单晶SiC基片超精密磨粒加工机理研究

单晶SiC基片超精密磨粒加工机理研究 ================== 发表时间：2019-11-18 16:14作者：九朋新材料 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KDl5BX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20um／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Ra0．024um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一601 1V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Ra0．012um，亚表面损伤层深度小于4um且TTV小于3um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。 理 关键词：单晶SiC基片，磨粒加工，集群磁流变效应，亚表面损伤，材料去除机 1．1本课题的研究背景与意义 能源、材料和信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。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，半导体产业的创新引领信息产业与光电子产业的发展。随着现代科技的发展，谁首先控制新一代半导体材料，必然会控制新一代器件，必然会走在科技发展的前列，因而对新型半导体器件的研发对我国国家地位和综合国力的提高有着举足轻重的作用。 在半导体材料发展历史上，一般将硅(Si)和锗(Ge)称为第一代半导体材料，砷化镓(GaAs)等称为第二代半导体材料，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、蓝宝石(A1203)、金刚石和氮化铝(AIN)等称为第三代半导体材料。从表1一l的对比可以看出，第三代半导体材料和第一代、第二代半导体材料相比具有 禁带宽度更宽，击穿电场更高、热导率更高、电子饱和速率更高、抗辐射能力更强以及化学稳定性更稳定等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝光、绿光、紫外光器件和光探测器件，因而又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2．2ev)和高温半导体材料。 外延工艺是制备器件所必须的关键工艺，而外延工艺所需要的衬底材料均为高精度的半导体材料基片，目前全球90％以上的集成电路均采用硅片作为衬底。随着微电子和光电子技术的发展，电子器件正向小型化、轻型化、高温、高频、抗辐射、大功率和高生存率等方向发展，要求具备更苛刻工作环境和生存条件。因此，发展宽禁带半导体器件己成为世界电子产业发展的方向标，美、日、俄等强国均极其重视宽禁带半导体技术及其器件的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，用于GaN基LED的衬底材料比较多，但商品化的LED主要用蓝宝石和碳化硅作衬底。蓝宝石与GaN之问的晶格失配接近14％。与蓝宝石衬底材料相比，SiC衬底材料晶格常数与GaN材料更为接近，失配仅为3．5％；SiC并且具有良好的导电性能和导热性能，较好地解决了大功率、高亮度GaN基LED器件的散热问题；在导电SiC衬底上制作电极，使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能。因此SiC衬底是一种更理想的衬底材料，法国物理学家预言，在芯片制造领域，SiC取代硅已为时不远。 单晶SiC材料的原子结构属于硅碳原子对密排结构，既可以看成碳原子密排，硅原子占四面体空位，又可看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位。如图1．1所示，SiC的原子密排结构存在三种不同位置，记为A，B，C。