一種SiC材料化學(xué)機(jī)械拋光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及研磨/拋光領(lǐng)域，尤其是一種適用于SiC材料化學(xué)機(jī)械拋光方法。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC材料與第一代半導(dǎo)體材料(Ge和Si)、第二代半導(dǎo)體材料(GaAs、InP等)相比具有更優(yōu)異的特性，成為第三代半導(dǎo)體材料。同時(shí)SiC具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率，是制造大尺寸、超高亮度白光和藍(lán)光GaN LED和激光二極管的理想襯底材料，成為光電行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一。SiC半導(dǎo)體器件具有超強(qiáng)的性能和廣闊的應(yīng)用前景，一直以來(lái)受到各國(guó)高度重視。
[0003]理想的襯底材料基片質(zhì)量要求SiC晶片具有表面超光滑、無(wú)損傷，SiC硬度高(莫氏硬度9.2?9.6)和強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性(最小原子間距為1.8A)，使得其很難拋光加工，表面經(jīng)常出現(xiàn)一些劃痕和損傷，直接影響發(fā)光二極管的質(zhì)量。目前已開(kāi)發(fā)的SiC晶片超精密拋光方法，主要包括化學(xué)拋光、催化劑輔助化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、摩擦化學(xué)拋光以及化學(xué)機(jī)械拋光等。
[0004]化學(xué)拋光是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶片表面加工技術(shù)，屬于無(wú)磨粒的化學(xué)腐蝕過(guò)程，如采用ΗΝ03、HF與H2O構(gòu)成拋光液對(duì)SiC晶片表面進(jìn)行拋光。催化劑輔助化學(xué)拋光是在化學(xué)拋光時(shí)使用催化劑從而提高SiC材料去除率，屬于無(wú)磨料加工方式。電化學(xué)拋光是電化學(xué)氧化和氧化層去除相結(jié)合的加工過(guò)程。通過(guò)控制拋光時(shí)的電流密度實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC晶片表面的氧化速率進(jìn)行控制，進(jìn)而提高拋光速率。摩擦化學(xué)拋光是利用摩擦作用使SiC晶片被加工表面產(chǎn)生化學(xué)變化，形成材料去除的拋光方法。化學(xué)機(jī)械拋光是將加工液對(duì)SiC晶片表面的化學(xué)作用和磨粒對(duì)晶片表面機(jī)械作用相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)光滑無(wú)損傷表面的加工方法，并在第一代和第二代半導(dǎo)體材料加工中得到廣泛應(yīng)用。
[0005]傳統(tǒng)的SiC晶片拋光方法，材料去除率極低，拋光過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)不可控，因此迫切需要開(kāi)發(fā)一種過(guò)程可控、高效、低成本的SiC基片拋光方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有的SiC晶片拋光方式的材料去除率極低，拋光過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)不可控的不足，本發(fā)明提供一種材料去除率較高、過(guò)程可控、低成本的SiC材料化學(xué)機(jī)械拋光方法。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種SiC材料化學(xué)機(jī)械拋光方法，該方法采用的拋光設(shè)備包括密封腔體、機(jī)架、拋光盤(pán)、工件夾具、堿性?huà)伖庖狠斎氩考脱趸詺怏w輸入部件，所述的拋光盤(pán)、工件夾具均置于所述的密封腔體內(nèi)，所述工件夾具置于所述的拋光盤(pán)上方，待拋光的SiC材料裝夾在所述的工件夾具的底面；所述拋光盤(pán)安裝在驅(qū)動(dòng)主軸上，所述驅(qū)動(dòng)主軸伸出所述密封腔體的底部，所述驅(qū)動(dòng)主軸與主軸驅(qū)動(dòng)裝置連接；所述的堿性?huà)伖庖狠斎氩考惭b在所述的密封腔體上，所述的堿性?huà)伖庖狠斎氩考涎b有用于控制拋光過(guò)程中拋光液的流量的流量調(diào)節(jié)閥；所述的氧化性氣體輸入部件安裝在所述的密封腔體上，所述的氧化性氣體輸入部件上裝有用于控制拋光過(guò)程中所述密封腔內(nèi)的氣壓大小的氣壓調(diào)節(jié)閥；所述拋光方法的過(guò)程如下:將SiC材料置于密閉環(huán)境中，密閉環(huán)境內(nèi)的氣壓、溫度以及輸入氣體組份可控，向密閉環(huán)境內(nèi)充入氧化性氣體，調(diào)節(jié)密閉環(huán)境內(nèi)的溫度以及氧化氣體的分壓至高溫高壓狀態(tài)；當(dāng)化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程處于富含高壓氧化氣體的環(huán)境時(shí)，氧化氣體會(huì)大量溶解進(jìn)入拋光液中，并與堿性?huà)伖庖褐械?H——起參與對(duì)SiC材料表層的氧化，加速SiC材料表層的氧化速率，堿性?huà)伖庖褐械?2與SiC材料反應(yīng)表層生成一薄層S12，通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、氣體組份、氣壓和催化劑條件，實(shí)現(xiàn)控制拋光過(guò)程中SiC材料表面的化學(xué)反應(yīng)速率。
