超聲振動輔助研磨單晶碳化硅晶片工藝研究＊

郝曉麗，苑澤偉，溫 泉，郭勝利

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

（2.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110870）

目前，全球范圍內半導體行業發展勢頭十分強勁，“創新驅動，節能減排，綠色制造”將是未來較長時間內半導體產業發展的核心[1]。單晶碳化硅作為新興的第三代半導體材料，具有高熱導率、高鍵合能和寬禁帶等良好的材料特性，是各種傳感器件及反射鏡材料的優選材料[2-5]。但是表面質量過差，其卓越的性能在第三代半導體材料領域中將無法體現，甚至會完全喪失材料本身可以達到的功效。目前能夠實現碳化硅全局平坦化的加工方法是化學機械拋光，這種加工方法常作為單晶SiC 晶片加工的最終工序[6-7]。

單晶碳化硅晶片是采用金剛石線切割碳化硅晶錠的方式得到的，其表面粗糙度和平整度較差，且存在許多線切割留下的切痕[8]。采用直接拋光的方法加工碳化硅，材料去除率低，需要花費大量的時間。因此，采用研磨的方法對碳化硅晶片表面進行前期加工，以較快的速度去除線切割留下的損傷層，獲得相對平整的待拋光表面；然后通過后續的拋光降低碳化硅晶片表面粗糙度和去除研磨帶來的損傷，是一種省時有效的方法[9-11]。

傳統的研磨方法會出現磨料團聚，磨料分布不均，材料去除率較低等問題。通過超聲振動輔助增加研磨液內部的能量，不但增加磨料的動能，激活更多磨料參與研磨，而且還能避免磨料之間的團聚作用，進而增加材料的去除率，降低其表面粗糙度。

1 試驗原理與裝置

1.1 超聲振動輔助研磨原理

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，如圖1所示，在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，由于電場的方向與極化的方向相同，電場增大了極化強度，陶瓷片內的正負束縛電荷之間的距離增大，使陶瓷片沿極化方向產生伸長形變[12-13]。利用這一原理，可將壓電陶瓷片置入拋光頭內，可實現拋光頭的振動，并帶動工件振動。

圖1 壓電陶瓷片逆壓電效應示意圖Fig.1 Schematic diagram of inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic sheet

研磨時施加的超聲振動通過拋光頭的不銹鋼層傳遞到研磨盤與被研磨試件之間的區域。超聲振動作用于研磨區域的研磨液上，使研磨液中的磨粒分散、更新、攪拌并作用于研磨過程。在研磨盤與拋光頭做相對運動的同時，連續補充研磨液，實現工件的超聲振動輔助研磨。

1.2 試驗裝置

圖2 為研磨試驗裝置示意圖，主要由UNIPOL–1202 自動研磨拋光機、拋光頭、電滑環、壓電陶瓷片、超聲波發生器等組成，單晶SiC 片試件通過石蠟粘貼在拋光頭上，研磨盤轉動時在摩擦力的作用下拋光頭相對研磨盤做圓周運動，實現材料去除。壓電陶瓷片通過超聲波發生器為拋光頭提供縱向振動。搭建的試驗平臺如圖3所示。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

圖3 試驗裝置圖Fig.3 Diagram of experimental device

試驗選用物理氣相傳輸法生長的N 型單晶4H–SiC 晶片，如圖4所示。壓電陶瓷片如圖5所示，其頻率為43 kHz，功率為35 W，振幅為3 μm 左右，且將其粘貼固定在拋光頭內。研磨盤選用噴砂玻璃研磨盤，其表面形貌如圖6所示。玻璃盤為脆性材料，磨料難以鑲嵌到玻璃盤表面，且經過噴砂的玻璃研磨盤表面粗糙，便于磨料在流體作用下參與研磨。

圖4 單晶碳化硅晶片Fig.4 Single crystal silicon carbide wafer

圖6 噴砂玻璃研磨盤Fig.6 Sandblasted glass grinding disc

2 試驗設計與檢測方法

通過改變研磨盤轉速n1、磨粒質量分數ω、研磨壓力p、磨料粒徑d這4 種研磨工藝參數，研究不同工藝參數對晶片研磨質量的影響。這4 種工藝參數分別在超聲振動輔助研磨和常規研磨2 種條件下試驗。試驗流程如圖7所示。試驗方案如表1所示，其研磨時間為30 min。

