基于材料去除率的SiC晶体基片C面超精密研磨工艺参数优化设计.docx
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基于材料去除率的SiC晶体基片C面超精密研磨工艺参数优化设计
2012届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于材料去除率的SiC晶体基片（C面）超精密研磨工艺参数优化设计
学生姓名：
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
完成时间：
2012年05月18日
摘要
碳化硅（SiC）材料是新兴起来的一类半导体材料。
其击穿场强比较高、热导率大、化学稳定性好，因此非常适用于高温、大功率和高密度集成的电子器件[1]。
近年来很多国家都开始对其进行深入研究，并在碳化硅晶体生长技术、光电开发、集成电路制造等方面取得了很大突破，为军用电子系统和抗恶劣环境的电子设备提供了新型器件。
随着科技的发展和更深入的研究，碳化硅以其优异的物理和化学性质必然在未来的高科技领域中具有重要的应用价值。
本文通过化学机械研磨工艺方案，采用型号为ZYP300的研磨抛光机作为试验检验平台，通过安排单因素实验，在已配出最优研磨膏的基础上，改变其中一个因素进行对比性实验，由实验数据观察各个工艺参数的变化对材料去除率及表面质量产生的影响。
关键词：
材料去除率，碳化硅，化学机械研磨，工艺参数
Abstract
Siliconcarbide（SiC）materialisemergingupaclassofsemiconductormaterials.Thebreakdownfieldstrengthisrelativelyhigh,largethermalconductivity,goodchemicalstability,thereforeitisverysuitableforhightemperature,highpowerandhigh-densityintegrationofelectronicdevices.Inrecentyears,manycountrieshavebegunitsin-depthstudy,andmadegreatbreakthroughinSiCcrystalgrowthtechnology,optoelectronicsdevelopment,integratedcircuitmanufacturing,Ithasprovidedanewdeviceformilitaryelectronicsystemsandresistancetotheharshenvironmentofelectronicequipment.Withthedevelopmentoftechnologyanddepthstudy,Siliconcarbideforitsexcellentphysicalandchemicalpropertiesmusthaveanimportantvalueinfuturehigh-techfields.
Thisarticlegetsthroughchemicalmechanicalpolishingprocessscheme,usingModel-ZYP300polishingmachineasapilottestplatform,byarrangingforthesinglefactorexperiment,onthebasisofoptimizedgrindingpastetochangeoneofthefactorstocompareexperiments,throughtheexperimentaldataobservetheimpactofchangesinvariousprocessparametersonmaterialremovalrateandsurfacequality.
