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超声辅助单晶SiC晶片的研磨与化学机械抛光研究
时间:2020-09-29 15:33 | 栏目:机械论文 | 浏览:次
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本文是一篇机械硕士论文，目前，化学机械抛光仍然是半导体晶片实现光滑无损最广泛也是最有效的工艺方法。由于其工艺过程复杂涉及机械、化学、流体等多学科的交叉，大部分的研究停留在试验探索阶段，对其材料去除机理的研究深度与完整度尚不完善，甚至有些观点之间存在不一致的情况。
第1章 绪 论
1.1 研究背景与意义
单晶碳化硅（Silicon Carbide，SiC）作为第三代半导体材料（也称为宽禁带半导体材料），与硅（Silicon，Si）和砷化镓（Gallium Arsenide，GaAs）为代表的第一代与第二代半导体材料相比，具有显著的使用性能优势，如节能、大功率等（具体性能指标及其数值参见 1.1.2），是光电器件的理想衬底材料。单晶 SiC衬底根据其导电的情况，可分为导电型衬底与半绝缘型衬底。导电型 SiC 单晶衬底主要用于制作光电器件(如 SiC 基发光二极管 LED)和大功率的电力电子器件(如 SiC 基金属-氧化物半导体场效应管 MOSFET、肖奈基二极管 SBD 等)，而半绝缘型 SiC 单晶衬底则主要用于制作射频微波器件(如 SiC 基金属外延半导体场效应管 MESFET、SiC 基高电子迁移率晶体管 HEMT 等)。结合具体的应用领域，文献[1]给出了亚太经济合作组织（APEC）于 2015 年对宽禁带（Wide BandGap，WBG）半导体材料在功率设备中的应用市场及其技术发展趋势的分析报告，如图 1.1 所示；还特别地对 SiC 的应用场合与前景进行了分析。以功率大小进行归类，应用领域主要涉及电子消费产品（如不间断电源 UPS）、汽车产品（混合动力驱动系统中的转换器与逆变器等）与工业产品（如光伏发电 PV、轨道交通等）。从图中可以看出，随功率增大，SiC 将存在不可替代的位置；加之各领域传统硅基半导体器件在很多方面的性能已经接近极限，因此 SiC 将成为突破相关瓶颈的优选材料。
1.2 单晶碳化硅的工艺性能
由前文 1.1.2 可知，SiC 的共价键与晶体结构使其具备优异的热、电性能，同时也决定了其力学与化学性能，具体参数及其数值如表 1.2 所示。对于材料的硬脆特性，可根据其弹性模量（Elastic Modulus，E）与硬度（Hardness，H）的比值 E/H 来判断，延性金属键材料，E/H 约为 250；一般的共价键脆性材料，E/H约为 20；而单晶 SiC 的弹性模量与硬度的比值 E/H 要小于 20，属于超硬易脆裂材料，使得力学方式去除表面材料难度高，容易产生裂纹与缺陷。再加上常温下单晶 SiC 基本不与任何实验室试剂反应，使得化学蚀刻去除材料的效率不高。
第2章 超声辅助研磨的力学作用机理研究
2.1 印压与刻划机理及其应用
印压与刻划技术现主要用于材料性能测试领域，用于测试材料表面的机械性能，如硬度、弹性模量、摩擦磨损性能等，材料涉及广泛，如金属、半导体与薄膜等。在加工领域，主要用于模拟揭示加工中材料的去除机理与失效形式；针对硬脆性材料的加工而言，涉及材料的脆塑性转变、裂纹萌生及扩展等机制的探究。此外，在微纳米制造中（如集成电路），纳米压印与刻划正在逐渐成为微纳米结构制造的一种加工工艺，目前该技术正处于探究与较热的研究阶段。本章的焦点在于以印压与刻划的方式，模拟研抛加工中磨粒对单晶 SiC 材料的力学行为，以及在力学行为下的材料去除与失效机制。本文针对单晶 SiC 晶片的薄化与表面的光滑无损，分别采用的是超声辅助研磨与超声辅助化学机械抛光。超声辅助研磨的材料去除机理主要为磨料的力学作用；超声辅助化学机械抛光的材料去除机理较为复杂，但磨料的力学作用也是材料去除的部分成因。不仅如此，磨料的力学作用特点会影响加工表面的创成结果。在精密切削加工中，单点印压与刻划是常用来揭示材料去除与表面成形机理的有效方式。因此，采用印压与刻划的技术，结合 SPH 的仿真优势，本章将在自由磨料研磨中磨粒的力学行为基础上，对超声辅助下磨料的动力学变化进行研究，用以探究相关关键工艺参数对单晶 SiC 的材料去除与表面创成的影响。
2.2 超声辅助研磨下磨料的动力学作用