表1 研磨試驗方案Tab.1 Test program of lapping experiment

圖7 研磨試驗流程圖Fig.7 Flow chart of lapping experiment

材料去除率是衡量碳化硅晶片研磨與拋光效率的重要因素，使用 Sartorius CP225D 型精密電子天平（精度0.1 mg）將研磨前后的試件分別稱重，利用式（1）計算材料去除率：

式中：m0為研磨前的試件質量，g；m1為研磨后的試件質量，g；t為研磨時間，min。

3 試驗結果與分析

3.1 研磨轉速的影響

表2 為不同研磨盤轉速條件下有無超聲研磨前后碳化硅試件質量變化。

表2 不同研磨轉速下試件研磨前后質量Tab.2 Mass of test pieces before and after grinding at different rotational speeds

由表2 中的結果，按照式（1）計算試件的材料去除率，其結果如圖8所示。

圖8 不同轉速時試件的材料去除率Fig.8 Material removal rate of specimens at different speeds

從圖8 中可以看出：隨著研磨盤轉速的增大，試件的材料去除率也增大。超聲振動輔助研磨試件的材料去除率高于無超聲振動輔助研磨時的，在轉速為30，40，50，60 r/min時，超聲振動時的材料去除率分別提高了13.4%，10.8%，23.4%，8.9%。

3.2 磨料質量分數的影響

將金剛石磨料與去離子水配置成研磨液，根據溶液中所含磨料的質量分數配制成2.5%，5.0%，7.5%和10.0%等4 種研磨液，在保持其他參數恒定不變的情況下（表1 的試驗組別2）進行研磨試驗。試驗前后試件的質量如表3所示。由表3 中的結果，按照式（1）計算試件的材料去除率，其結果如圖9所示。

表3 不同磨料質量分數條件下試件研磨前后質量Tab.3 Mass of test pieces before and after grinding at different abrasive concentrations

從圖9 中可以看出：隨著磨料質量分數的增大，試件的材料去除率呈先增大后減小的趨勢，這可能是由于磨料質量分數過大，磨料發生團聚，導致參與研磨的有效磨料數量少。超聲振動輔助研磨試件的材料去除率高于無超聲振動輔助研磨，磨料質量分數為2.5%，5.0%，7.5%和10.0%時超聲振動使材料去除率分別提高了33.8%，23.4%，24.0%，33.2%。

圖9 不同磨料質量分數時試件的材料去除率Fig.9 Material removal rate of specimens at different abrasive concentrations

3.3 研磨壓力的影響

通過添加配重塊的方式調節研磨壓力，將作用于試件的壓力分別設置為0.010，0.015，0.020，0.025 MPa，在保持其他參數恒定不變的情況下（表1 中的試驗組別3），進行研磨試驗。試驗前后試件的質量如表4所示。由表4 中的結果，按照式（1）計算試件的材料去除率，其結果如圖10所示。

表4 不同研磨壓力條件下試件研磨前后質量Tab.4 Mass of test pieces before and after grinding at different lapping pressures

從圖10 中可以看出：隨著研磨壓力的增大，試件的材料去除率也增大。超聲振動輔助研磨試件的材料去除率高于無超聲振動輔助研磨時的，壓力為0.010，0.015，0.020，0.025 MPa 時超聲振動使材料去除率分別提高了23.4%，72.3%，26.8%，56.9%。

圖10 不同壓力時試件的材料去除率Fig.10 Material removal rate of specimens under different lapping pressures

3.4 磨料粒徑的影響

選用金剛石磨料作為研磨磨料，磨料粒徑分別為0.5 μm，2.0 μm 和5.0 μm，在保持其他參數恒定不變的情況下進行研磨試驗（表1 中的試驗組別4）。試驗前后試件的質量如表5所示。

表5 不同磨料粒徑條件下試件研磨前后質量Tab.5 Mass of test pieces before and after grinding at different grit sizes