Keywords:
Materialremovalrate,Siliconcarbide,Chemicalmechanicalplanarization,Processparameters
1绪论
1.1论文选题背景
自1824年瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中观察到了SiC以来，人们逐渐开始了对SiC的研究。
Acheson在1885年第一次生长出SiC晶体时，他发现该晶体具有硬度大、熔点高等特性，并希望用它代替金刚石和其他研磨材料，当时这一材料在切割和研磨方面产生了极大的影响力。
但由于晶体的尺寸较小，并且其中存在大量的缺陷，SiC材料还不能用于制备电子器件。
1907年SiC才开始在电子学方面正式应用，英国电子工程师Round制造出了第一支SiC的电致发光二极管。
1920年，SiC单晶作为探测器应用于早期的无线电接收机上。
直到1959年，Lely发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法，由此奠定了SiC的发展基础，也开辟了SiC材料和器件研究的新纪元。
碳化硅单晶片是最具有发展前景的半导体材料，广泛应用于微电子，光学，半导体照明，集成电路等。
目前发光二极管的发展速度非常迅速，相应的作为衬底材料对碳化硅单晶片表面要求精度更高、质量更好。
其耐高温、化学稳定性好、对原子辐射有良好的抗阻性和低的中子俘获截面等这些特点，使它在航天技术的发展和在核反应堆中用作热敏元件愈来愈受到重视。
作为半导体器件衬底材料，碳化硅单晶片与硅单晶片相比，在耐磨损和耐电压的性能方面都有较明显的提高，且其在电损耗性能方面可达到硅片的数十分之一甚至几十分之一。
因此非常有希望成为下一代的半导体材料，应用到省电节能的电器转换设备和未来电动汽车的功率半导体器件，估计今后碳化硅的市场将得到进一步扩大。
碳化硅晶片主要应用在LED固体照明和高频率器件方面。
因其具有高出传统硅数倍的宽禁带、漂移速度、击穿电压、热导率、耐高温等优良特性，使它在高温、高压、高频、大功率、光电、抗辐射、微波性等电子应用领域和航天、军工、核能等极端环境应用方面有着不可替代的优势。
随着第三次照明科技革命的到来，它的市场前景也变得极其诱人。
实用中的碳化硅器件，单晶表面质量要求都非常高，即使一点微小缺陷都会遗传给外延生长膜，从而造成器件性能的致命缺陷。
正是这一原因给大批量生产高质量、高精度的碳化硅单晶片带来非常大的困难，已经成为目前碳化硅行业发展的瓶颈，是今后发展应用所必须解决的重大问题。
随着碳化硅生产成本的降低，在半导体器件应用方面，碳化硅将会由于自身优良的性能而可能取代硅作芯片，打破硅芯片由于材料本身性能的瓶颈，给电子业带来革命性的变革。
大家都知道，硅对于电脑来说，非常重要。
传统的电脑芯片是通过对硅进行熔化和冷却等多个过程后制成的。
但是，硅有一个缺点，就是对温度过于“敏感”，有时在高温下不能正常工作，甚至受不了电脑本身电路产生的热量。
这一局限性严重阻碍了电脑功能的进一步发展。
为了打破这一缺陷，可以用碳化硅来代替硅制成芯片。
这种芯片不仅硬度高、抗高温、抗辐射且可靠性更强，它的运用将会在电脑，汽车甚至航天领域引发一次不小的革命。
碳化硅是所知硬度较高的物质之一，其单晶体可用来制作半导体材料。
碳化硅半导体能应对“极端环境”，据称，碳化硅晶片甚至可以经受住金星或太阳附近的热度。
前期的研究表明，即使在560摄氏度的高温中，碳化硅晶片在没有冷却装置的情况下仍能正常运作。
碳化硅晶片在通讯领域具有广阔的运用前景，能让高清晰电视发射器提供更清晰的信号和图像，也可以用在喷气和汽车引擎中，监测电机运转。
同时，它还可运用于太空探索领域，帮助核动力飞船执行更繁杂的任务。
