碳化硅晶片的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)
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SiC材料的表面加工質(zhì)量對(duì)制件的可靠性和使用壽命至關(guān)重要，如：在半導(dǎo)體領(lǐng)域，SiC晶片的輕薄化和表面超光滑的特性不僅減小了體積，還降低了其內(nèi)阻，改善了芯片散熱性能。在單晶SiC基片的外延工藝應(yīng)用中要求表面粗糙度Ra<0.3 nm ，并且表面無(wú)缺陷、無(wú)損傷。光學(xué)元件的表面質(zhì)量是影響光學(xué)系統(tǒng)成像分辨率的重要因素，拋光就是為了提高表面質(zhì)量，盡量降低表面粗糙度和亞表面損傷層深度，而散射越少，成像分辨率越高。光學(xué)鏡面要求其光學(xué)元件表面超光滑，表面粗糙度均方根(Root Mean Square ，RMS)<1nm。機(jī)械密封元件要求密封端面的表面粗糙度Ra<0.4 μm，平面度一般小于0.9 μm。
由于SiC材料綜合性能優(yōu)異，隨著其應(yīng)用和發(fā)展逐步廣泛和深入，對(duì)其加工精度要求日益增長(zhǎng)。SiC表面平坦化質(zhì)量直接影響制件性能，決定了制件的成品率。SiC材料的彈性模量(420~530 GPa)與其莫氏硬度(約9.2，顯微硬度約28~40 GPa）的比值小于20，屬于典型的脆硬性材料，其平坦化加工時(shí)在力的作用下易產(chǎn)生微裂紋，亞表層缺陷多，使得該材料面臨加工效率低、加工困難及加工成本居高不下等問(wèn)題，制約了其大規(guī)模應(yīng)用和推廣。
目前，廣泛應(yīng)用的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)仍為SiC拋光的基礎(chǔ)加工手段，存在加工效率低、加工機(jī)理還未有統(tǒng)一的定論等問(wèn)題。本文重點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中的游離磨料和固結(jié)磨料工藝以及化學(xué)機(jī)械拋光的輔助增效工藝進(jìn)行了闡述與總結(jié)。
目前SiC材料加工工藝主要有以下幾道工序：定向切割、晶片粗磨、精研磨、機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光(精拋)。其中化學(xué)機(jī)械拋光作為最終工序，其工藝方法選擇、工藝路線排布和工藝參數(shù)優(yōu)化直接影響拋光效率和加工成本。在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光后SiC單晶片獲得超光滑、無(wú)缺陷及無(wú)損傷表面是高質(zhì)量外延層生長(zhǎng)的決定因素。
01
傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光介紹
SiC的傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光按照磨料存在狀態(tài)可分為游離磨料拋光和固結(jié)磨料拋光。
一、游離磨料拋光
游離磨料拋光示意圖如圖1所示。游離磨料工藝裝置主要由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、試件裝夾器及拋光液輸送裝置三部分構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上粘貼有拋光墊并自旋轉(zhuǎn)，外部通過(guò)承載器給晶片施加正壓力，使得晶片與拋光墊兩者之間有合適的正壓力，能夠產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在應(yīng)用傳統(tǒng)的游離磨料工藝拋光時(shí)，一般采用三體摩擦方式使得材料去除，即當(dāng)磨料處于試件表面與拋光墊表面之間時(shí)，2個(gè)表面和磨料形成三體。三體摩擦如圖2所示。三體摩擦中，磨料是不固定的，磨料在試件與拋光墊表面作移動(dòng)或滾動(dòng)。含磨料研磨液在試件與拋光墊之間流動(dòng)，磨料較均勻地分布在拋光墊上，在壓力作用下，尺寸較大的磨料嵌入拋光墊中，依靠露在外面的尖端劃擦試件表面，通過(guò)剪切力來(lái)斷開(kāi)Si-C原子之間的共價(jià)鍵，達(dá)到材料的微量切除。另外在尺寸較小的磨料的滾軋作用下，微裂紋發(fā)生脆性崩裂破碎，試件微裂層材料得以去除。
