基于混合磨料的SiC晶体基片0001Si面的化学机械抛光液的设计.docx

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基于混合磨料的SiC晶体基片0001Si面的化学机械抛光液的设计

2012届本科毕业论文（设计）

论文题目：

基于混合磨料的SiC晶体基片（0001）Si面的化学机械抛光液的设计

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5月10日

摘要

新型半导体材料SiC具有大禁带，高击穿临界场强和良好的导热性，较高的电子迁移率和小的介电常数，良好的导电性，抗辐射能力强，不吸收可见光，机械性能好等特性而通常用于制作高频、大功率、低能耗、耐高温和抗辐射器件的首选材料。

本论文以碳化硅的化学机械抛光（CMP）抛光液配方为研究方向，在介绍和分析抛光液的材料去除原理和特点以及总结前人研究成果的基础上，以提高抛光液的材料去除率、改善抛光液分散性为目标，进行了抛光液配方选择和优化方面的理论和试验研究，找到了较好的抛光液成分和配方，研制出了性能良好的抛光液。

抛光液基本成分主要由去离子水、PH调节剂（KOH）、分散剂（丙三醇）、氧化剂（双氧水）、金刚石磨料、硅溶胶磨料组成。

首先通过正交试验，对所得实验数据采用极差分析和方差分析法进行最优解分析，得出抛光液各因素水平的最优组合,并反复实验验证这组最优解,然后用单因素试验对最优组合进行修正,最终确定抛光液的基本成分。

通过实验研究，材料去除率影响因素中金刚石粒径和含量为主要因素，随着粒径增大，含量增多，去除率增大，其次是PH值和硅溶胶粒径等。

关键词：

化学机械抛光，抛光液，碳化硅，去除率，最优组合

ToSiCastherepresentativeofthethird-generationgapwithahighdegreeofelectronicmaterials,highsaturationofcriticalbreakdownfieldstrength,speed,andthermalconductivity,smalldielectricconstantsandhighelectronmobility,aswellasstrongradiationresistance,goodmechanicalpropertiesandotherfeatureswhilemakinghighfrequency,highefficiency,lowenergyconsumption,hightemperatureandradiationdevicestheidealmaterial

Thispaperstosicofchemicalmachinerypolishing（CMP）polishingliquidformulaforresearchdirection,indescribesandanalysispolishingliquidofmaterialremovalprincipleandfeaturesandsummarypredecessorsresearchresultsofFoundationShang,toimprovepolishingliquidofmaterialremovalrate,andimprovepolishingliquiddispersionfortarget,forhaspolishingliquidformulaselectandoptimizationareaoftheoryandtestresearch,foundhasbetterofpolishingliquidcomponentsandformula,developmentouthasperformancegoodofpolishingliquid.

Polishingslurrycompositionsmainlyofdeionizedwater,PHregulator（KOH）,dispersant（Glycerin）,antioxidants（hydrogenperoxide）,diamondabrasives,abrasivesilicaSol.Firstbyorthogonaltestappliedtoexperimentaldataobtainedfromverypooranalysisandvarianceanalysismethodforanalysisoftheoptimalsolution,cametothepolishingslurryoptimalcombinationofvariousfactors,andrepeatedtheexperimenttoverifythesetofoptimalsolutions,andthenwithasingletestamendmentstotheoptimalcombinationoffactors,basiccomponentsoffinalpolishingslurry.

Throughexperimentalresearch,factorsaffectingtherateofmaterialremovalinthediamondsizeandcontentisamajorfactor,asthesizeincreases,increasedcontent,removalratesincrease,followedbyparticlesize,PHvalueandsilicaSol.

Keywords:

Chemical-mechanicalpolishing（CMP）,Polishingsulrry,SiC,Removalrate,Surfaceroughness

1绪论

1.1论文选题背景

材料是人类进步的里程碑，现代文明的重要支柱，发展高新技术的基础和先导。

从石器时代、青铜时代到铁器时代无不以材料的进步标志着人类社会进步的不同阶段。

核材料的发现使人类进入了原子能时代；七十年代微电子技术的产生源自于二十年代五十年代半导体的发现和应用，并萌发了以信息为中心的新技术革命。

21世纪是信息时代，是新材料和先进制造技术迅速发展和广泛应用的时代，这一时代把人们带进了一个关键的富于挑战性的历史时期，一场以节省能源，保护生态环境的新的工业革命正在兴起。

正如20世纪70年代微米技术一样，纳米技术必将成为21世纪的主导技术。

元器件的超微化、高密度集成和高空间分辨要求材料的尺寸越来越小，性能越来越高，纳米材料将充当重要的角色。

随着新世纪高科技的发展和国民建设的需要，新型光源如固体照明光源、通讯光源等获得了快速发展，以各类技术发展起来的高亮度半导体照明器件已经开始出现在市场上。

由于LED具有高效率、低功耗（几十至一百毫瓦）、低工作电压（2～4V）、长寿命（可连续工作几万小时）、固体化、响应速度快（零点几微秒级）、驱动电路简单等特点，其应用范围涉及到多个行业。