自由磨料研磨系统的基本组成如图 2.3 所示，主要包括试件、研磨液、磨料与研磨盘，各组件间的力学作用有这几种情况：①磨料与试件之间的二体作用（two body action/abrasion），该二体作用指的是磨料因嵌入研磨盘基体中随其一起转动对试件进行刻划；②磨料与试件、研磨盘之间的三体作用three body action/abrasion），所述三体作用指的是磨料在试件与研磨盘之间进行滚动；③研磨盘微小凸体（pad asperity）与试件之间的二体作用，此处二体行为指的是微小凸体与试件之间的摩擦作用。由于试件硬度远大于研磨盘硬度，因此这里只考虑磨料与试件、研磨盘之间的动力行为。
第 3 章 超声辅助化学机械抛光的机理研究
3.1 化学机械抛光材料去除模型及其机理
3.2 超声空化作用分析
3.3 超声作用下流体性能仿真分析
3.4 本章小结
第 4 章 超声辅助试验装置的研制
4.1 装置设计原理与功能概述
4.2 关键功能部件设计制造
4.3 阶梯减幅杆设计
4.4 动力学建模分析
4.5 本章小结
第 5 章 超声辅助研磨单晶 SiC 晶片的试验研究
5.1 试验设计与工艺优化方法
5.2 超声辅助自由磨粒研磨
5.3 超声振动幅值影响
5.4 研磨盘材质影响
5.5 本章小结
第 6 章 超声辅助化学机械抛光单晶 SiC 晶片的试验研究
6.1 超声辅助单晶 SiC 晶片的化学腐蚀研究
6.2 超声辅助化学机械抛光单晶 SiC 的试验研究
6.3 超声辅助单晶 SiC 晶片的组合工艺能力探究
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
本文针对单晶 SiC 晶片的高硬度、易脆性及强化学惰性，导致其薄化与表面的光滑无损困难的问题，利用超声振动辅助技术，对单晶 SiC 的超声辅助自由磨料研磨与超声辅助化学机械抛光进行了机理与试验研究。综合前面各章节所述研究内容，得出全文的主要工作与结论如下：
（1）研究了磨料的动力学行为以及在超声作用下的冲击作用，基于脆性材料在印压与刻划中的失效形式与机制，提出 SPH 耦合 FE 的仿真方法，对单个磨粒印压与刻划单晶 SiC 进行了模拟。研究了 SiC 的力学性能，仿真中磨料的曲线规律与 SiC 材料的应力应变和实验、理论相符，验证了该仿真方法的正确性。据此，分别研究了刻划速率、刻划深度与超声冲击对 SiC 的材料去除与表面创成影响。结果表明：①刻划速率增加，SiC 的材料去除率的增加，亚表面损伤层深度加大表面变粗糙；但是存在临界值可以保证材料去除率，降低亚表面损伤层深度和表面粗糙度。②刻划深度增加，SiC 材料的脆性去除率增加，会造成大的表面缺陷和亚表层损伤深度。相比刻划速率，刻划深度对磨料受力、SiC 材料去除与表面创成的影响都要大。③磨料的大冲击速率能够提高 SiC 脆塑性转变的临界深度，有助于降低亚表面损伤程度；速率进一步增加，能够促进材料的脆性去除而降低亚表面裂纹扩展深度。④小冲击角度将降低 SiC 的断裂韧性，使得脆塑转变临界深度变小；对于滑动磨料而言，能够减小裂纹纵向扩展深度。⑤超声频率增加，能够提高 SiC 脆塑性转变的临界深度；对于滑动磨料而言，能够增加 SiC 的延性域去除，降低亚表面损伤。此外，高频还能促进横向裂纹产生，实现磨料对SiC 表层材料的脆性去除。
（2）研究了常规化学机械抛光的材料去除模型、机理，超声空化作用以及超声空化效应对化学机械抛光的影响。揭示了化学机械抛光的固体力学作用机理与流体作用机理，后者表现为流体力学与化学的综合作用。揭示了超声化学机械抛光中的空化现象与空化效应，表明对材料去除中的力学与化学作用具有促进与协同作用。掌握了化学机械抛光中抛光液的流体性能特点。在常规化学机械抛光中，抛光垫的速度增加会减小流体膜厚度，增加材料去除率，但材料去除率随时间呈现降低的趋势。在超声化学机械抛光中，流体膜在超声振动作用下会发生横向高速流动，对试样的横向剪切力增大，增强材料的去除能力。流体膜越薄，对试样表面产生的压力会越大，越有利于材料的去除。此外，带孔抛光垫会使流体膜中的压力发生阶跃变化，有利于超声空化产生，促进材料的去除。
（3）为实现试样的法向超声振动与负载的在位调节，设计制作了一种超声辅助试验装置，主要功能部件包括万向转动台、负载调节装置、超声动力部件以及保持环。根据波动方程推导出了阶梯变幅杆的纵振方程与关键参数：谐振长度、放大系数与节点位置。通过仿真与实测，对变幅杆的振型与放大系数进行了验证，结果表明满足试验的预期要求。建立了超声动力部件的等效模型，对模型中的试样进行了受力分析，结果表明：超声振动下，磨料对试件的作用力等于常规加工下法向负载与变幅杆输出端简谐力的叠加。
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