碳化硅單晶襯底超精密拋光關鍵技術研究.pdf

1、半導體產業(yè)的發(fā)展密切關系到我國國防、軍事、航空航天、能源等重要科技領域。以碳化硅(SiC)單晶為代表的第三代半導體材料是一種重要的新型寬禁帶半導體材料，通過外延可以作為生長氮化鎵(GaN)、石墨烯的襯底材料。同時，它具有高楊氏模量、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等性質，可廣泛用于制作高溫、高頻的大功率器件。尤其在軍工方面，是新一代雷達、衛(wèi)星通訊的核心，具有重要的應用價值和廣闊的發(fā)展前景，已然經成為當今國際關注的焦點。由于硅(Si)電子元器件的開

2、發(fā)已趨于極限，因此，研究第三代寬帶隙半導體材料顯得更加重要和尤為迫切;同時，它將引領第三次半導體產業(yè)革命。
　　SiC單晶襯底的加工質量和精度直接影響器件的性能，故要求被加工表面超光滑、無缺陷、無損傷。超精密拋光技術是整個加工工藝的最后一步，分為機械拋光和化學機械拋光兩道工藝。機械拋光對材料去除率和平坦度起到決定性作用，化學機械拋光是實現(xiàn)原子級表面粗糙度的核心。因此，超精密拋光技術是保證SiC單晶襯底高精度、高效率、低成本的關鍵。

3、本文以3英寸SiC單晶襯底的表面粗糙度、平坦度和材料去除率為目標，對機械拋光和化學機械拋光的工藝和機理進行了研究。使用綜合評分法來權衡表面粗糙度和材料去除率之間的關系，根據不同要求得到不同條件下的最佳工藝參數(shù)。從微觀、宏觀兩個尺度出發(fā)，分析化學作用、機械作用以及化學機械耦合作用對SiC單晶襯底原子級去除機理的影響。
　　具體的研究內容主要包括以下幾個方面:
　　(1)建立了無架行星式雙面機械拋光二維幾何模型，推導了SiC單晶

4、襯底和拋光墊上磨粒的相對運動軌跡方程。分析了磨粒分布半徑、SiC襯底分布半徑、齒圈與太陽輪轉速比、拋光盤與太陽輪轉速比對拋光軌跡和曲率的影響情況。構建拋光均勻性函數(shù)，使用統(tǒng)計學方法計算變異系數(shù)，研究了磨粒間隔半徑、齒圈與太陽輪轉速比、拋光盤與太陽輪轉速比三個因素對SiC單晶襯底均勻拋光和拋光墊上磨粒磨損的影響規(guī)律。
　　(2)建立了基于無架行星差動輪系的雙面機械拋光機構的三維物理模型，分析了3英寸SiC單晶襯底表面對稱5點的位移、

5、速度、加速度隨時間變化曲線的重合情況，驗證了理論模型的正確性和行星差動輪系參數(shù)的可行性?；谠撃Ｐ驮O計了3英寸SiC單晶襯底機械拋光正交試驗，通過單因素分析法和綜合分析法，研究了拋光壓力、下拋光盤轉速以及金剛石微粉直徑三個因素對材料去除率、表面粗糙度和平坦度的影響規(guī)律，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)。
　　(3)從微觀尺度出發(fā)，建立了6H-SiC單晶晶胞模型，進行量子力學的計算，分析了晶胞模型分子動力學特性。根據密度泛函理論和第一性原理，使用

6、CASTEP模塊對能帶結構、總態(tài)密度、電子密度以及電荷密度進行了分子動力學仿真。使用Forcite模塊對(100)、(010)、(001)三個面的原子密度的相對濃度分布、結構無序化程度的徑向分布函數(shù)、溫度分布以及速度分布隨位置的變化進行了研究，分析了晶胞勢能、動能，非鍵合能，總能，總焓的變化規(guī)律。
　　(4)建立了3英寸SiC單晶襯底化學機械拋光流固耦合模型，基于ANSYS分析了拋光液對SiC襯底被加工表面的單向流固耦合作用。分析

7、了拋光液流量和拋光液底面轉速對流固耦合界面的壓力、應力、應變和應變能四個指標的影響情況，為化學機械拋光機理的研究提供理論指導。
　　(5)研究了SiC襯底的Si面和C面的化學機械拋光的工藝參數(shù)對材料去除率和表面粗糙度的影響。首先，設計了化學機械拋光六因素五水平正交試驗（拋光壓力、拋光盤轉速、磨粒直徑、PH值、拋光液濃度和氧化劑濃度），通過極差、方差分析法確定了單因素的主次順序，分別得到了材料去除率和表面粗糙度單目標的最優(yōu)工藝參數(shù)。