碳化硅單晶襯底超精密拋光關鍵技術研究

崔嚴勻，袁敏杰，王訓輝，張德偉，張弘毅

（無錫華潤上華科技有限公司，江蘇 無錫 214061）

碳化硅襯底平坦化技術在當前有著較為廣泛的研究，包括化學機械拋光、磁流變拋光、離子束拋光、機械研磨等，通常會對工件造成一定程度的微損傷，本課題研究內容主要是為氮化硅等其他硬脆材料的拋光提供理論基礎與，同時為實現碳化硅單晶襯底的超精密拋光提供應用價值。

1 試驗原理與方法

1.1 二氧化鈦光催化氧化原理

P25（納米二氧化鈦）受的光子能力比吸閾值的紫外光照射高時，處于價帶的電子會被激發，從而產生帶間躍遷，也就是從價帶躍遷至導帶，二氧化鈦顆粒表面會產生空穴與光生電子，詳情如圖1所示。與常用的臭氧、過氧化氫、高鐵酸鉀以及高錳酸鉀相比較，標準氧化還原電位為3.20V的光生空穴標準更高，而且有著非常強的氧化行，光催化氧化過程的其主要化學反應公式如圖2所示。光生空穴能夠將二氧化鈦顆粒表面吸附的OH-與H2O進行氧化，從而生成強氧化性的羥基自由基。如果及時中和二氧化鈦表面的光生空穴，則能夠有助于二氧化鈦表面的羥基自由基與光生空穴氧化碳化硅。氧化產物二氧化硅的硬度為莫氏7.0，遠比碳化硅要低，在拋光機械的摩擦作用下，是能夠將其輕松去除，從而達到碳化硅晶體表面材料的原子級去除[1]。除此之外，光催化劑二氧化鈦還是一種無毒的粉末狀顆粒，因此不會給環境以及人體帶來危害[2]。

圖1

圖2

1.2 拋光液氧化性表征試驗

為了對拋光液中所含有的自由基種類進行驗證，實驗時在紫外光照射下，選擇二羥基苯甲酸捕獲拋光液，從而生成羥基自由基?OH，然后二羥基苯甲酸與其產生反應時，會生成紫色中間物，反應式如圖3所示。拋光液的氧化能力表征通過光降解染料方法來予以實現，采用甲基紫作為試驗的有機顯色劑，TiO2與紫外光產生作用后，生成羥基自由基?OH，然后與甲基紫發生自由基進行氧化反應，然后對褪色時間進行對比，從而能夠對拋光液氧化性強弱進行確定，拋光液組成成分如圖4所示，光催化劑TiO2納米粒子粒徑比較小，表面能比較大，所以非常容易出現團聚情況，因此通過超聲波將配置好的溶液振動30min來振散團聚的光催化劑納米粒子，并與PH值調節劑、電子俘獲劑以及分散劑進行均勻混合[3]。圖5為拋光液氧化性檢測裝置，在防紫外線箱體內部的攪拌器放置配置好的溶液，然后將其勻速攪拌，在穩定攪拌速度后，將汞燈開啟，每隔1min便對其進行一次拍照，拍照過程中，需要將紫外光防護鏡佩戴完善，然后根據照片顏色來進行提取，并對溶液褪色情況進行對比[4]。溶液配比正交試驗因素表如圖6所示，每組試驗滴加等量的有機顯色劑甲基紫。

圖3

圖4

圖5

圖6

1.3 研磨、拋光試驗設計與檢測方法

將2英寸4H－SiC晶片作為試驗對象，初始碳化硅表面形貌如圖7所示，能夠發現初始碳化硅表面不僅粗糙，同時還存在許多線切割時留下的粗糙峰與切痕。通過直接拋光方法對碳化硅進行加工，當表面粗糙度為Ra=56nm時，表面殘留非常多的切痕，所以在達成全局納米級粗糙度是存在非常大的困難，因此可以利用研磨方法來粗加工碳化硅表面，光催化輔助化學機械拋光原理如圖8所示[5]。總體實驗分為粗磨、精磨、粗拋以及精拋4道工序，研磨實驗使用玻璃拋光盤，研磨盤的轉速為40r/min，研磨盤壓力為0.025MPa；拋光實驗采用聚氨酯拋光墊，拋光盤轉速為70r/min，拋光盤壓力為0.02MPa，紫外光功率為1000W，紫外光波長為200-400nm。對碳化硅晶片拋光前、拋光后的質量進行測量，測量儀器為精密電子天平，型號為Sartorius CP225D，然后獲得碳化硅晶片的材料去除量。通過奧林巴斯OLS4100光學顯微鏡來分析碳化硅晶片的表面形貌特征；對碳化硅晶片表面粗糙度進行測量，測量儀器為Zygo Newview5022型表面輪廓儀，在1/2晶片直徑圓周上取3個等分點，然后對其進行測量，并計算測量后的平均值；精拋后，利用XE－200型原子力顯微鏡對碳化硅表面粗糙度進行檢測[6]。