根据原子密排方式的不同，现己发现约200多种不同晶型的原子结构。如图1---2所示，若密排顺序为AB---AB，则得到纯六方晶型结构，记为2H．SiC；若密排顺序为ABC---ABC，则得到立方晶型结构，称为3C---SiC或者3-SiC；若密排顺序为ABCB．ABCB，则得到六方晶型结构，称作4H---SiC：若密排顺序为ABCACB---ABCACB，称为6H---SiC。SiC的晶体结构决定了其半导体特性的差异，从而可以由SiC不同晶体间的晶格完全匹配而获得超晶格和异质复合结构，获得根据要求定制的专属器件(SiC器件以其性能的优势见表1-2)。目前最常见应用最广泛的是4H---SiC和6H---SiC两种晶型。根据目前的研究，4H---SiC的半导体特性特别适制备高频、高温、大功率微电子器件，而6H---SiC特别适合LED等光电子领域，应用也逐渐由Si面向C面发展。 单晶基器件性能的优劣依赖于单晶衬底外延层的晶格完整性及平整度，在外延生长之前的衬底基片表面加工质量决定了外延层的质量，超光滑无缺陷的表面是高质量外延层生长的关键，单晶材料技术及其器件的发展必然给衬底基片表面质量的提高带来更大的挑战。 因此，单晶SiC基片(简称SiC晶片)的加工表面质量直接影响着其应用价值的高低和器件性能的优劣，加工技术是我们必须攻克的"堡垒"。目前，加工单晶SiC基片遇到的主要问题归纳如下： (1)SiC材料硬度大、难加工 单晶SiC的分子结构稳定，而且SiC材料的硬度远大于刚玉和石英，莫氏硬度接近金刚石(金刚石的莫氏硬度为10)。根据机械加工原理，工具(磨料)与工件材料的硬度差是实现材料去除的基础，硬度差越大，去除越容易进行，去除效率也就越高，因而即使采用金刚石磨料加工单晶SiC，其效率亦难以提高。另外，单晶SiC材料作为典型的陶瓷材料，具有较大的硬脆性，机械加工时表面易产生裂纹扩展和破碎。因此如何提高加工效率，避免加工过程中产生裂纹和缺陷，获得表面粗糙度低和无变质层的表面是科研工作者面临的挑战。 (2)SiC材料化学稳定性高 单晶SiC材料化学稳定性较高，很少与强酸或强碱发生反应，室温下，它能抵抗任何酸性腐蚀剂，这些性质使SiC器件可以在高温下保持可靠性，并且能在苛刻的或腐蚀性的环境中正常工作。对于硅、砷化镓等传统半导体材料来说，化学机械抛光(CMP)是十分重要加工工艺，能够有效的去除晶片表面有机沾污及表面损伤层；但对于单晶SiC材料而言，传统CMP去除率则要低得多。 (3)作为衬底材料有很高的表面质量要求 SiC晶体作为Ic和LED衬底材料，要求具有超平坦和超光滑的表面(对于单晶SiC基片，粗糙度Ra达到0．3nm以下才能满足外延膜生长的要求)，并且要求无缺陷、无损伤。但是，目前在单晶SiC基片研磨和抛光加工过程中是利用游离磨粒的微切削作用去除材料，不可避免地会在晶片亚表面产生损伤层，由于游离磨粒加工的磨粒尺寸大小不同、在研磨盘和抛光盘表面的分布均匀性随机变化，会在晶片表面残留分布不均匀的磨痕，在亚表面产生微裂纹、晶格畸变、位错等损伤，而亚表面的残余应力、微裂纹等损伤和缺陷以及物理化学性质的变化可能导致半导体器件的失效。如何大幅度减小单晶SiC基片的亚表面损伤深度，消除加工过程产生的缺陷，加工表面粗糙度Ra达到0．3nm以下是单晶SiC基片加工急需攻克的难题。 (4)加工机理研究欠缺 单晶SiC材料属于新一代半导体材料，对其性能及加工技术的研究起码相对较晚，超平坦和超光滑加工机理研究十分欠缺。国内主要集中在对SiC材料的精密加工工艺技术的攻关上，缺少理论研究，对于工艺的改进和优化缺少理论支持，对材料去除机理的理论研究缺乏系统性；而国际上对单晶SiC这一新型材料无论是理论还是工艺都进行严密技术封锁，很难进行借鉴。但对于加工机理的研究，需消耗大量的人力物力， 在短期内很难获得较大的突破。 （5)加工装备相对落后 高精度的先进装备是超精密加工的基础，目前，我国自动化程度高的关键先进加工装备主要依赖国外进口，而国外进口设备不仅价格高而且配件价格也极高，同时，国外很多精密装备对我国还实行技术封锁。在这样的条件下，要实现对SiC材料的精密加工，只有自主探索开发新工艺、新理论和新装备。 (6)检测设备和检测方法有待完善 对于单晶SiC基片，粗糙度Ra达到0．3nm以下并且要求表面无缺陷、无损伤，才能满足外延膜生长的要求。因而如何检测局部和整体的精度及损伤，已成为加工单晶SiC中的一个关键问题，也是目前超精密加工领域的一大难题，解决这一问题将对推动第三代半导体超精密加工的应用起到至关重要的作用。 为此，本文根据国家"极大规模集成电路制造装备及成套工艺科技重大专项"战略要求及广东经济社会发展需要，选取最具代表性的单晶6H---SiC基片作为研究对象，研究单晶6H---SiC基片的研磨、磨削和抛光工艺流程，通过选取适当的磨粒种类和粒度以及合适的加工设备来减薄和精密加工SiC基片；研究单晶SiC在不同磨粒约束效应下的加工行为、机理及亚表面损伤，开发适应SiC晶片材料的磁流变液及磁流变装备，开展基础理论和工艺技术研究，为我国电子信息制造业提供有自主知识产权的新工艺和新技术，对优化和完善我国以及广东省的高性能IC和LED半导体照明产业链，促进我国微电子、光电子制造技术跨越式发展和提高国防科技能力等具有重大意义。 1．2单晶SiC基片超精密磨粒加工研究现状 l 885年Acheson首次生长出SiC晶体之后，人们开始对SiC的特性、材料制各方法及其机械性能的应用等多方面开始了深入研究。直到20世纪90年代开始生产SiC单晶锭后，SiC晶体材料制各和晶片加工技术研究才得到大幅提高，获得几何参数和表面质量较好的SiC抛光片。从而促进了SiC器件制备技术的迅速发展，使SiC单晶抛光片得到实用化应用，逐渐研制出新的SiC基器件光电子器件和功率微电子器件，促进了微电子和光电子技术的发展。 由于单晶SiC器件的优良性能，世界各国非常重视SiC单晶生长及器件的研制。目前，国际上具备商品化单晶SiC抛光片、外延片及器件的公司主要集中在美国的纳Cree公司、II．VI公司、Bandgap公司、hnstrinsic公司和Dow Dcorning公司，日本的Nippon公司、Rohm公司和Sixon公司，德国的SiCrystal公司、芬兰的Okmetic公司等。除此之外，俄罗斯的圣彼得堡国家电子技术大学和约飞研究所、瑞典的Epigress公司、美国的Westing House公司、海军研究所和NASA Lenst研究中心等单位也在SiC材料的生长、SiC衬底的加工和器件技术方面进行了大量的研究工作。但Cree公司、Rohm公司和SiCrystal公司的在全球市场的占有率超过85％，基本形成了美、日、欧三足鼎立的局面。中国电子科技集团公司第四十六研究所、山东大学、西安理工大学、中科院物理所和中科院硅酸盐所等均对单晶SiC的生长和加工进行了研究，中国科学院物理所于2006年成立的北京天科合达蓝光半导体有限公司，拥有自主知识产权的SiC晶体生长炉和SiC晶体生长、加工技术和专业设备、完整的SiC晶片生产线，开发出SiC晶片表面处理、清洗、封装等工艺技术，使产品达到了即开即用的水准，已成为亚太地区SiC晶片生产制造的先行者，现已成为全球SiC晶片的主要生产商之一。商品化的单晶SiC晶片主要是6H---SiC和4H---SiC，尺寸由l英寸到3英寸，目前4英寸抛光片已投入市场。 对于单晶SiC基片的精密加工，一方面，由于单晶SiC作为外延衬底材料要求具有超平坦和超光滑的表面，并且要求无缺陷、无损伤。另一方面，由于SiC单晶的硬度高，其切、磨、抛加工与硅和砷化镓的加工存在巨大的差异，所有传统上加工半导体材料的机械对于SiC单晶而言均无法奏效。正因为如此，SiC晶片的超精密加工已成为国际半导体加工界的高难度技术，国际上各国对相关技术则严格保密，在各种文献材料上的相关报道甚少。国内外科研工作者在单晶SiC基片超精密磨粒加工方面的研究，主要包括基于游离磨料的研磨抛光加工、基于固着磨料的磨削加工、基于半固着磨料的磁流变抛光加工、化学机械抛光和特种加工等几个方面，本文也将从上述几个方面具体介绍国内外研究现状。 1．2．1基于游离磨料的研磨抛光加工 目前单晶SiC基片的研磨和抛光加工仍然主要采用传统的机械研磨抛光加工方法。研磨阶段主要是对切割后的晶片进行平坦化加工以去除锯痕等，利用铸铁盘、陶瓷盘等超硬的研磨盘和碳化硼、金刚石等超硬磨料进行高效率材料去除。