单晶SiC基片超精密磨粒加工机理研究

摘要

以集成电路(IC)和光电子器件制造为代表的微电子和光电子制造是电子信息产业的核心，也是当今世界竞争最激烈、发展最迅速的产业。半导体材料是集成电路的基础，半导体技术的创新引领信息产业与光电子产业的发展。单晶SiC作为第三代半导体材料，具有禁带宽度宽、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及化学稳定性良好等优点，被广泛用于耐高温、耐高压、抗辐照、大功率和高密度集成电力电子器件和光电子器件的衬底材料，要求具有超平坦、超光滑、无缺陷和无损伤表面，加工质量直接决定着其应用价值的高低和器件性能的优劣。但是由于单晶SiC基片的高硬度和高脆性，采用传统机械加工方法加工效率很低，加上其较强的化学稳定性，传统CMP方法难以获得理想加工表面，单晶SiC基片的超精密加工理论尚待完善。
　　本文首先研究单晶6H-SiC材料的变形行为，然后通过游离磨料的研磨、固着磨料的端面磨削及半固着磨料的集群磁流变抛光方式对单晶6H-SiC基片进行高效超精密加工工艺研究，并通过亚表面损伤检测研究材料的去除机理和超光滑表面形成规律，实现单晶6H-SiC基片的高效率减薄和超光滑抛光加工。论文的主要研究内容和结果如下:
　　1)采用纳米压痕、纳米划痕和维氏压痕等方式研究单晶6H-SiC材料的变形行为，结果表明单晶6H-SiC基片的碳面硬度和弹性模量均比硅面略高，硬度值远超过莫氏硬度9，弹性模量E与硬度H之比小于14，脆性断裂指数较高;单晶6H-SiC(0001)晶面在磨粒作用下存在弹性变形、塑性变形、塑性去除、塑性/脆性转变和脆性断裂五个阶段，其转变的近似临界载荷分别为3.5mN、16mN、63mN和385mN。
　　2)提出了一种能有效反映单晶6H-SiC基片是否存在亚表面损伤微裂纹以及微裂纹深度，并能准确判断出无亚表面微裂纹损伤表面的快速检测方法。通过该方法观察了单晶6H-SiC基片加工表面的裂纹特征，分析了研磨、磨削和集群磁流变抛光加工工艺条件下的亚表面微裂纹分布规律。
　　3)建立了单晶SiC单面研磨的材料去除模型，并基于KD15BX精密平面研磨机，对单晶6H-SiC基片进行了磨料种类、磨料粒径、研磨压力、研磨盘转速、研磨液流量、磨料浓度、研磨盘材质及磨料分散性等单因素试验，系统地分析了各因素对材料去除率、工件表面粗糙度和材料去除方式之间的关系，获得了磨料发生出现二体摩擦研磨运动和三体摩擦研磨运动的工艺条件。磨料发生二体摩擦研磨运动时主要以微切削方式去除材料，获得的工件表面光滑有光泽，但存在少量的塑性去除、脆性去除及脆塑性去除微划痕;而以滚压破碎去除为主的三体摩擦研磨运动获得的工件表面主要为大量的脆性断裂破碎坑，均匀无光泽。粗研磨阶段，采用铸铁盘及4wt％浓度的W20金刚石磨料在研磨压力4.408Psi、研磨盘转速80r/min和研磨液流量20ml/min条件下能获得高于20μ m/min的材料去除率，而精研磨阶段，采用铜盘及W3的金刚石磨料在研磨压力4.408Psi、研磨盘转速80r/min和研磨液流量15ml/min条件下能获得Ra0.024μm的均匀无划痕表面。
　　4)采用＃325金属结合剂砂轮和＃8000陶瓷结合剂砂轮在DMG-6011V超精密端面磨床上对单晶SiC基片进行了平面磨削工艺试验，分析了工艺参数对磨削表面粗糙度、表面形貌和亚表面损伤微裂纹的影响规律。磨削后的基片越靠近中心，砂轮磨粒经过的轨迹密度越密、磨纹间距越小，所获得的表面质量越好，结果与理论分析一致;随着砂轮进给量的减小，表面粗糙度随之变小;亚表面损伤层最大深度与其表面粗糙度Rz在数值和变化趋势上均存在着线性比例关系。通过持续磨削试验，分析了磨削时砂轮磨损量与材料去除量、砂轮表面形貌、最大磨削力、晶片表面质量等关系，随着砂轮表面磨粒的磨损，最大磨削力逐渐变大，晶片材料的脆性去除趋势越来越明显。最后优化了＃325砂轮磨削工艺参数，获得了表面粗糙度均值为Ra0.012μm，亚表面损伤层深度小于4μm且TTV小于3μm的平坦基片。
　　5)通过对磁极排布方式、磁极端面形状及不同磁极尺寸的磁场特性进行了静磁场有限元分析，选取一定直径的圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立“微磨头”组成的抛光膜，能实现工件与“微磨头”的实际接触面积最大化;详细分析了集群磁流变抛光膜单个“微磨头”运动过程对工件表面的动压力变化规律，基于Preston方程并结合工件材料属性对材料去除的影响，建立了集群磁流变平面抛光的材料去除数学模型;建立了工件定偏心抛光、工件线性插补不定偏心抛光、工件X方向不定偏心抛光和Y方向不定偏心抛光时磨粒运动几何学模型并通过计算机仿真分析了各因数对抛光效果的影响规律。
　　6)利用同向排布的圆柱平底永磁体和环形永磁体形成柔性抛光膜，对K9玻璃、单晶Si和单晶SiC基片进行抛光，证明了集群磁流变平面抛光加工的集群特性，并发现了该方法具有高效率去除加工表面高频凸点的特性。通过对单晶6H-SiC基片的弧形抛光带截面和表面形貌进行分析，并通过抛光带不同区域材料实际去除量与材料去除率仿真曲线进行比较，验证了材料去除模型的正确性并分析了基于集群磁流变的单晶6H-SiC材料去除机理。通过ph值、磨料浓度、溶胶匹配性、抛光温度和氧化剂等因素对单晶6H-SiC的集群磁流变液组分进行了优化，能获得表面粗糙度为Ra0.293 nm的光滑无亚表面损伤裂纹基片。

