SiC单晶化学机械抛光过程中的化学作用研究

摘要

SiC作为新一代半导体材料被广泛用于LED、高功率器件和空间反射镜。针对目前对SiC化学机械抛光（CMP）加工的去除机理不深入的问题，本论文以SiC单晶（0001）晶面作为模型体系，利用原子力显微镜微区模拟刻划方法，系统研究了介质、模拟磨料和溶液条件等因素对CMP行为的影响，深入探讨了CMP过程中的化学作用。研究结果为SiC的CMP加工提供了理论指导。
　　研究了介质对SiC的微区材料去除行为的影响，利用原子力显微镜和XPS，发现在KMnO4溶液中SiC表面因氧化生成SiO2，导致高于空气和水中的去除速率，并提出了可能的氧化反应式。以AFM针尖和二氧化硅微球作为模拟磨料，发现在KMnO4溶液中均能实现材料去除。经过深入分析普遍存在的SiC单晶表面微区刻划后的台阶宽窄交替现象，认为根本原因是在氧化剂和载荷共同作用下SiC晶体中不同原子层的能量差异和体系总能量的降低趋势。
　　针对KMnO4溶液这一氧化性体系，通过改变刻划时间、载荷、溶液浓度和溶液pH等条件，并结合SiC单晶表面和针尖形貌表征，研究了力学和化学综合作用的材料去除规律。发现去除速率随刻划时间的变化规律为先降低后增加，最低点为2h，这一现象与针尖磨损所致的形貌变化有关。去除速率随载荷增大呈近似线型增加关系。去除速率在浓度高于5×10-3mol/L后急剧增加，而随溶液pH的升高呈近似线型降低，均与溶液氧化性在高浓度和酸性时的强氧化性有关。
　　利用Pt丝短路火花放电方法制备了微米尺寸微球，以Pt微球作为另外一种超软金属模拟磨料，利用原子力显微镜研究了Pt微球对SiC单晶的微区刻划材料去除过程，通过对照文献中的相关结果，对Pt等不同于传统氧化物磨料的超软磨料体系的去除行为进行了探讨和分析。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 碳化硅及化学机械抛光技术简介

1.3 SiC摩擦磨损机理的研究进展

1.4 磨料和力学等因素影响SiC的CMP行为的研究进展

1.5 SiC的CMP抛光过程中的化学作用研究

1.6 国内外研究现状分析

1.7 本课题的主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验药品及材料

2.2 实验仪器及表征方法

2.3 实验方法

第 3 章 介质影响SiC单晶CMP行为的AFM模拟研究

3.1 空气中SiC单晶CMP行为的AFM微区模拟研究

3.2 水中SiC单晶CMP行为的AFM微区模拟研究

3.3 KMnO4溶液中SiC单晶CMP行为的AFM微区模拟研究

3.4 介质和模拟磨料对材料去除速率的影响分析

3.5 刻划后SiC单晶表面台阶形态变化的分析讨论

3.6 SiC表面的XPS表征测试

3.7 本章小结

第 4 章 高锰酸钾溶液中影响SiC单晶CMP行为的因素的AFM模拟研究

4.1 刻划时间影响SiC单晶CMP行为的AFM模拟研究

4.2 载荷影响SiC单晶CMP行为的AFM模拟研究

4.3 溶液浓度影响SiC单晶CMP行为的AFM模拟研究

4.4 溶液pH影响SiC单晶CMP行为的AFM模拟研究

4.5 本章小结

第 5章 高锰酸钾溶液中Pt模拟磨料影响SiC单晶CMP行为的研究

5.1 Pt微球的制备

5.2 Pt微球模拟磨料影响SiC单晶CMP行为的AFM模拟研究

5.3 Pt微球模拟磨料影响SiC单晶CMP行为的机理探讨

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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