圖7

圖8

2 結果

2.1 拋光液氧化性表征試驗結果

在光催化氧化降解甲基紫過程中，各影響因素主次排序由高到低分別為A、C、B，最優組合為A2B2C3；拋光液氧化性過程中，影響最大的為光催化劑，其次為電子俘獲劑，最后是分散劑，最優組合為過氧化氫1.5 mol?L－1，六偏磷酸鈉0.1 g?L－1，二氧化鈦0.5 g?L－1，詳情如表1所示。

表1 拋光液氧化性表征試驗結果

2.2 極限表面粗糙度與最短加工時間的確定

對單晶碳化硅晶片進行5μm金剛石微粉研磨，隨后通過表面粗糙度跟蹤檢測法來獲取碳化硅表面粗糙度值Ra變化曲線，詳情如圖9所示。由于5μm金剛石微粉有著較大的硬度，同時粒度比較大，擁有非常大的沖擊作用，因此在研磨過程中，5μm金剛石微粉會一定程度的損傷碳化硅表面，因此表面粗糙度呈現出增大的趨勢，但對碳化硅表面殘留的線切割痕能夠快速去除。本次研究獲得的表面粗糙度值Ra在140nm左右[7]。粗研磨單晶碳化硅表面粗糙度變化曲線如圖10所示，其曲線拐點主要為t=30min，Ra=30nm左右。對碳化硅表面進行30min的再加工，其粗糙度值基本保持不變，因此可以認為2μm金剛石微粉精磨所能夠達到的極限值為Ra=30nm，所以30min是最優的加工時間。粗拋光單晶碳化硅晶片表面粗糙度變化曲線如圖11所示，碳化硅表面粗糙度值在紫外光的照射下有著較快的下降趨勢，單晶碳化硅拋光50min后便能夠成為一級表面，即Ra＜10nm，單晶碳化硅在拋光60min后，碳化硅表面質量維持在Ra=3nm左右，不會繼續顯著提高，該工藝最優加工時間為60min。0.05μm氧化鋁微粉精拋后，表面粗糙度的變化如圖12所示，在紫外光的照射條件下，碳化硅表面粗糙度拋光50min后，Ra溫定在0.5nm左右，50min為最優加工時間，在無光照的情況下，材料去除率較小，拋光120min為0.008μm/h，表面粗糙度Ra＞2nm，因此需要更長的時間來進行碳化硅表面粗糙度的降低[8]。

圖9

圖10

圖11

圖12

2.3 單晶碳化硅加工工藝的確定

優化的組合加工工藝如表2所示。

2.4 優化工藝加工的碳化硅表面粗糙度和材料去除率

如圖13所示，能夠對試驗的可重復性進行驗證。粗大、鋒利的磨粒有助于碳化硅晶片材料的去除，所以碳化硅晶片的材料去除率會隨著磨料粒徑的減小而下降。在進行60min的粗拋光與50min的精拋光，表面粗糙度由精磨后的32.25nm下降至0.47nm從而實現了單晶碳化硅表面光整。

圖13

3 結束語

碳化硅表面質量與拋光效率的重要因素為光催化輔助化學機械拋光液，其最優配比方案為過氧化氫1.5 mol?L－1，六偏磷酸鈉0.1 g?L－1，二氧化鈦0.5 g?L－1；光催化輔助化學機械拋光與機械研磨的高效組合工藝為30min的5μ金剛石粗研磨、30min的2μ金剛石精研磨、60min的0.5μm氧化鋁與光催化輔助拋光液的粗拋光、50min的0.05μm氧化鋁與光催化輔助拋光液的精拋光；有紫外光照射的光催化輔助化學機械拋光過程明顯優于無紫外光的拋光效果，并且紫外光照射拋光后有著表面光滑平整，且無腐蝕坑、明顯劃痕等特點。