根据调查可知，目前碳化硅是除蓝宝石衬底外用于氮化镓（GaN）外延的主要商品化衬底材料，由于碳化硅衬底优良的导电、导热性能，能比较理想的解决LED器件的散热问题，可以用来制作功率较大氮化镓基LED照明设备，所以在半导体照明技术领域中占有非常重要的价值地位，也成为国内外微电子、半导体照明及光电子领域研究追逐的热点。
半导体照明是我国目前非常重要的发展方向和国家战略，也是全球未来的高技术领域之一，半导体照明器件的核心是发光二极管，简称LED，它的心脏部分是一个半导体芯片。
当前可以用于氮化镓基LED的商业化有两种，一种是蓝宝石（Al2O3），另外一种就是碳化硅（SiC）衬底。
其它的衬底材料目前还只是处于研发阶段，离产业化的大规模生产还有一段远的距离。
2004年，国家半导体照明工程协调领导小组宣告成立，开始启动半导体照明工程。
尽管半导体照明取代节能灯，走进千家万户可能还需5-10年甚至更长的时间，但它早已和人们的生活密不可分。
人们日常使用的手机、电脑、数码相机、汽车、交通诱导指示灯中，都有半导体照明的身影。
在城市景观照明、仪器仪表指示中，半导体照明更是得到了广泛的应用。
景观照明市场包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁等装饰照明及商业照明。
著名的上海东方明珠电视塔在夜色中熠熠生辉的夜景装饰，用的都是半导体照明，使其在节能与照明方面都远远好于从前。
在汽车市场应用方面，随着国际知名汽车厂商不断扩大在我国的产能，我国汽车产业正面临着良好的发展机遇。
在汽车产业高速发展的带动下，汽车第三刹车灯、显示仪表盘等领域对高亮度LED管芯的需求量逐年增加。
与发达国家相比，我国半导体发光二极管产业的技术水平也在不断提高。
我国自主研制的第一个发光二极管，比世界上第一个发光二极管只晚几个月。
由于全球照明产品的使用数量庞大，随着环保、节能等观念的深入人心，一旦高亮度白光LED产业化技术得到突破，照明换灯所带来的市场机会将使其成为最耀眼的明星产业。
综上所述，碳化硅单晶片在半导体电子技术领域中应用日益广泛，不但需求量日益增多，而且要求质量高、片子大。
面对碳化硅晶片目前高昂的价格和巨大的市场需求以及激剧增长的潜力，碳化硅晶片的研究非常关键。
1.2国内外关于碳化硅单晶片的研究现状
美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。
日本对超精密加工技术的研究相对于美国、英国来说起步较晚，但却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。
我国的超精密加工技术在70年代末期有了很大进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。
超精密加工技术的发展趋势是：
向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。
上世纪中期，碳化硅半导体在物理、电子等方面的性能已远优于硅半导体。
经过近五十年的发展，硅半导体产业已成为全球的巨型产业，而以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体产业还正处于起步阶段，2005年全球SiC半导体产业规模为10亿美元。
碳化硅晶片是第三代半导体的关键基础材料，在微电子、电力电子和半导体照明器件等领域有着重要而广阔的市场前景。
此前，碳化硅晶体生长及加工技术被国外少数公司垄断，国内所需的碳化硅晶片几乎全部依赖进口。
中科院物理所自1999年开展碳化硅晶体生长研究工作，在攻克晶体生长关键技术并获得高质量晶片之后，率先在国内开展了碳化硅晶体生长技术的产业化工作。
根据一份国际权威的光电市场调研报告的保守估计，到2005年国际上仅SiC半导体市场的营业额将达到2亿5千万美元。
而到2009年，由于SiC和GaN半导体器件，高亮度的紫外蓝光的LED和LD以及固体照明的需求，宽带半导体（SiC，GaN）的市场额将增至48亿美元。
