磁流變拋光技術在SiC晶片加工工藝中的應用研究

趙衛 豆立博 劉玲

摘要：碳化硅作為新興的一種第三代半導體材料，現已在電力電子行業得到非常廣泛的應用。碳化硅應用技術的發展趨勢必然會對晶片表面狀況有著越來越高的要求，而這將是目前亟待解決的問題。本文簡單介紹機械拋光、機械化學拋光、重點分析磁流變拋光技術原理，并通過大量試驗得到碳化硅晶片通過磁流變拋光技術無論是晶片表面狀況還是工作效率均有了很大的提高，這對該技術應用到實際生產中有很好的指導和參考意義。

Abstract： As one of the third generation semiconductor materials， silicon carbide has been widely used in the power electronics industry. The development trend of silicon carbide application technology is bound to have higher and higher requirements on the wafer surface condition， which will be an urgent problem to be solved. This paper introduces the mechanical polishing， chemical mechanical polishing， focuses on the analysis of principle of magnetorheological polishing technology， and through a lot of experiments obtained by silicon carbide wafer magnetorheological polishing technology regardless of wafer surface conditions or the working efficiency has been greatly improved， it should be used in the actual production has a good guide and reference for the technology.

關鍵詞：碳化硅；晶片表面；磁流變拋光

Key words： SiC；wafer surface；magnetorheological finishing

中圖分類號：O786 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0222-02

0 引言

碳化硅半導體材料作為繼第一代和第二代半導體材料后快速發展起來的第三代寬帶隙半導體核心材料，具有禁帶寬度大、熱導率高、電子飽和漂移速率大、擊穿電場強度高、相對介電常數低、抗輻射能力強等特點。碳化硅單晶材料屬典型的硬脆材料，化學穩定性好，常溫下幾乎不與其他物質反應，因此較難獲得高精度無損傷的晶片表面。但是高性能的碳化硅電子器件必須要求碳化硅原始晶片表面粗糙度在納米級別、平面度好、表面不能存在明顯缺陷；否則會導致使晶體的結晶構造發生變化，進而對器件的電學性能造成很大的影響。因此，碳化硅單晶材料的加工工藝技術直接制約著碳化器件的發展，而如何獲得高質量的SIC晶片表面也成為目前急于解決的問題。

1 常見的拋光技術簡單介紹

目前常見的碳化硅單晶材料表面處理方法主要分為機械拋光和化學機械拋光，而磁流變拋光現階段還很少應用到碳化硅單晶材料表面處理。下面就幾種處理方法做簡單介紹：

機械拋光主要是指在拋光盤上粘貼較軟的拋光墊材料，晶片在一定的壓力下使得拋光液和晶片相互接觸磨切，通過機械作用將磨損層去除。械拋拋光效率較高、一致性好、表面平整度高，但表面光潔度差，損傷層深。

化學機械拋光（CMP）是將拋光液的化學作用和磨粒與拋光盤之間的機械作用相結合，通過研磨液以及機械研磨的作用使得反應物從晶片上分離開來。在進行碳化硅晶片的化學機械拋光過程中，必須使得晶片表面的化學反應速率和機械加工的速率相互達到一種平衡，只有這樣加工后的晶片表面質量才會較好，否則晶片表面缺陷較多。其拋光效率較低但拋光后晶片表面狀況良好。

磁流變拋光是一種通過磁流變效應產生的柔性“小磨頭”與晶片表面之間快速相對運動而產生的作用于晶片表面上的很大的剪切力，來去除工件表面材料的技術。利用磁流變技術加工，具有“拋光頭”不會變鈍或變形，流動液體實時適合零件復雜形面的變化而變化。其加工效率很高而且拋光后晶片表面狀況良好。

2 磁流變拋光技術工作原理

磁流變拋光（英文名稱：Magnetorheological finishing）技術是近期發展起來的一種利用電磁理論、流體力學、分析化學等理論綜合在一起形成的先進精密加工技術。