Chen X．F．等用20-100um的碳化硼磨料进行研磨加工，为了减少研磨过程磨粒刻划对晶片的表面层及亚表面层的损伤，South Bay Technology公司采用3-9um的金刚石进行研磨加工，但磨料粒度降低会牺牲加工效率。SiC晶片在研磨后必须进行抛光以去除损伤层，通常抛光中用微细磨料，并在聚胺脂等相对较软的抛光垫上进行抛光，以去除加工变质层和降低表面粗糙度。抛光中使用磨料粒度0．25-3um甚至更细的金刚石，抛光液中超细磨粒的分散性、抛光液的润滑性对抛光结果影响很大，因而对抛光液配备方法提出了更高的要求。Lee H．S．等对金刚石磨料和二氧化硅的混合磨料抛光进行了研究，并对混合磨料抛光模型进行了探索。澳大利亚Ling Y．和Huang H．用3um和O．05um的金刚石悬浮液对硬质合金、多晶SiC、玻璃和6H．SiC进行研磨和抛光加工，得出相同加工条件下硬质合金粗糙度达到2．4nm，而6H---SiC粗糙度有137nm，并且由于单晶SiC的高硬度和高脆性，利用传统机械研磨抛光方法效率较低，难以去除亚表面损伤层。 国内在SiC晶片研磨抛光方面也开展了多方面探索。山东大学李娟等通过对SiC晶片进行粗精研磨得到不平整度为土3um的晶片。陈勇臻对SiC晶片进行了研磨和抛光，获得5nm的表面粗糙度。赵树峰等对SiC晶片进行了任意偏向角度研磨晶片的实验研究，获得研磨取向误差范围可控制在5％之内，研磨片厚度偏差小于5um、粗糙度Ra=0．12um的效果。厦门大学程伟等通过铸铁盘研磨减薄，并采用不同的抛光盘和抛光液进行抛光，获得了厚度30土2um，表面粗糙度Rms 0．69nm的4H---SiC晶片。肖强等通过有限元方法对材料去除方式及应力进行了仿真及实验验证，通过超声波辅助研磨方法提高6H---SiC晶片的加工效率、降低表面粗糙度，仿真和试验结果表明该方法能使粗糙度降低50％，材料去除率提高100％。苏建修团队采用固结磨料和游离磨料对6H-SiC晶片进行了加工研究，在相同粒径下固结磨料相对游离磨料研磨能获得 的更高的材料去除率和更低的表面粗糙度，但表面存在着较浅的划痕，同时也影响到加工后的亚表面损伤。周海等对SiC研磨后的表面划痕和亚表面损伤层深度模型及产生机理进行了理论研究，并且对采用双面研磨减少损伤层深度方面做出了贡献。阎秋生课题组对单晶6H---SiC的单面研磨及集群磁流变研磨进行了较为深入的研究，并且对研磨过程中产生的划痕进行了深入分析，优化参数后采用W3.5的金刚石磨料能获得表面粗糙度达到25nm左右，材料去除率在300mg／h左右的光洁无划痕SiC晶片。 1．2．2基于固着磨料的磨削加工 在晶片平坦化粗加工阶段，为了提高单晶SiC基片的加工效率，学者们探索采用固结金刚石磨具进行磨削代替游离磨料研磨上开展了多方面研究。澳大利亚Ling Y，和Han H．对6H---SiC在切割片基础上采用15um的金刚石砂轮进行超精密磨削然后再进行抛光加工，取得了良好的效果。Ling Y．在研究中用磨削方法代替研磨加工，通过用25um、15um和7um粒径的砂轮逐次磨削单晶SiC基片，可以获得材料延性状态去除， 之后再用3 um金刚石磨料进行抛光可以得到良好表面。Keishi Y．在研究中采用绿碳化硅磨料粗研磨之后再用#200粒度金刚石砂轮恒压式磨削，获得1．57nm表面粗糙度，加工效率显著提高，研究发现砂轮表面状况对磨削效果影响很大，磨粒间距和出刃高度的不均匀性都直接影响到加工表面质量。Hirosbi K，、Xiao Q．与日本理化学研究所合作开展了在线电解磨削(ELID)应用于单晶SiC基片加工的研究，利用#2000砂轮和控制0．5um／min微量进给下获得O．87nm表面粗糙度，同时研究中发现单晶SiC的各向异性特征也使其粗糙度高于多晶SiC。Takanofi K．等提出了一种不需要金刚石磨料即可以高效磨削4H---SiC晶片的低硬度Tribo．catalytic磨料磨削技术，可以降低磨削后的表面损伤并缩短CMP加工的时间。 国内也开始了对单晶SiC基片的固着磨料磨削研究，张银霞等对固着磨料研磨后的SiC晶片Si面和C面亚表面损伤的深度及微裂纹构型进行了研究，获得在研磨压力为2 psi、金刚石磨粒粒径14um时，固结磨料研磨SiC晶片的亚表面损伤层深度约为2．