此外，SiC将在大功率器件如电网调节和高频器件如通讯系统和高清晰度电视系统有着不可估量的市场前景。
在全球范围内，只有少数的几个科研机构和半导体公司掌握了碳化硅单晶的生长和加工技术。
美国Cree公司在碳化硅的加工生产中起步较早，技术也最先进。
在1997年到2001这5年中，Cree公司的碳化硅销售年均增长速度达到58%，为公司创造了巨额的价值财富。
据了解，美国Cree公司开发用于军事系统的新型碳化硅功率开关，这种开关可以在最高200摄氏度的接合点温度工作。
且公司还表示，所有的碳化硅功率开关模块将可用于下一代军用飞机和陆军作战系统。
碳化硅器件与Powerex封装技术的结合将开发更小型化、更轻型的系统，同时降低了制冷需求，并且由于其较高的工作温度还可提高可靠性和过载能力。
这种模块所具有的低传导性和开关低损耗性使其适合用于高效率器件，如太阳能电源附件以及电子器件、混合动力车辆或电动车辆的功率转换等。
目前，全球市场上碳化硅晶片价格昂贵，一片2英寸碳化硅晶片的国际市场价格高达500美元（2006年），但仍供不应求，高昂的原材料成本占碳化硅半导体器件价格的百分之四十以上，碳化硅晶片价格已成为第三代半导体产业发展的瓶颈。
因而，采用最先进的碳化硅晶体生长技术，实现规模化生产，降低碳化，迫在眉睫。
1.3本论文的主要工作
近年来，SiC作为第三代半导体核心材料之一渐渐引起了人们的广泛兴趣。
目前在研究领域已经取得了很大的成绩，国际上也掀起了对SiC材料和器件研究的热潮。
但是仍旧存在一些技术上的难题有待于解决。
其中改善晶体质量，降低成本，减少缺陷密度，获得大面积的晶片成为人们竞相研究的热点。
随着SiC器件加工和封装技术的不断发展，在不远的将来，SiC器件和电路一定会大量的投放市场，满足国防和经济建设中众多领域在极端条件下对器件的要求。
研磨、抛光是最古老的加工工艺，也一直都是超精密加工的主要加工手段。
通常，研磨为次终加工工序，抛光是目前主要的终加工手段，目的是降低表面粗糙度并去除研磨形成的损伤层，获得光滑、无损伤的加工表面。
到目前为止，众多学者提出了多种抛光方法，其中应用最为广泛，技术最为成熟的是化学机械抛光（Chemical-mechanicalpolishing，CMP）技术。
超精密研磨技术主要有两类，一类是以追求降低表面粗糙度或提高尺寸精度为目标；另一类是以实现功能材料元件的功能为目标。
这就要求解决与高精度相匹配的表面粗糙度和极小的变质层问题。
对于单晶材料的加工，同时还要求平面度、厚度和晶相定向精度。
近年来，也有专家学者提出利用超精密磨削加工大直径的碳化硅晶片，超精密磨削利用工作台和载物盘的旋转作用，使磨料在研磨盘和工件之间进行微量切削从而达到精密加工的目的，它与传统研磨相比有以下优越性：
效率高、成本低、精度高和表面质量好。
通过查看部分硅片的超精密加工方法和技术，并结合实验室的情况，本文在去年已研究出的最优组合方案基础之上，选择粒度为W7、W14、W35的金刚石磨料[2]，对SiC单晶片的C面进行研磨加工。
利用单因素实验研究研磨盘转速、载物盘转速、研磨压力、磨料粒度以及研磨膏成分（包括硬脂酸，三乙醇胺，石蜡，凡士林等）的变化对SiC单晶片表面去除率及粗糙度的影响。
2碳化硅晶体材料特性
碳化硅（SiC）俗称金刚砂，属于硬质材料。
天然碳化硅在自然界中存在很少，工业中使用的碳化硅微粉大多是由人工合成的。
碳化硅（SiC）自问世以来，就一直被作为磨具、磨料和耐火材料来使用，直到20世纪八九十年代，SiC作为精细陶瓷的一员，其用途才得到不断的开发。
SiC宽禁带和高热导率有利于开发高压、大电流SiC功率器件，并且在很大程度上缩小体积，从而获得相当于硅（Si）器件10倍以上的功率密度，所以SiC材料一直备受重视。
2.1碳化硅的结构[3]
碳化硅（SiC）是IV-IV族二元化合物，是第IV族元素中唯一的、也是极稳定的化合物，是由碳原子和硅原子以共价键为主结合而成，具有类似金刚石的六面体晶体结构，具有很高的硬度和熔点[4]。