磁流變拋光技術的原理是：以磁性顆粒、基液、表面活性劑、拋光粉攪拌均勻后制成磁流變拋光液在外部施加的可控磁場作用下，它的鏈化結構發生變化并在梯度磁場區域從液體迅速變硬從而形成硬度可變的磁流體。磁流體與晶片相接觸的地方形成一個類似與小磨頭形狀的拋光粉聚集體，通過相互摩擦接觸對晶片產生一定的剪切力，最終實現對晶片表面的加工拋光。

如圖1所示，磁流變拋光液位于晶片和拋光盤之間，磁極位于拋光盤下方，在晶片和拋光盤之間形成一個高梯度磁場。當拋光盤上的磁流變液隨拋光盤一起運動時，高梯度磁場使磁流變拋光液凝聚、變硬，形成一種半固體，通過高速運動相互摩擦使晶片的表面材料被去除，達到材料微納米級去除的目的。

研究表明，磁流變拋光對材料的去除服從Preston方程，材料去除量可表示為：

R=KPVT

式中：K為 Preston系數；

P是磁流變拋光頭對工件表面的拋光壓力；

V是柔性磨頭與工件表面的相對運動速度；

T是拋光時間。

磁流變液對工件的拋光壓力由流體動壓力、磁場產生的壓力、磁流變液的浮力組成，其中磁流變液的浮力影響較小，可以忽略不計。這表明，影響工件材料去除率的因素很多，不但與磁流變液對工件表面的壓力有關，而且與載液輪和工件表面的相對運動速度、拋光駐留時問等有關。與P有關的磁流變拋光工藝參數有磁場強度、拋光輪與工件的間隙、磁流變液成分等。

根據Prsoetn方程得知相對速度越高，磁流變拋光去除效率越高。但是，在其他實驗條件固定的情況下，過高的相對速度不利于獲得較好的表面粗糙度，根據實驗數據分析可知，為了得到理想的工件粗糙度，相對速度應控制在一個適當的區域范圍，因此，不同的拋光階段，工件自轉頻率和拋光輪轉速都應選取一個適當的數值。

在磁流變拋光中，可以通過改變駐留時間來控制工件表面的去除量，因為材料的去除量與駐留時間近似呈線性關系。

3 試驗

本文將磁流變拋光工藝技術應用與碳化硅晶片表面的加工，通過實驗探索合適的工工藝參數，并最終制定了采用磁流變技術加工碳化硅晶片的拋光工藝。

通過理論分析和大量實驗發現對碳化硅晶片拋光表面粗糙度影響的主次關系是磁場強度>間隙>主軸轉速>拋光粉濃度。對拋光效率影響的主次關系是，主軸轉速>磁場強度>拋光粉濃度>間隙。由于在磁流變拋光過程中，影響表面粗糙度的主要指標有主軸轉速、拋光時間、運動盤的速度、工件與運動盤所形成的間隙、磁場強度以及磁流變液、拋光粉的濃度等。現根據實驗經驗得出的各個影響因素對拋光效率和表面質量的具體影響，確定了恰當的工藝參數。

通過實驗數據可以得到，一般達到同樣的表面拋光質量，磁流變拋光僅需要50分鐘左右的時間就能拋光結束，而化學機械拋光卻需要不間斷拋光4小時左右才可拋光結束。

通過圖2、圖3可以看到，化學機械拋光只能將晶片表面粗糙度加工到3-10nm左右，而磁流變拋光在碳化硅晶片上可以加工的最小表面粗糙度已能達到0.7nm。

相對機械拋光和化學機械拋光，磁流變拋光不僅可以迅速降低表面粗糙度，使工件表面在短時間內能夠達到較好的表面質量，而且拋光效率大大提高。

4 結論

通過試驗表明，碳化硅晶片使用磁流變拋光技術不僅可以迅速降低表面粗糙度，使工件表面在短時間內能夠達到較好的表面質量，而且可以大大節省時間，提高工作效率，這對該項技術應用到工藝生產中有很高的指導意義。

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