半导体照明器件的核心是发光二极管（LED,LightEmittingDiode）。

目前，制造LED芯片的核心技术是在衬底材料上制作氮化镓（GaN）基的外延片，这样生成的LED被称为GaN基LED。

当前用于生长GaN基LED的衬底材料较多，但是能广泛用于商品化的衬底材料，目前只有两种，即蓝宝石（Al2O3）和碳化硅（SiC）。

其它诸如GaN、ZnO衬底还处于研发阶段，离量化生产还有一段距离。

随着LED的主要材料GaN外延生长工艺和器件制作工艺的日臻成熟，已经形成了从红外、可见、白光及少量紫外多个波段的固体光源。

据美国权威市场调研公司2003年2月的调查数据，2002年高亮度市场规模总体增长50070，达到18亿美元，比2001年的12亿增长了50﹪。

2002年全球LED市场占有为36亿美元，年增长逾20070。

随着2008年北京奥运会，2010年上海世博会的临近，各种景观、装饰及照明光源对LED更是情有独钟。

在衬底材料中蓝宝石（Al2O3）是制作GaN外延最常用的衬底。

作为衬底材料，蓝宝石具有高温下（1000C）化学稳定，价格便宜、容易获得大尺寸等优点。

缺点是它与GaN之间存在着较大的晶格失配（16%）和热膨胀失配，大的晶格失配导致在GaN外延层中产生很高的位错密度，降低载流子迁移率和少数载流子寿命，从而降低热导率。

而热失配会在外延层冷却过程中产生应力，从而导致裂纹的产生。

蓝宝石的热导率很低，这和其它衬底材料相比不利于散热。

另外，蓝宝石衬底不导电，作为衬底生产的器件电极不容易制作。

SiC是另外一种重要的半导体衬底材料。

SiC具有同质多型体的结构特点，即在相同化学计量比条件下，原子的积层方式不同，从而形成多种晶体结构的现象。

SiC晶体具有强的共价键结构，其中每个原子被四个异种原子包围，形成了能量稳定性。

它具有高硬度和强度、高熔点、高化学稳定性和抗辐射能力，极好的抗氧化能力和抗腐蚀能力。

由于SiC低电阻，可以制作另一个电极，晶格常数和热膨胀系数也更接近GaN材料，目前SiC的外延衬底为6H-SiC、4H-SiC。

6H-SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，和GaN的晶格失配大约是3.5%。

此外，6H-SiC本身即具有蓝色发光特性，这就使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，从而增强了6H-SiC作为衬底材料的竞争力。

又由于6H-SiC为层状结构，易于解理，衬底与外延膜之间可获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构。

同时在众多一维、准一维以及和其相关的其它低维纳米材料的研究中，宽带隙半导体低维材料的合成及物性研究已成为主要研究对象之一。

而在这些宽带隙半导体材料中，第三代半导体电子材料SiC已引起了人们的广泛兴趣，其低维纳米材料的合成及物性研究逐渐成为人们的研究热点。

此外，SiC具有优良的抗辐射特性（＞105W/㎝²），（SiC器件抗辐射能力比Si器件高10-100倍）；高的击穿临界场强（22×107cm/s），载流子寿命和扩散长度随温度增加而增加。

它还有高的声波传播速度（7～8km/s），可用作声表面波功能器件；在宽的可见光波（特别是短波长）有发光效能。

这些性能使其成为制造电子和光电子器件的理想材料。

基于以上结构特性，SiC还具有优良的力学特性：

莫氏硬度为92～93，低于金刚石而高于刚玉，可以作为优良的磨削材料；SiC还具有的低密度、高熔点、高强度、高硬度、高弹性模量、低热膨胀系数及良好的化学稳定性等诸多优性，基于这些特性，SiC成为了制造先进复合材料的理想材料。

“硅谷”表示半导体和集成电路研制单位集中的地方，差不多已家喻户晓。

人类对自然界的探索是永无止境的，半导体材料也不是仅仅限于硅和砷化稼等几种。

最近美国国防部预研计划局、空军、一些公司和大学正在大力研究一种新的碳化硅（SiC）半导体。

碳化硅是一种坚硬的材料，以前主要用作切削刀具、磨料和结构陶瓷。

晶体结构的碳化硅用作半导体材料具有许多硅无法比拟的优点，因此引起了一些科学家和工程技术人员的重视。

用碳化硅做半导体材料的设想并不是最近才提出来的。

早在30年以前，科学家们就已认识到可以用碳化硅制造晶体管和集成电路，但要把这种坚硬的陶瓷材料做成半导体器件，工作相当艰巨，使他们望而却步。

近年来，世界三大照明工业巨头：

飞利浦、通用电气、欧司朗纷纷与半导体公司结合，组建半导体照明公司。

以美国为首的日本、欧盟、韩国等