碳化硅晶片超精密抛光工艺及机理研究

发布时间：2018-03-02 10:21

本文关键词： 碳化硅化学机械抛光抛光液 DLVO作用力抛光机理　出处：《江南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：碳化硅(SiC)作为最具代表性的第三代宽禁带半导体材料,具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和迁移速度、低相对介电常数和耐高温等特点,被认为是用作高温和高频光电子器件的理想材料。由于SiC晶片表面的质量对其器件的性能有至关重要的影响,因此在应用中对其加工表面质量具有严格的要求。目前,化学机械抛光(CMP)是获得超光滑无损伤SiC晶片表面最有效的加工方法之一。然而,由于SiC单晶材料的硬度大、化学稳定性好,很难在保证表面质量的同时获得较高的材料去除率(RRs)。此外,SiC晶片的CMP材料去除机理尚未完全研究清楚。对此,本文在优化6H-SiC晶片CMP抛光液的基础上,分析了6H-SiC晶片在CMP抛光过程中的化学和机械作用机理,并建立了其材料去除模型,对于提高SiC晶片的超精密加工技术和应用水平具有重要的理论意义和应用价值。首先,基于6H-SiC晶片的CMP抛光正交试验,研究了抛光液组分对抛光效果的影响。结果表明,在抛光液的三组分因素中,pH值对材料去除率的影响最大,磨粒浓度次之,氧化剂浓度影响最小。由于KMnO4具有更强的氧化能力,因此在相同磨粒浓度和pH值条件下,KMnO4型抛光液获得的材料去除率比H2O2型抛光液的高。在酸性KMnO4环境中,CeO2磨粒型抛光液和Al2O3磨粒型抛光液都具有较高的材料去除率,相比之下,SiO2磨粒型抛光液的材料去除率较低。此外,由于Al2O3磨粒的莫氏硬度高,易导致晶片表面产生损伤,从而降低了晶片抛光表面质量。6H-SiC晶片C面的材料去除率显著高于Si面的材料去除率。通过X-射线光电子能谱(XPS)分析了静态腐蚀和抛光后的6H-SiC晶片表面元素组成、含量以及化学状态的变化。结果表明,在氧化剂存在下,SiC晶片表面原子可被氧化生成Si-C-O、Si-Ox-Cy、Si-O2、Si4-C4-x-O2、Si4-C4-O4、C-O和C=O等氧化物,且氧化剂的氧化能力越强,表层氧化产物含量越高。6H-SiC晶片不同晶面表面原子的可氧化性以及氧化产物去除的难易程度存在差异,C面原子较Si面原子更易于被氧化且其氧化产物更易于被除去,因此C面比Si面易于获得更高的材料去除率。基于接触角测量、zeta电势测试和扫描电子显微镜(SEM)观察,研究了抛光粒子与晶片表面之间的相互作用力,并使用双电层Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论预测了这种引力/斥力。结果表明,强酸性和强碱性环境下的6H-SiC晶片表面润湿性较中性环境中的好,尤其是在强碱性环境中。当抛光液在pH 2-5时,SiO2磨粒易于与晶片表面发生静电引力作用;CeO2磨粒则在pH 5-7时倾向于与晶片表面发生静电引力作用。在pH 2和pH 4的抛光液中,SiO2磨粒在晶片表面由于静电引力而粘附,当抛光液pH值为6、8和10时,由于斥力作用未发生粘附;而CeO2磨粒在酸性和碱性环境中都会在晶片表面发生粘附。通过销-盘摩擦试验,研究了不同氧化剂和磨粒对6H-SiC晶片在CMP抛光过程中摩擦学行为的影响;通过球-盘摩擦试验,研究了不同压力和频率对6H-SiC晶片在CMP抛光过程中摩擦学行为的影响。结果表明,在无磨粒的情况下,氧化剂的存在会促使晶片表面生成氧化膜,使摩擦系数降低,且氧化剂氧化能力越强,摩擦系数越低。无氧化剂存在下,抛光液中的SiO2磨粒和CeO2磨粒会起到滚珠润滑的作用,降低了抛光过程中的摩擦系数,且粘附在晶片表面的粒子会进一步降低CMP系统中的摩擦系数。然而,在pH值低于5的高锰酸钾环境中,晶片表面粘附的SiO2和CeO2粒子对摩擦系数以及抛光效果方面的影响有着显著的差异。高锰酸钾溶液润滑下的氮化硅小球与晶面表面之间的摩擦系数比在去离子水润滑下的大,表明氧化剂的存在有利于增强抛光过程中的表面氧化作用,提高了晶片表面的可加工性,有利于磨粒在晶片的机械磨损。磨粒在滑动过程中的机械去除作用随着抛光压力的增加而增加,随着滑动频率的增加而降低。最后,基于抛光垫/晶片间微观接触机制,考虑抛光垫表面微凸峰的变形,比较了微凸峰弹塑性变形和弹性变形下抛光垫与晶片之间的实际接触面积;基于磨粒在抛光垫/磨粒/晶片三体力平衡下,考虑分子间DLVO作用力对磨粒所受总外力、压入氧化晶片表面深度的影响;分析了DLVO作用力对CMP抛光过程中化学机械协调作用的影响。结果表明,微凸峰弹塑性变形下的真实接触面积比其弹性变形下的小。磨粒与氧化表面的DLVO引力作用可增大磨粒所受总外力和压入氧化晶片表面的深度,而斥力作用可降低其所受总外力和压入深度。当磨粒-晶片表面分子间DLVO作用力为斥力,有利于提高晶片表面原子的氧化比例;当磨粒-氧化表面分子间DLVO作用力为引力,有利于抛光中磨粒的机械去除作用。
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【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ163.4

【参考文献】