6um，亚表面微裂纹构型有垂线状、斜线状、钩状、叉状、树枝状、人字状以及横线状的结论。陈勇臻对SiC单晶片的金刚石颗粒的磨削原理进行了分析，但缺少相应磨削实验。肖强等对SiC晶片ELID超精密磨削氧化膜特性研究。贺勇等通过选取两种不同锥度角的金刚石磨粒对单晶SiC进行了单颗磨粒磨削实验，分析了磨削参数对磨削力的影响规律。阎秋生等对单晶6H---SiC进行了磨削，并对材料脆塑性转变机制及亚表面损伤微裂纹进行了深入分析。霍凤伟等采用#600、#2000和#12000砂轮对4H---SiC基片进行了纳米磨削研究，获得了表面粗糙度Ra0．42nm和TTV 1．0um以内的表面。 1．2．3基于半固着磨料的磁流变抛光加工 磁流变液(Magnetorheological Fluid，简称MR流体)是一种智能可控流体，其悬浮液由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成，在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Binghall体特性，即磁流变效应(Magnetorheological Effect，简称MRS)。磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的，而且其流变后的剪切屈服强度与外加磁场强度具有稳定的对应关系。磁流变抛光技术(Magnetorheological Finishing，简称MRF)是20世纪90年代由Kordonski W．I．及其合作者基于磁流变效应提出的一种新型的光学表面加工方法，利用磁流变液与磨料混合液在磁流变特性下形成研抛"缎带"对非球面进行研抛加工，具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合曲面加工等传统抛光所不具备的优点，已发展成为一种革命性光学表面加工方法。由于磁流变抛光能实现局部材料去除易于控制，磁流变液中微细磨料对加工表面材料的去除微量化，利用光学干涉仪测量数据可以得到其去除函数，因此MRF被认为是一种确定性的光学元件加工技术，广泛应用于光学元件的最终精密加工工序。 我国的磁流变抛光技术研究起步较晚，对磁流变液的配制与性能研究、抛光设备的开发等关键技术以及磁流变抛光机理需要进一步深入。中科院长春光机所张峰博士较早对磁流变抛光技术进行研究，设计了与分体式铁谱仪磁路类似的永久磁铁磁路，研制了一套磁流变抛光装置。清华大学冯之敬教授、国防科学技术大学李圣怡教授和哈尔滨工业大学张飞虎教授等研究团队也分别针对磁流变非球曲面加工过程中的磁路仿真设计、磁流变液组分优化、磨粒运动轨迹及抛光盘运动形式仿真、加工工艺参数优化、加工表面质量分析、磁流变抛光材料理论去除模型的推导、专用磁流变抛光机床的开发等方面进行了大量深入研究，取得了较好的效果，但他们所采用的技术方案和原理与美国QEO Technology磁流变抛光机基本类似，主要是用于曲面抛光加工。阎秋生团队等在磁流变抛光、电流变抛光及电磁流变抛光工艺及机理等方面进行了系统研究。提出了利用磁流变液、电流变液及电磁流变液中的离散磁性粒子半固着约束混入的磨料微粒，形成磁流变"微磨头"研磨抛光半导体基片、电子陶瓷和光学玻璃等硬脆材料，并提出了一种新型集群磁流变平面抛光方法，对集群磁流变效应抛光垫特性及其加工机理进行了较为深入的研究。 从目前磁流变抛光方法应用看，磁流变抛光为磨料的半固着加工，突破了传统的以游离磨料为主的研磨和抛光加工，对于光学元件加工效果显著。目前，国内采用MRF对多晶SiC的非球面反射镜及其他光学晶体的加工研究较多，还鲜有在单晶SiC超精密加工的报道。作者所在课题组采用集群磁流变方法对单晶6H---SiC基片进行抛光，抛光30min能使SiC晶片加工表面从Ra 72.89 nm下降到Ra l.92nm。 1．2．4化学机械抛光 为消除机械加工造成的亚表面损伤，单晶SiC基片的加工中也同样可以采用机械化学抛光方法(CMP)来去除损伤层并降低表面粗糙度。