碳化硅单晶衬底超精密抛光关键技术研究

崔严匀，袁敏杰，王训辉，张德伟，张弘毅

（无锡华润上华科技有限公司，江苏 无锡 214061）

碳化硅衬底平坦化技术在当前有着较为广泛的研究，包括化学机械抛光、磁流变抛光、离子束抛光、机械研磨等，通常会对工件造成一定程度的微损伤，本课题研究内容主要是为氮化硅等其他硬脆材料的抛光提供理论基础与，同时为实现碳化硅单晶衬底的超精密抛光提供应用价值。

1 试验原理与方法

1.1 二氧化钛光催化氧化原理

P25（纳米二氧化钛）受的光子能力比吸阈值的紫外光照射高时，处于价带的电子会被激发，从而产生带间跃迁，也就是从价带跃迁至导带，二氧化钛颗粒表面会产生空穴与光生电子，详情如图1所示。与常用的臭氧、过氧化氢、高铁酸钾以及高锰酸钾相比较，标准氧化还原电位为3.20V的光生空穴标准更高，而且有着非常强的氧化行，光催化氧化过程的其主要化学反应公式如图2所示。光生空穴能够将二氧化钛颗粒表面吸附的OH-与H2O进行氧化，从而生成强氧化性的羟基自由基。如果及时中和二氧化钛表面的光生空穴，则能够有助于二氧化钛表面的羟基自由基与光生空穴氧化碳化硅。氧化产物二氧化硅的硬度为莫氏7.0，远比碳化硅要低，在抛光机械的摩擦作用下，是能够将其轻松去除，从而达到碳化硅晶体表面材料的原子级去除[1]。除此之外，光催化剂二氧化钛还是一种无毒的粉末状颗粒，因此不会给环境以及人体带来危害[2]。

图1

图2

1.2 抛光液氧化性表征试验

为了对抛光液中所含有的自由基种类进行验证，实验时在紫外光照射下，选择二羟基苯甲酸捕获抛光液，从而生成羟基自由基•OH，然后二羟基苯甲酸与其产生反应时，会生成紫色中间物，反应式如图3所示。抛光液的氧化能力表征通过光降解染料方法来予以实现，采用甲基紫作为试验的有机显色剂，TiO2与紫外光产生作用后，生成羟基自由基•OH，然后与甲基紫发生自由基进行氧化反应，然后对褪色时间进行对比，从而能够对抛光液氧化性强弱进行确定，抛光液组成成分如图4所示，光催化剂TiO2纳米粒子粒径比较小，表面能比较大，所以非常容易出现团聚情况，因此通过超声波将配置好的溶液振动30min来振散团聚的光催化剂纳米粒子，并与PH值调节剂、电子俘获剂以及分散剂进行均匀混合[3]。图5为抛光液氧化性检测装置，在防紫外线箱体内部的搅拌器放置配置好的溶液，然后将其匀速搅拌，在稳定搅拌速度后，将汞灯开启，每隔1min便对其进行一次拍照，拍照过程中，需要将紫外光防护镜佩戴完善，然后根据照片颜色来进行提取，并对溶液褪色情况进行对比[4]。溶液配比正交试验因素表如图6所示，每组试验滴加等量的有机显色剂甲基紫。

图3

图4

图5

图6

1.3 研磨、抛光试验设计与检测方法

将2英寸4H－SiC晶片作为试验对象，初始碳化硅表面形貌如图7所示，能够发现初始碳化硅表面不仅粗糙，同时还存在许多线切割时留下的粗糙峰与切痕。通过直接抛光方法对碳化硅进行加工，当表面粗糙度为Ra=56nm时，表面残留非常多的切痕，所以在达成全局纳米级粗糙度是存在非常大的困难，因此可以利用研磨方法来粗加工碳化硅表面，光催化辅助化学机械抛光原理如图8所示[5]。总体实验分为粗磨、精磨、粗抛以及精抛4道工序，研磨实验使用玻璃抛光盘，研磨盘的转速为40r/min，研磨盘压力为0.025MPa；抛光实验采用聚氨酯抛光垫，抛光盘转速为70r/min，抛光盘压力为0.02MPa，紫外光功率为1000W，紫外光波长为200-400nm。对碳化硅晶片抛光前、抛光后的质量进行测量，测量仪器为精密电子天平，型号为Sartorius CP225D，然后获得碳化硅晶片的材料去除量。通过奥林巴斯OLS4100光学显微镜来分析碳化硅晶片的表面形貌特征；对碳化硅晶片表面粗糙度进行测量，测量仪器为Zygo Newview5022型表面轮廓仪，在1/2晶片直径圆周上取3个等分点，然后对其进行测量，并计算测量后的平均值；精抛后，利用XE－200型原子力显微镜对碳化硅表面粗糙度进行检测[6]。

