质的一种或几种：Pt粉、MnO2粉、FeO粉、Fe3O4粉末、铁粉、FeCl3粉。
优选地，抛光垫中的活性剂为活性碳粉或聚乙二醇粉或二者的混合物。
优选地，抛光垫中的磨粒为下列物质的一种或几种：金刚石微粉、Al2O3微粉、二氧化硅微粉，磨粒的粒径是15nm～28μm。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的SiC单晶片抛光方法，包括如下步骤：步骤一、抛光盘顶部设置抛光垫，抛光头设置于抛光垫的顶部，抛光头朝向抛光盘的一侧设置背膜，SiC片位于背膜与抛光垫之间，在抛光头的压力作用下，SiC片与抛光垫表面的凸峰相接触，形成多个微接触区，且抛光垫中的还原剂产生固相还原反应，释放氧气，在微接触区形成富氧；步骤二、在催化剂、氧化剂、活性剂以及摩擦作用下，氧气与SiC片表面发生固相氧化反应，在SiC片表面生成SiO2层；步骤三、抛光垫朝向SiC片的一面具有磨粒，磨粒具有自退让功能，磨粒能够去除SiC片表面凸出的SiO2层，凹处的SiO2层因无法与磨粒接触而保留，SiC片表面凸出部分裸露出SiC单晶基体；步骤四、SiC片表面凸出部分裸露出的SiC单晶基体再次被氧化，氧化后被磨粒去除，重复步骤一至步骤三，直至SiC片表面凹处的SiO2层也被去除，实现SiC片表面平坦化；加工过程中，向抛光垫喷洒去离子水作为抛光剂。
本发明采用含有还原剂、氧化剂、催化剂等化学物质的抛光垫，在抛光压力的作用下，SiC单晶片与抛光垫表面的凸峰相接触，之间表面上产生摩擦及摩擦热，使抛光垫中的还原剂释放出氧气，在SiC单晶片与抛光垫表面之间的无数个微区形成富氧；其次，在催化剂、抛光液及摩擦热作用下，氧气与SiC单晶片表面发生氧化反应，在SiC单晶片表面生成一层SiO2层；然后由具有自退让功能的磨粒去除；此过程交替进行，实现SiC单晶片表面全局被平坦化。由于采用了具有自退让功能的磨粒，磨粒能够随抛光压力的变化而上下退让，具有自适应性，当磨粒尺寸不一致、磨粒的凸刃高度不同时，通过磨粒的自退让性，使得加工中磨粒的凸刃高度随压力的变化而变化，达到控制加工中每个磨粒的切深均匀一致，提高抛光精度，抛光后SiC单晶片表面质量高，设备简单、运行成本低。同时，本发明采用去离子水作为抛光液，进一步节约了生产成本，且减少了废物排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的SiC单晶片抛光方法的工作示意图；
图2为本发明的SiC单晶片抛光方法的步骤二的示意图；
图3为本发明的SiC单晶片抛光方法的步骤三的示意图；
图4为本发明的SiC单晶片抛光方法的步骤四的示意图；
图5为本发明的SiC单晶片抛光方法的磨粒嵌入工件表面深度随抛光压力变化的示意图；
图6为本发明的SiC单晶片抛光方法的原理图；
其中，1为抛光头，2为抛光垫，3为抛光盘，4为背膜，5为SiC片，6为喷头，7为SiO2层，8为磨粒，P0、P1、P2为压力，且P2﹥P1﹥P0。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种SiC单晶片抛光方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高了产品表面质量，减少了排放避免环境污染，降低了生产成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-6，其中，图1为本发明的SiC单晶片抛光方法的工作示意图，图2为本发明的SiC单晶片抛光方法的步骤二的示意图，图3为本发明的SiC单晶片抛光方法的步骤三的示意图，图4为本发明的SiC单晶片抛光方法的步骤四的示意图，图5为本发明的SiC单晶片抛光方法的磨粒嵌入工件表面深度随抛光压力变化的示意图；图6为本发明的SiC单晶片抛光方法的原理图。
本发明提供一种SiC单晶片抛光方法，包括如下步骤：