圖1 游離磨料拋光示意圖
圖2 游離磨料拋光三體摩擦示意在游離磨料工藝中，主要采用三體摩擦方式， SiC材料表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，形成亞表面損傷。此外，工藝參數(shù)多、游離磨料的分散不穩(wěn)定性對(duì)拋光效果均有較大的影響。另外，游離磨料會(huì)嵌在拋光表面，不易清洗。拋光過(guò)程中游離磨料還會(huì)導(dǎo)致拋光墊微孔堵塞，使得表面變得光滑，最終導(dǎo)致材料去除率逐漸下降。
二、固結(jié)磨料拋光
基于游離磨料化學(xué)機(jī)械拋光的缺點(diǎn)和對(duì)晶片平坦化要求的不斷提高，20世紀(jì)90年代3M公司率先提出固結(jié)磨料的化學(xué)機(jī)械拋光(Fixed Abrasive-Chemical Mechanical Polishing，F(xiàn)A-CMP)技術(shù)。固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中不僅磨料的等高性較好，而且參與拋光的磨料增多，從而提高了材料去除率。固結(jié)磨料承受壓強(qiáng)變小，切削層厚度降低，將會(huì)提高表面精度。固結(jié)磨料拋光示意圖如圖3所示。FA-CMP工藝是把磨料固結(jié)在拋光墊中，研磨液不再添加磨料，而是只含有基本化學(xué)成分的水溶液或去離子水。來(lái)自外部的壓力可以直接加載到磨料上，第一主體(晶片)由夾具夾持，磨料與第二主體(拋光墊）固定結(jié)合，限制了磨料的運(yùn)動(dòng)。拋光時(shí)磨料與第一主體(晶片)之間有相對(duì)滑動(dòng)。
圖3 固結(jié)磨料拋光示意圖
在應(yīng)用傳統(tǒng)的固結(jié)磨料工藝拋光時(shí)，采用二體摩擦方式，二體摩擦如圖4所示，通過(guò)磨料的切削、耕犁斷開(kāi)Si-C原子之間的共價(jià)鍵，使得材料去除。
圖4 固結(jié)磨料拋光二體摩擦示意圖
在固結(jié)磨料工藝中，由于基于二體磨擦原理，不含磨料的研磨液具有依賴性較小、清潔簡(jiǎn)單和綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。但工藝上也存在一些不足，例如：在固結(jié)磨料工藝處理過(guò)程中，采用突起均布的拋光墊，SiC晶片在拋光墊上形成運(yùn)動(dòng)軌跡的密度是不一樣的，造成拋光墊的磨損不均和面形惡化，最后影響到所加工工件的面形；當(dāng)前研究和應(yīng)用的仍是以平面為主的固結(jié)磨料拋光墊，而SiC的應(yīng)用場(chǎng)合又有許多為非平面，非平面固結(jié)磨料拋光墊模具的制備及固化方法難度則會(huì)相對(duì)增加。
02輔助增效工藝介紹
SiC晶型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得SiC材料具有較高硬度與化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致在拋光過(guò)程中材料去除率較低，因此探索基于化學(xué)機(jī)械拋光基本工藝的輔助增效手段，對(duì)于實(shí)現(xiàn) SiC材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣具有重要的意義。圖5所示為化學(xué)機(jī)械拋光協(xié)同輔助增效工藝示意圖，輔助增效手段主要有等離子輔助、催化劑輔助、紫外光輔助和電場(chǎng)輔助。針對(duì)SiC材料固有的高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，利用輔助增效手段先進(jìn)行表面改性，再進(jìn)行力學(xué)去除。化學(xué)機(jī)械拋光輔助增效技術(shù)材料去除機(jī)理本質(zhì)是通過(guò)輔助增效技術(shù)手段來(lái)控制SiC表面較軟氧化層的形成并從力學(xué)上改善SiC氧化層材料的去除方式。
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