图7

图8

2 结果

2.1 抛光液氧化性表征试验结果

在光催化氧化降解甲基紫过程中，各影响因素主次排序由高到低分别为A、C、B，最优组合为A2B2C3；抛光液氧化性过程中，影响最大的为光催化剂，其次为电子俘获剂，最后是分散剂，最优组合为过氧化氢1.5 mol•L－1，六偏磷酸钠0.1 g•L－1，二氧化钛0.5 g•L－1，详情如表1所示。

表1 抛光液氧化性表征试验结果

2.2 极限表面粗糙度与最短加工时间的确定

对单晶碳化硅晶片进行5μm金刚石微粉研磨，随后通过表面粗糙度跟踪检测法来获取碳化硅表面粗糙度值Ra变化曲线，详情如图9所示。由于5μm金刚石微粉有着较大的硬度，同时粒度比较大，拥有非常大的冲击作用，因此在研磨过程中，5μm金刚石微粉会一定程度的损伤碳化硅表面，因此表面粗糙度呈现出增大的趋势，但对碳化硅表面残留的线切割痕能够快速去除。本次研究获得的表面粗糙度值Ra在140nm左右[7]。粗研磨单晶碳化硅表面粗糙度变化曲线如图10所示，其曲线拐点主要为t=30min，Ra=30nm左右。对碳化硅表面进行30min的再加工，其粗糙度值基本保持不变，因此可以认为2μm金刚石微粉精磨所能够达到的极限值为Ra=30nm，所以30min是最优的加工时间。粗抛光单晶碳化硅晶片表面粗糙度变化曲线如图11所示，碳化硅表面粗糙度值在紫外光的照射下有着较快的下降趋势，单晶碳化硅抛光50min后便能够成为一级表面，即Ra＜10nm，单晶碳化硅在抛光60min后，碳化硅表面质量维持在Ra=3nm左右，不会继续显著提高，该工艺最优加工时间为60min。0.05μm氧化铝微粉精抛后，表面粗糙度的变化如图12所示，在紫外光的照射条件下，碳化硅表面粗糙度抛光50min后，Ra温定在0.5nm左右，50min为最优加工时间，在无光照的情况下，材料去除率较小，抛光120min为0.008μm/h，表面粗糙度Ra＞2nm，因此需要更长的时间来进行碳化硅表面粗糙度的降低[8]。

图9

图10

图11

图12

2.3 单晶碳化硅加工工艺的确定

优化的组合加工工艺如表2所示。

2.4 优化工艺加工的碳化硅表面粗糙度和材料去除率

如图13所示，能够对试验的可重复性进行验证。粗大、锋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会随着磨料粒径的减小而下降。在进行60min的粗抛光与50min的精抛光，表面粗糙度由精磨后的32.25nm下降至0.47nm从而实现了单晶碳化硅表面光整。

图13

3 结束语

碳化硅表面质量与抛光效率的重要因素为光催化辅助化学机械抛光液，其最优配比方案为过氧化氢1.5 mol•L－1，六偏磷酸钠0.1 g•L－1，二氧化钛0.5 g•L－1；光催化辅助化学机械抛光与机械研磨的高效组合工艺为30min的5μ金刚石粗研磨、30min的2μ金刚石精研磨、60min的0.5μm氧化铝与光催化辅助抛光液的粗抛光、50min的0.05μm氧化铝与光催化辅助抛光液的精抛光；有紫外光照射的光催化辅助化学机械抛光过程明显优于无紫外光的抛光效果，并且紫外光照射抛光后有着表面光滑平整，且无腐蚀坑、明显划痕等特点。