本文關(guān)鍵詞： 碳化硅 化學(xué)機(jī)械拋光 拋光液 DLVO作用力 拋光機(jī)理　出處：《江南大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：碳化硅(SiC)作為最具代表性的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和遷移速度、低相對(duì)介電常數(shù)和耐高溫等特點(diǎn),被認(rèn)為是用作高溫和高頻光電子器件的理想材料。由于SiC晶片表面的質(zhì)量對(duì)其器件的性能有至關(guān)重要的影響,因此在應(yīng)用中對(duì)其加工表面質(zhì)量具有嚴(yán)格的要求。目前,化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是獲得超光滑無損傷SiC晶片表面最有效的加工方法之一。然而,由于SiC單晶材料的硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好,很難在保證表面質(zhì)量的同時(shí)獲得較高的材料去除率(RRs)。此外,SiC晶片的CMP材料去除機(jī)理尚未完全研究清楚。對(duì)此,本文在優(yōu)化6H-SiC晶片CMP拋光液的基礎(chǔ)上,分析了6H-SiC晶片在CMP拋光過程中的化學(xué)和機(jī)械作用機(jī)理,并建立了其材料去除模型,對(duì)于提高SiC晶片的超精密加工技術(shù)和應(yīng)用水平具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。首先,基于6H-SiC晶片的CMP拋光正交試驗(yàn),研究了拋光液組分對(duì)拋光效果的影響。結(jié)果表明,在拋光液的三組分因素中,pH值對(duì)材料去除率的影響最大,磨粒濃度次之,氧化劑濃度影響最小。由于KMnO4具有更強(qiáng)的氧化能力,因此在相同磨粒濃度和pH值條件下,KMnO4型拋光液獲得的材料去除率比H2O2型拋光液的高。在酸性KMnO4環(huán)境中,CeO2磨粒型拋光液和Al2O3磨粒型拋光液都具有較高的材料去除率,相比之下,SiO2磨粒型拋光液的材料去除率較低。此外,由于Al2O3磨粒的莫氏硬度高,易導(dǎo)致晶片表面產(chǎn)生損傷,從而降低了晶片拋光表面質(zhì)量。6H-SiC晶片C面的材料去除率顯著高于Si面的材料去除率。通過X-射線光電子能譜(XPS)分析了靜態(tài)腐蝕和拋光后的6H-SiC晶片表面元素組成、含量以及化學(xué)狀態(tài)的變化。結(jié)果表明,在氧化劑存在下,SiC晶片表面原子可被氧化生成Si-C-O、Si-Ox-Cy、Si-O2、Si4-C4-x-O2、Si4-C4-O4、C-O和C=O等氧化物,且氧化劑的氧化能力越強(qiáng),表層氧化產(chǎn)物含量越高。6H-SiC晶片不同晶面表面原子的可氧化性以及氧化產(chǎn)物去除的難易程度存在差異,C面原子較Si面原子更易于被氧化且其氧化產(chǎn)物更易于被除去,因此C面比Si面易于獲得更高的材料去除率�；诮佑|角測(cè)量、zeta電勢(shì)測(cè)試和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察,研究了拋光粒子與晶片表面之間的相互作用力,并使用雙電層Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理論預(yù)測(cè)了這種引力/斥力。結(jié)果表明,強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性環(huán)境下的6H-SiC晶片表面潤濕性較中性環(huán)境中的好,尤其是在強(qiáng)堿性環(huán)境中。當(dāng)拋光液在pH 2-5時(shí),SiO2磨粒易于與晶片表面發(fā)生靜電引力作用;CeO2磨粒則在pH 5-7時(shí)傾向于與晶片表面發(fā)生靜電引力作用。在pH 2和pH 4的拋光液中,SiO2磨粒在晶片表面由于靜電引力而粘附,當(dāng)拋光液pH值為6、8和10時(shí),由于斥力作用未發(fā)生粘附;而CeO2磨粒在酸性和堿性環(huán)境中都會(huì)在晶片表面發(fā)生粘附。通過銷-盤摩擦試驗(yàn),研究了不同氧化劑和磨粒對(duì)6H-SiC晶片在CMP拋光過程中摩擦學(xué)行為的影響;通過球-盤摩擦試驗(yàn),研究了不同壓力和頻率對(duì)6H-SiC晶片在CMP拋光過程中摩擦學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,在無磨粒的情況下,氧化劑的存在會(huì)促使晶片表面生成氧化膜,使摩擦系數(shù)降低,且氧化劑氧化能力越強(qiáng),摩擦系數(shù)越低。無氧化劑存在下,拋光液中的SiO2磨粒和CeO2磨粒會(huì)起到滾珠潤滑的作用,降低了拋光過程中的摩擦系數(shù),且粘附在晶片表面的粒子會(huì)進(jìn)一步降低CMP系統(tǒng)中的摩擦系數(shù)。然而,在pH值低于5的高錳酸鉀環(huán)境中,晶片表面粘附的SiO2和CeO2粒子對(duì)摩擦系數(shù)以及拋光效果方面的影響有著顯著的差異。高錳酸鉀溶液潤滑下的氮化硅小球與晶面表面之間的摩擦系數(shù)比在去離子水潤滑下的大,表明氧化劑的存在有利于增強(qiáng)拋光過程中的表面氧化作用,提高了晶片表面的可加工性,有利于磨粒在晶片的機(jī)械磨損。磨粒在滑動(dòng)過程中的機(jī)械去除作用隨著拋光壓力的增加而增加,隨著滑動(dòng)頻率的增加而降低。最后,基于拋光墊/晶片間微觀接觸機(jī)制,考慮拋光墊表面微凸峰的變形,比較了微凸峰彈塑性變形和彈性變形下拋光墊與晶片之間的實(shí)際接觸面積;基于磨粒在拋光墊/磨粒/晶片三體力平衡下,考慮分子間DLVO作用力對(duì)磨粒所受總外力、壓入氧化晶片表面深度的影響;分析了DLVO作用力對(duì)CMP拋光過程中化學(xué)機(jī)械協(xié)調(diào)作用的影響。結(jié)果表明,微凸峰彈塑性變形下的真實(shí)接觸面積比其彈性變形下的小。磨粒與氧化表面的DLVO引力作用可增大磨粒所受總外力和壓入氧化晶片表面的深度,而斥力作用可降低其所受總外力和壓入深度。當(dāng)磨粒-晶片表面分子間DLVO作用力為斥力,有利于提高晶片表面原子的氧化比例;當(dāng)磨粒-氧化表面分子間DLVO作用力為引力,有利于拋光中磨粒的機(jī)械去除作用。
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【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ163.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1556120