步骤一、抛光盘3顶部设置抛光垫2，抛光头1设置于抛光垫2的顶部，抛光头1朝向抛光盘3的一侧设置背膜4，SiC片5位于背膜4与抛光垫2之间，在抛光头1的压力作用下，SiC片5与抛光垫2表面的凸峰(此处的凸峰即磨粒8的凸出部)相接触，形成多个微接触区，且抛光垫2中的还原剂产生固相还原反应，释放氧气，在微接触区形成富氧。
步骤二、在催化剂、氧化剂、活性剂以及摩擦作用下，氧气与SiC片5表面发生固相氧化反应，在SiC片5表面生成SiO2层7。
步骤三、抛光垫2朝向SiC片5的一面具有磨粒8，磨粒8具有自退让功能，磨粒8能够去除SiC片5表面凸出的SiO2层7，凹处的SiO2层7因无法与磨粒8接触而保留，SiC片5表面凸出部分裸露出SiC单晶基体。
步骤四、SiC片5表面凸出部分裸露出的SiC单晶基体再次被氧化，氧化后被磨粒8去除，重复步骤一至步骤三，直至SiC片5表面凹处的SiO2层7也被去除，实现SiC片5表面平坦化。
在步骤一至步骤四的进行中，喷头6持续向抛光垫2喷洒去离子水。
本发明通过采用具有自退让功能的磨粒8，提高加工精度，磨粒8能够随抛光压力的变化而上下退让，具有自适应性，当磨粒8尺寸不一致、磨粒8的凸刃高度不同时，通过磨粒8的自退让性，使得加工中磨粒8的凸刃高度随压力的变化而变化，达到控制加工中每个磨粒8的切深均匀一致，提高抛光精度，同时，本发明采用去离子水作为抛光液，节约了生产成本，减少了废物排放。
抛光垫2中的还原剂为下列物质的一种或几种：过氧化钠粉末、氯酸钾末、高锰酸钾粉末。
抛光垫2中的氧化剂为下列物质的一种或几种：FeSO4粉末、CrO3粉末、氢氧化钠粉末。
抛光垫2中的催化剂为下列物质的一种或几种：Pt粉、MnO2粉、FeO粉、Fe3O4粉末、铁粉、FeCl3粉。
抛光垫2中的活性剂为活性碳粉或聚乙二醇粉或二者的混合物。
抛光垫2中的磨粒8为下列物质的一种或几种：金刚石微粉、Al2O3微粉、二氧化硅微粉，磨粒8的粒径是15nm～28μm。
下面通过具体的实施例对本发明的SiC单晶片抛光方法，作进一步的解释说明。
实施例一
选择以下配比进行混合，制造抛光垫2一个，其重量百分数配见表1、表2所示。
表1 抛光垫2的磨料层1号成份(含磨粒、粗抛工序)
Figure BDA0003189101670000061
Figure BDA0003189101670000071
表2 抛光垫2的基体层1号成份(粗抛工序)
Figure BDA0003189101670000072
首先，根据表2中抛光垫2的1号成份，制备1.2mm厚不含磨粒具有退让功能的基体层，然后根据表1中抛光垫2的磨料层1号成份，再在基体层上面制备1.3mm厚含磨粒具有退让功能的纹理层，用于粗抛光。用上述配比制成的抛光垫2，在ZYP300研磨机上抛光2英寸的6H-SiC单晶片(0001)C面和Si面，抛光前，表面粗糙度Ra在40nm左右。抛光压力为3psi，抛光盘3转速为40r/min，工件转速为40r/min，抛光时间为30min，抛光后，6H-SiC单晶片(0001)C面的表面粗糙度变为17nm左右，抛光速率达到0.18μm/min；6H-SiC单晶片(0001)Si面的表面粗糙度变为18nm左右，抛光速率达到0.2μm/min。
实施例二
选择以下配比进行混合，制造抛光垫2一个，其重量百分数配见表3、表4所示。
表3 抛光垫2的磨料层2号成份(含磨粒，半精抛工序)
Figure BDA0003189101670000081
Figure BDA0003189101670000091
表4 抛光垫2的基体层2号成份(不含磨粒，半精抛工序)
Figure BDA0003189101670000092