SiC晶体结构由致密排列的两个亚晶格组成，Si原子亚晶格和C原子亚晶格，并且后者沿主对称轴的位移为Si原子相邻两层之间距离的四分之一。
碳化硅团是以一个碳原子作为中心，通过共价键形式连接四个Si原子。
由于Si原子是与相邻基团相互共用，即一个Si原子同时属于4个这样的基团。
所以，每个基团的原子最简比为l:
1，所构成的化学式为SiC。
2.2SiC晶体的生长[5]
绝大多数单晶是由熔体或溶液生长的，但SiC晶体目前还不能用这两种方法得到。
这是因为只有在压力>1010Pa、温度>3200℃时才能形成化学计量熔体，当温度为1412～2830℃时，C在Si中的溶解度仅为0.01%～19%，且在1700～1750℃时Si的挥发使得生长过程不稳定。
在熔体中添加某些金属元素可使C的溶解度大于50%（如加入Pr、Tb、Sc等），但难以找到合适的坩锅材料，溶剂易挥发，且金属添加物在晶体中的溶解度太高，即使生长出晶体也不能作为半导体使用。
如用化学汽相沉积（CVD）法，因有热力学条件不易掌握，且生长速度、晶体质量等受反应产物脱附的限制，所以未被采用。
因此，目前商品SiC晶体都是用置籽晶的PVT法生长的。
2.3碳化硅材料的主要性能
2.3.1化学性质
碳化硅具有非常高的热稳定性，当碳化硅材料在空气中加热到1300℃时，在其表面才开始生成二氧化硅保护层。
随着保护层的加厚，阻止了内部碳化硅继续被氧化，这使碳化硅有较好的抗氧化性。
当对碳化硅加高温至1800℃以上时，将会直接升华，而且高温下，部分会分解成为碳和硅的蒸汽[6]。
但是在升华温度以下时，由于碳在硅中的溶解度低，1800℃以下碳的溶解度只有约0.1%，所以碳和硅非常容易以化合态共存而不会以合金的形式存在，利用这一特性可以制备碳化硅晶体。
2.3.2物理性质
碳化硅具有优良的导热性能，其导热率高，热膨胀系数小，且抗震性很高。
SiC器件比Si器件具有更好的抵御外来宇宙高能射线和a粒子轰击的能力，这就使得SiC器件在航空航天、人造卫星、太空探测器、核能仪器等方面的应用比Si器件有更大的优势。
另外，高的临界击穿场强，载流子寿命和扩散长度随温度增加而增加，高的声波传播速度，可用作声表面波功能器件，这些优越性能使得碳化硅成为制造电子和光电子器件的理想材料。
SiC带隙大，热导率高，击穿电场高，其主要性能及与Si，GaAs晶体比较列于表1。
表1SiC晶体主要性能及与Si、GaAs的比较[7]
特性指标
材料名称
Si
GaAs
3C-SiC
6H-SiC
4H-SiC
禁带宽度Eg（eV）
1.12
1.42
2.2
2.9
3.2
热导率（w/k.cm）
1.5
0.54
4.9
4.9
4.9
相对介电常数
11.9
12.5
10
9.7
9.7
电子饱和飘移速度（cm/s）
10t
2×10t
2×10t
2.5×10t
2.5×10t
击穿场强（V/cm）
3×103
4×103
（1-5）×105
（1-5）×105
（1-5）×105
熔点（k）
1690
1510
2100
2100
2100
莫氏硬度
7
6.25
9
9
9
克氏硬度（kg/mm2）
1100～1400
700～800
3000
3000
3000
2.3.3光学性质
SiC作为一种高效发光半导体材料己经久为人知，早在1923年，人们即已发现SiC的注入电致发光现象[8]。
经过多年研究，目前己经清楚，SiC是一种间接带隙半导体材料，它有效的发光来源于杂质能级间的间接复合过程，因此，SiC的掺杂对其光学性能有很大的影响。
掺入不同杂质，可改变发光波长，其范围覆盖了从红到紫的各种色光。
SiC对200-400nm波长范围内的紫外光有足够的探测灵敏度，一般可达硅器件的1000倍以上。
国内外许多学者对低维3C-SiC纳米材料的蓝光发光效应进行了大量实验，但是对其发光机制仍处于众说纷纭的阶段，远不像对单晶碳化硅那么清楚，还需一个逐渐深化的认识过程。