由表5 中的結果，按照式（1）計算試件的材料去除率，其結果如圖11所示。

從圖11 中可以看出：隨著磨料粒徑的增大，試件的材料去除率也增大。超聲振動輔助研磨試件的材料去除率高于無超聲振動輔助研磨，粒徑為0.5，2.0，5.0 μm 時超聲振動輔助使材料去除率分別提高了184.2%，64.4%，23.4%。

圖11 不同磨料粒徑時的材料去除率Fig.11 Material removal rate at different abrasive grit sizes

對上述試驗結果進行驗證：設定研磨盤轉速為50 r/min，磨料質量分數為2.5%，壓力為0.015 MPa，磨料粒徑為0.5 μm，進行有無超聲振動輔助研磨。試驗后得到超聲輔助研磨的材料去除率為24.6 mg/h，無超聲振動研磨的材料去除率為15.6 mg/h，超聲振動使材料去除率提升了57.7%。因此，超聲振動對研磨試驗的材料去除率具有明顯的促進作用。

3.5 超聲振動最佳研磨時間的確定

通過以上試驗，確定超聲輔助研磨工藝參數是研磨盤轉速為50 r/min，磨料質量分數為2.5%，壓力為0.015 MPa 時的材料去除率提升較多。采用不同粒徑的磨粒在以上工藝參數下進行超聲研磨試驗，逐步去除工件表面殘留劃痕與缺陷，提高其表面質量。試驗過程中對表面粗糙度進行跟蹤檢測（采用三豐SJ–410 表面粗糙度儀測量碳化硅晶片表面粗糙度，測量3 次取其平均值），得到如圖12所示曲線。

圖12 不同粒徑金剛石磨料研磨碳化硅晶片表面粗糙度變化Fig.12 Surface roughness of silicon carbide wafers varing with different diamond grit sizes

從圖12 可知：用5.0 μm 金剛石磨料研磨30 min 后表面粗糙度值趨于平穩，用2.0 μm 金剛石磨料研磨30 min 后表面粗糙度值趨于平穩，用0.5 μm 金剛石磨料研磨60 min 后表面粗糙度值趨于平穩。采用奧林巴斯 OLS4100 光學顯微鏡觀察碳化硅晶片表面形貌如圖13所示。

圖13 不同磨料研磨后碳化硅晶片表面形貌Fig.13 Surface morphology of silicon carbide wafer after lapping with different abrasives

采用5.0 μm 金剛石磨料超聲研磨碳化硅晶片30 min后，去除了其表面的粗糙峰和線切割痕（圖13a），采用2.0 μm 金剛石磨料超聲研磨碳化硅晶片30 min 去除了表面的粗糙峰，但仍存在大量脆性斷裂坑（圖13b），采用0.5 μm 金剛石磨料超聲研磨碳化硅晶片60 min 后的表面，粗糙峰已基本去除，露出了光整的表面（圖13c）。

4 結論

在超聲振動輔助和無輔助條件下進行單晶碳化硅晶片研磨試驗，得出如下結論：

（1）隨著研磨盤轉速的提高，材料去除率增加。超聲振動輔助研磨的材料去除率高于無輔助研磨的，在轉速為50 r/min 時，超聲振動輔助研磨對材料去除率的提高作用最明顯，提升了23.4%。

（2）隨著磨料質量分數的增大，材料去除率先增大后減小。超聲振動輔助研磨的材料去除率高于無輔助研磨的，在磨料質量分數為2.5%時，超聲振動輔助研磨對材料去除率的提高作用最明顯，提高了33.8%。

（3）隨著研磨壓力的增加，材料去除率增大。超聲振動輔助研磨的材料去除率高于無輔助研磨的，在壓力為0.015 MPa 時，超聲振動輔助研磨對材料去除率的提高作用最明顯，提升了72.3%。

（4）隨著磨料粒度尺寸的增大，材料去除率也增大。超聲振動輔助研磨的材料去除率高于無輔助研磨的，在磨料粒度尺寸為0.5 μm 時，超聲振動輔助對材料去除率的提高作用最明顯，提高了184.2%。

（5）通過對超聲振動研磨過程的表面粗糙度進行追蹤，確定用5.0 μm、2.0 μm、0.5 μm 磨料分別研磨30 min、30 min 和60 min 可以最快得到較光滑表面。