目录

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 本课题的研究背景与意义

1．2 单晶SiC基片超精密磨粒加工研究现状

1．2．1 基于游离磨料的研磨抛光加工

1．2．2 基于固着磨料的磨削加工

1．2．3 基于半固着磨料的磁流变抛光加工

1．2．4 化学机械抛光

1．2．5 特种加工

1．3 课题的来源

1．4 论文主要研究内容

第二章 单晶6H-SiC基片的磨粒作用行为研究

2．1 引言

2．2 单晶6H-SiC基片的纳米力学试验

2．2．1 纳米力学测试仪器

2．2．2 纳米压痕测试原理

2．2．3 测试结果

2．3 单晶6H-SiC基片的脆性断裂试验

2．3．1 试验设备及微裂纹观察方法

2．3．2 试验结果与分析

2．4 材料去除综合分析

2．5 本章小结

第三章 单晶6H-SiC基片的研磨加工研究

3．1 引言

3．2 研磨加工理论分析

3．2．1 研磨加工原理

3．2．2 研磨过程材料去除模型

3．3 研磨试验

3．3．1 试验设备

3．3．2 试验方法

3．3．3 试验结果

3．4 研磨加工材料去除过程综合分析

3．5 本章小结

第四章 单晶6H-SiC基片超精密磨削加工研究

4．1 引言

4．2 超精密端面磨削加工原理

4．2．1 超精密厚度测量原理

4．2．2 超精密进给理论

4．2．3 超精密表面形成理论

4．3 试验条件

4．3．1 试验设备

4．3．2 试验方法

4．4 磨削结果分析

4．4．1 表面形貌特征

4．4．2 对表面粗糙度的影响

4．4．3 砂轮磨损观察

4．4．4 磨削力特征

4．4．5 亚表面损伤分析

4．4．6 磨削工艺优化

4．5 固着磨粒材料去除过程分析

4．6 本章小结

第五章 单晶6H-SiC基片的集群磁流变抛光加工研究

5．1 引言

5．2 集群平面磁场特性仿真优化

5．2．1 磁极排布方向对磁流变效应抛光膜特性影晌

5．2．2 磁极形状对磁流变效应抛光膜特性的影响

5．2．3 磁极尺寸对集群磁流变效应抛光膜特性的影响

5．3 集群磁流变抛光膜材料去除模型

5．3．1 “微磨头”对工件表面的磁流变效应压力

5．3．2 “微磨头”对工件的流体动压力

5．3．3 材料去除模型

5．4 集群磁流变平面抛光磨粒运动轨迹分析及仿真

5．4．1 磨料运动轨迹的数学建模

5．4．2 磨料运动轨迹计算机仿真

5．5 集群磁流变平面抛光加工过程研究

5．5．1 试验方法

5．5．2 集群磁流变抛光膜集群特性分析

5．5．3 集群磁流变平面抛光加工工艺研究

5．6 集群磁流变平面抛光工作液组分优化试验

5．6．1 pH值对抛光效果的影响

5．6．2 金刚石磨料浓度对抛光效果的影响

5．6．3 磨粒溶胶匹配对抛光效果的影响

5．6．4 抛光工作液温度对抛光效果的影响

5．6．5 氧化剂对抛光效果的影响

5．7 单晶6H-SiC基片的集群磁流变抛光表面形貌分析

5．8 单晶6H-SiC的集群磁流变抛光材料去除机理分析

5．9 新型集群磁流变抛光装置设计

5．10 本章小结

全文主要结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间所取得的成果

声明

致谢