因此，通过不同方法制备不同形貌结构的SiC纳米材料对研究其发光机理具有非常重要的意义。
2.3.4电子器件方面的应用
SiC材料的宽禁带和耐高温等优良特性使它在高温半导体器件方面有着无可比拟的优势。
目前采用SiC材料已经制成MOSFET、JFET、BJT等多种耐高温和大功率半导体器件，工作温度可以达500℃以上，为制作工作于极端环境下的电子系统提供了可能。
此外，碳化硅在紫外光敏二极管方面也有重要应用，美国GE公司采用SiC材料实现了可在各种发动机内部工作的紫外光敏二极管，用于监测汽车、飞机、火箭等发动机的燃烧工作状态，并与SiC高温集成电路一起构成闭环控制，显著提高了发动机工作效率，并且节约能源，减少污染。
利用SiC的结构特性，目前已研制出了可发蓝光的激光二极管，它将极大的提高高密度数据存储的技术水平、并在未来生化战场的探测方面发挥重要作用。
3SiC单晶片C面研磨试验准备
3.1对SiC晶片的选取
选取SiC晶片C面，并用石蜡粘在不锈钢载物盘上，实物如图1所示。
图1SiC单晶片C面
3.2试验仪器与设备
采用图2所示的ZYP300型研磨抛光机来进行研磨实验，研磨盘直径为Φ300mm。
实验时，把粘贴有晶片的不锈钢载物盘置于研磨盘上，利用摩擦力矩的传递作用，使载物盘随研磨盘一起旋转。
在载物盘主动导轮上装配附独立电机，通过电机旋转带动载物盘运转，以便于调节载物盘的转速，达到与研磨盘转速相匹配，从而能够均匀去除碳化硅材料。
图2ZYP300研磨抛光机
3.3检测仪器
此检测仪器为德国SartoriusCP225D型精密电子天平，精度可达0.0lmg。
研磨前应对碳化硅基片进行测重，为保证测量精度每次都应测三次，求平均值作为最终结果；研磨后也需进行测量，以便于求其材料去除率。
测量仪器如图3所示。
图3SartoriusCP225D型精密天平
碳化硅基片表面质量可用奥林巴斯显微镜直接观察对比获得，如图4所示。
图4奥林巴斯显微镜
SiC晶片C面研磨前在此显微镜下的微观效果如图5所示。
图5SiC晶片C面研磨前的微观图
用TR200手持式粗糙度仪对加工后SiC单晶片的粗糙度进行测量，其精度为1nm，实物如图6所示。
图6粗糙度检测仪
3.4磨料、研磨盘及研磨膏的选择
3.4.1磨料的选择
碳化硅单晶片的硬度为9.5，在碳化硅晶片研磨实验中我们选择了粒度W7、W14及W35三种金刚石磨料，如图7所示。
图7金刚石微粉
3.4.2研磨盘的选择
选择研磨盘时应注意所用磨料改变时研磨工具的种类也需相应的改变；研磨工具的材料应比被研磨工件的软，否则会导致研磨过程中磨料嵌入工件中，从而造成工件表面损伤；由于铸铁材料相比较其他材料来说，其耐磨性要好，所以在本实验中选用的是铸铁研磨盘。
在研磨过程中，为了能使研磨膏流动均匀，在研磨盘上要做出网状的沟槽，以便于储存多余的研磨料，增加切削力，防止研磨膏的堆积，避免工件塌边，及时排除研磨过程中产生的切屑，避免划伤工件。
其实物如图8所示。
图8铸铁研磨盘
3.4.3研磨膏中的成分
以磨料粒度W14，磨料含量3g，硬脂酸含量4g，三乙醇胺含量14g，石蜡含量10g，凡士林含量9g，最后添加油酸至50g，配置出最优研磨膏样品。
如图9所示。
图9研磨膏
（1）三乙醇胺
常温下为无色、粘稠液体，稍有氨味，易溶于水、乙醇。
液体和蒸汽腐蚀皮肤和眼睛。
其水溶液呈碱性，可与多种酸反应生成酯、酰胺盐，还能和高级脂肪酸形成脂。
其结构式如图10所示。
图10三乙醇胺结构式
三乙醇胺常用作增稠剂、中和剂、润滑剂的添加剂或防腐蚀剂以及纺织品、化妆品的增湿剂和染料、树脂等的分散剂。
其成品如图11所示。
图11三乙醇胺
（2）硬脂酸
硬脂酸，即十八烷酸，分子式C18H36O2，有良好的润滑性，在
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