[0009]進(jìn)一步，采用催化的方法促進(jìn)SiC材料表面的氧化反應(yīng)。
[0010]再進(jìn)一步，所述的密封腔體上裝有氣體壓力計(jì)和觀察孔。
[0011]更進(jìn)一步，拋光墊粘貼在所述的拋光盤(pán)上。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:雖然SiC的化學(xué)惰性高，穩(wěn)定性好，但是SiC晶體表面的Si面是一層Si的懸掛鍵，其與C的結(jié)合鍵在氧化環(huán)境中易被切斷。拋光過(guò)程中，SiC單晶與堿性?huà)伖庖褐心チ５哪Σ两缑嫔系臋C(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為熱能，使界面實(shí)際接觸部位處于高溫高壓狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的界面是不穩(wěn)定的，SiC極表層的Si原子很容易滲透到堿性?huà)伖庖褐?，并與其中的0H_反應(yīng)生成溶于水的鹽，其反應(yīng)方程式為:
[0013]Si+2Na0H+H20 = Na2Si03+2H2 ? 。
[0014]將反應(yīng)生成物控制在晶體表層一定的厚度內(nèi)，同時(shí)因反應(yīng)生成物硬底很低，拋光液中的軟質(zhì)磨粒就可以在不傷及SiC晶片母體的情況下快速去除反應(yīng)生成物，從而可以獲得一般機(jī)械拋光達(dá)不到的無(wú)損傷超光滑表面，
[0015]同時(shí)，拋光過(guò)程拋光液中的02與SiC晶片反應(yīng)表層生成一薄層S12，其化學(xué)反應(yīng)方程式為:2SiC+302 = 2Si02+2C0 ?，或SiC+202 = 2Si0 2+C02 ?。由化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知，化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中氧化反應(yīng)速率取決于反應(yīng)過(guò)程中的溫度、氣壓等反應(yīng)條件。SiC晶片的熱氧化研宄表明，SiC晶片的表面氧化速率與外部環(huán)境(包括溫度、氣體組份、氣壓等)有關(guān)，其中氧化速率與氧化性氣體的氣壓成正比，因此可以通過(guò)在環(huán)境中加入氧化性氣體并提高氧化性氣體的氣壓來(lái)提高SiC晶片表層氧化速率。由此本發(fā)明提出一種加工中化學(xué)反應(yīng)可控的SiC材料化學(xué)機(jī)械拋光方法。
[0016]將SiC晶片化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程置于一個(gè)氣壓、溫度以及氣體組份可控的密閉環(huán)境內(nèi)，向密閉環(huán)境內(nèi)充入氧化性氣體(如O2)，調(diào)節(jié)密閉環(huán)境內(nèi)的溫度以及氧化氣體的分壓至高溫高壓狀態(tài)。溫度一定時(shí)，氣體在溶液中的溶解度與氣相的分壓成比例關(guān)系。因此，當(dāng)化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程處于富含高壓氧化氣體的環(huán)境時(shí)，氧化氣體會(huì)大量溶解進(jìn)入拋光液中，并與拋光液中的0Η——起參與對(duì)SiC晶片表層的氧化，從而增加SiC晶片表層的氧化速率。拋光液中的02與SiC晶片反應(yīng)表層生成一薄層S12，其化學(xué)反應(yīng)方程式為:2SiC+302 =2Si02+2C0丨，或SiC+202 = 2Si0 2+C02丨。同時(shí)，采用催化的方法促進(jìn)SiC晶片表面的氧化反應(yīng)。調(diào)節(jié)密閉環(huán)境溫度和拋光液溫度、輸入氣體組份、氣壓、催化劑等反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)控制化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中SiC晶片表面的化學(xué)反應(yīng)速率，從而獲得更高的SiC材料去除效率。
[0017]本發(fā)明的有益效果有:1.將SiC晶片拋光過(guò)程置于密閉容器內(nèi)，通過(guò)控制密閉容器內(nèi)的環(huán)境(氣壓、溫度、輸入氣體組成成份、催化劑)，實(shí)現(xiàn)SiC拋光過(guò)程中化學(xué)作用的可控性；2.高壓氧化氣體環(huán)境，并在拋光液中加入催化劑，促進(jìn)SiC晶片表面氧化生成硬度較自身低很多反應(yīng)生成物Si02;3.拋光液中軟質(zhì)磨?？梢钥焖偃コ磻?yīng)層，大大提高加工效率。
【附圖說(shuō)明】
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