首先，根据表4中的抛光垫2的基体层2号成份，制备1.2mm厚不含磨粒具有退让功能的基体层，然后根据表3中的抛光垫2的磨料层2号成份，再在基体层上面制备1.3mm厚含磨粒具有退让功能的纹理层，用于半精抛光工序。用上述配比制成的固结磨料化学机械抛光垫，在ZYP300研磨机上抛光2英寸的6H-SiC单晶片(0001)C面和Si面，抛光前，表面粗糙度Ra在20nm左右。抛光压力为3psi，抛光盘3转速为40r/min，工件转速为40r/min，抛光时间为30min，抛光后，6H-SiC单晶片(0001)C面的表面粗糙度变为8nm左右，抛光速率达到0.15μm/min；6H-SiC单晶片(0001)Si面的表面粗糙度变为8nm左右，抛光速率达到0.17μm/min。
实施例三
选择以下配比进行混合，制造抛光垫2一个，其重量百分数配见表5、表6所示。
表5 抛光垫2的磨料层3号成份(含磨粒，精抛工序)
Figure BDA0003189101670000101
Figure BDA0003189101670000111
表6 抛光垫2的基体层3号成份(不含磨粒、精抛工序)
Figure BDA0003189101670000112
首先，根据表6中的抛光垫2的基体层3号成份，制备1.2mm厚不含磨粒具有退让功能的基体层，然后根据表5中的抛光垫2的磨料层3号成份，再在基体层上面制备1.3mm厚含磨粒具有退让功能的纹理层，用于精抛光。用上述配比制成的固结磨料化学机械抛光垫，在ZYP300研磨机上抛光2英寸的6H-SiC单晶片(0001)C面和Si面，抛光前，表面粗糙度Ra在8nm左右。抛光压力为3psi，抛光盘3转速为40r/min，工件转速为40r/min，抛光时间为30min，抛光后，6H-SiC单晶片(0001)C面的表面粗糙度变为1.2nm左右，抛光速率达到0.12μm/min；6H-SiC单晶片(0001)Si面的表面粗糙度变为1.10nm左右，抛光速率达到0.13μm/min。
本发明的SiC单晶片抛光方法，去除率较高并且可控，抛光后晶片损伤率低或无损伤、平整度高，抛光成本低，可用于SiC单晶硬脆性晶体材料中化学机械抛光中的粗抛、半精抛和精抛工序及其他硬脆性晶体材料、光学材料的精密化学机械抛光。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种SiC单晶片抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、抛光盘顶部设置抛光垫，抛光头设置于抛光垫的顶部，抛光头朝向抛光盘的一侧设置背膜，SiC片位于背膜与抛光垫之间，在抛光头的压力作用下，SiC片与抛光垫表面的凸峰相接触，形成多个微接触区，且抛光垫中的还原剂产生固相还原反应，释放氧气，在微接触区形成富氧；抛光垫中的还原剂为下列物质的一种或几种：过氧化钠粉末、氯酸钾粉末、高锰酸钾粉末；
步骤二、在催化剂、氧化剂、活性剂以及摩擦作用下，氧气与SiC片表面发生固相氧化反应，在SiC片表面生成SiO2层；
步骤三、抛光垫朝向SiC片的一面具有磨粒，磨粒具有自退让功能，磨粒能够去除SiC片表面凸出的SiO2层，凹处的SiO2层因无法与磨粒接触而保留，SiC片表面凸出部分裸露出SiC单晶基体；
步骤四、SiC片表面凸出部分裸露出的SiC单晶基体再次被氧化，氧化后被磨粒去除，重复步骤一至步骤三，直至SiC片表面凹处的SiO2层也被去除，实现SiC片表面平坦化；
在步骤一至步骤四的进行中，喷头持续向抛光垫喷洒去离子水；
抛光垫中的磨粒为下列物质的一种或几种：金刚石微粉、Al2O3微粉、二氧化硅微粉，磨粒的粒径是15nm～28μm。
2.根据权利要求1所述的SiC单晶片抛光方法，其特征在于，抛光垫中的氧化剂为下列物质的一种或几种：FeSO4粉末、CrO3粉末、氢氧化钠粉末。
3.根据权利要求1所述的SiC单晶片抛光方法，其特征在于，抛光垫中的催化剂为下列物质的一种或几种：Pt粉、MnO2粉、FeO粉、Fe3O4粉末、铁粉、FeCl3粉。
4.根据权利要求1所述的SiC单晶片抛光方法，其特征在于，抛光垫中的活性剂为活性碳粉或聚乙二醇粉或二者的混合物。
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