基于芬顿反应的单晶SiC集群磁流变化学复合抛光研究

发布时间：2017-06-01 15:22

  本文关键词：基于芬顿反应的单晶SiC集群磁流变化学复合抛光研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为第三代半导体材料的SiC因具有导热能力强、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点,在LED照明、宇航、汽车电子、计算机芯片等方面具有良好的应用前景。对于SiC晶片而言,要求其表面超光滑、无缺陷,但由于单晶SiC硬度高,化学稳定性强,导致SiC晶片的高效超精密平坦化加工难度大、效率低、成本高。因此研究针对SiC晶片超精密抛光加工工艺,降低SiC晶片加工成本,实现SiC晶片原子级超光滑表面加工是SiC半导体器件应用急需解决的关键技术问题。本文采用集群磁流变化学复合抛光(Chemical Cluster Magnetorheological Finishing, CMRF)方法进行单晶SiC的超光滑平坦化加工。由于集群磁流变柔性抛光垫的“容没”效应,磨粒对晶片表面的机械损伤大大降低,可以获得较低的表面粗糙度；抛光液中羟基自由基(·OH)的氧化腐蚀作用,可以有效提高材料去除效率,使表面粗糙度快速下降。首先针对单晶SiC,研究了催化剂及化学反应条件对芬顿反应速率的影响。通过对单晶SiC的化学腐蚀、化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP),以及催化剂亚铁离子(Fe2+)浓度检测研究分析,比对了几种固相催化剂及液相催化剂对芬顿反应的催化效果,结果表明含Fe3O4和H202组分的腐蚀液对单晶SiC具有高效化学作用。研究了固相催化剂作用原理,发现抛光液中Fe2+离子浓度和稳定性是决定芬顿反应速率和稳定性的重要因素,而固相催化剂电离自由Fe2+能力的差异直接影响了化学抛光液中的Fe2+浓度。对影响芬顿反应速率的重要因素,如催化剂浓度、氧化剂浓度、抛光液pH值、抛光液温度等进行了单因素实验,分析了化学作用与机械去除的协调性。对单晶SiC的CMRF工艺进行了研究。围绕影响抛光压力的因素,以正交试验的形式研究了磁性粒子浓度、催化剂Fe3O4浓度、磁性粒子粒径、加工间隙等对单晶SiC复合抛光时材料去除率和表面粗糙度的影响。以单因素实验研究了磨料种类、磨料粒径、抛光液流量、加工时间对材料去除率对抛光效果的影响规律。发现氧化铈对SiC进行CMRF抛光时的材料去除率最高；50nm和W0.5的磨料对单晶SiC进行CMRF加工时的去除效率较低；加工表面粗糙度在加工时间60min内下降较快,120min可以降到Ra0.16nm。将单晶SiC抛光划分成了粗抛和精抛两个阶段,比较了CMP、集群磁流变抛光(Magnetorheological Finishing, MRF)、CMRF三种抛光在粗抛和精抛时的特点。粗抛时CMP的材料去除率远高于MRF和CMRF,抛光后晶片表面各区域表面粗糙度也比MRF和CMRF组均匀。精抛时以W0.5金刚石磨料抛光120min, CMRF组和MRF组由于集群磁流变柔性抛光垫作用表面质量明显好于CMP,其中CMRF组得到划痕很浅甚至局部无划痕的SiC超光滑表面,获得了原子级表面粗糙度(Ra0.16nm),实现了单晶SiC材料表面的超光滑平坦化。
【关键词】：单晶碳化硅 芬顿反应 集群磁流变 复合抛光 表面粗糙度
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.24
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 课题的来源和意义14-16
• 1.1.1 课题的来源14
• 1.1.2 课题研究的背景及意义14-16
• 1.2 单晶SiC的材料特性16-17
• 1.3 单晶SiC的超精密磨粒加工现状综述17-22
• 1.3.1 单晶SiC的超精密磨削研究现状17-19
• 1.3.2 单晶SiC的超精密研磨与抛光研究现状19
• 1.3.3 单晶SiC的化学机械抛光研究现状19-21
• 1.3.4 单晶SiC的磁流变抛光研究现状21-22
• 1.4 本课题主要研究内容22-23
• 第二章 集群磁流变化学复合抛光的原理及研究方法23-31
• 2.1 集群磁流变化学复合抛光原理23-26
• 2.1.1 集群磁流变抛光原理23
• 2.1.2 基于芬顿反应的化学机械抛光原理23-25
• 2.1.3 基于芬顿反应的集群磁流变化学复合抛光原理25-26
• 2.2 实验加工设备26-27
• 2.2.1 化学机械抛光机床26
• 2.2.2 集群磁流变化学复合抛光装置26-27
• 2.3 检测方法及设备27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 芬顿反应催化剂及化学反应条件研究31-50
• 3.1 引言31-32
• 3.2 不同固相催化剂对芬顿反应的催化效果比较32-41
• 3.2.1 浸泡腐蚀效果比较32-34
• 3.2.2 样片表面滴定腐蚀实验34-35
• 3.2.3 化学机械抛光效果比较35-37
• 3.2.4 亚铁离子浓度比较37-38
• 3.2.5 芬顿反应固相催化剂作用分析38-41
• 3.3 固相与液相催化剂比较41-43
• 3.4 芬顿反应化学反应条件研究43-48
• 3.4.1 催化剂、氧化剂浓度单因素实验44-46
• 3.4.2 pH值单因素实验46-48
• 3.4.3 抛光液温度单因素实验48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 集群磁流变化学复合抛光工艺研究50-72
• 4.1 引言50
• 4.2 集群磁流变化学复合抛光影响因素分析50-53
• 4.3 抛光压力影响因素正交实验53-57
• 4.3.1 实验设计与实验条件53
• 4.3.2 实验结果极差分析53-55
• 4.3.3 各因素对材料去除率的影响55-56
• 4.3.4 各因素对表面粗糙度的影响56-57
• 4.4 单因素实验57-67
• 4.4.1 磨料种类单因素实验57-60
• 4.4.2 磨料粒径单因素实验60-63
• 4.4.3 抛光液流量单因素实验63-64
• 4.4.4 加工时间单因素实验64-67
• 4.5 CMRF过腐蚀现象的解决67-70
• 4.6 本章小结70-72
• 第五章 CMP、MRF、CMRF抛光效果比较与分析72-82
• 5.1 引言72
• 5.2 CMP、MRF、CMRF粗抛比较72-76
• 5.3 CMP、MRF、CMRF精抛比较76-80
• 5.4 本章小结80-82
• 总结与展望82-84
• 参考文献84-89
• 攻读学位期间发表的论文89-91
• 致谢91

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本文编号：412903