传统CMP用含有胶状Si02悬浮颗粒的氢氧化钾溶液作为抛光液，综合了化学抛光与机械抛光的优势，对硅片的抛光效果好，但是对于SiC这类高耐腐蚀性材料，其化学稳定性较好，传统CMP方法的加工效率较低，再加上单晶SiC的各向异性，6H---SiC和4H---SiC等不同晶型甚至不同晶面均需要采用不同成分的抛光液，这也给单晶SiC基片抛光增加了困难，为此，各国学者都在寻求更有效的抛光方法。因高温可增强腐蚀作用，Martin C．将单晶SiC基片放到450。C的KOH溶液中进行腐蚀，之后再进行常规的CMP加工，KAYANAM．的研究则是在1 150。C蒸气中氧化3小时后再进行常规CMP加工畔】。Hara H．提出了CARE(Catalyst referred etching)方法，通过在抛光垫中加入催化剂Pt，使Pt在氢氟 酸环境下作为增强腐蚀作用提高CMP效率。Yashiro H．提出在传统的CMP溶液中加入氧化剂增强氧化反应的MCP方法。日本DISCO磨料公司提出了一种针对SiC晶片的酸性CMP方法以提高材料去除率和抛光后的表面质量。Yin等研究了KMn04强氧化剂在CMP加工SiC时的作用，实验结果表明C面相对Si面更容易被氧化，材料去除率同时与PH值及磨料浓度有着重要的关系。Canhua L．通过在CMP基础上结合电化学手段来控制和增强化学作用来提高抛光效率。为了提升CMP中的机械抛光作用，rtojun L．通过在CMP溶液加入纳米金刚石来提升机械抛光去除效率。Makoto S．则改变抛光垫的作用，通过用特种树脂制成对Si02磨料有一定把持性的抛光垫来提高加工效率。Eryu0．等采用质软抛光布对单晶SiC基片进行了纳米级精抛光，当抛光布为Nitta Haas Suba 800、抛光压力为72．5 Psi、抛光转速为80r／min、pH=7．4、抛光液为浓度20％的Si02胶体(粒径为0．05um)、强氧化剂10g／L的精抛条件下，可以获得表面粗糙度0．3nm的超光滑表面。同时，Kubota等开展了加入Fe或者Pt等催化剂的抛光，研究表明催化剂对提高抛光效率及表面粗糙度起到一定的效果。 山东大学晶体材料国家重点实验室己获得表面粗糙度在lnm以下的6H．SiC单晶晶片，陈秀芳等人使用胶体Si02抛光液对6H．SiC单晶片抛光，获得2um×2um区域0．1nm的粗糙度。清华大学周艳等采用X．ray、XPS、I yV-_Vis和AFM方法对CMP加工后的SiC硅面进行了深入分析，认为．OH可以提高抛光效率，获得原子级的超光滑表面。哈尔滨工业大学杨文航以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。苏建修等在CMP中采用氧化铝磨料对单晶SiC基片进行了抛光，研究了PH值、磨料粒径和浓度、分散剂和氧化剂、抛光盘转速和抛光压力等对材料去除率的影响规律并优化了相关参数，获得了3 nm／min的材料去除率和Ra 0．198um的表面粗糙度。彭小强课题组对SiC光学材料芬顿辅助抛光机理及芬顿辅助抛光液配制工艺进行了研究，采用O．5 um粒径的金刚石磨料的芬顿辅助抛光能获得传统抛光5．8倍的材料去除率并取得了RMS均值2．963nm的表面粗糙度；阎秋生课题组采用不同形式的Fe催化剂在6H．SiC芬顿反应中的作用进行了研究，发现Fe2+铁离子是促进芬顿反应的主要因素，可以提高SiC的材料去除率，并且根据芬顿原理提出了一种化学机械．集群磁流变复合抛光方法(MRCMP)，60分钟能使6H．SiC表面粗糙度从50．86nm下降到0.42nm。山东大学田欣对SiC晶片超精密化学机械抛光的关键技术进行研究并对小型的设备进行了研发。高飞等先在复合铜、锡盘上对2英寸4H．SiC晶片进行机械抛光，去除研磨造成的损伤层和划痕，最后用特殊的抛光液进行化学机械抛光，获得了表面粗糙度值小于0．1 nm的原子级平整表面，这是目前为止报道中获得的最低表面粗糙度。北京天科合达蓝光半导体有限公司通过对SiC晶片进行CMP抛光后，获得表面粗糙度低于0．3nm的2英寸和3英寸SiC晶片，成为目前我国首家能大量供应SiC晶片产品的企业。 1．2．5特种加工 在利用传统机械研磨抛光和CMP方法倍受局限的情况下，很多研究人员开始尝试利用特种能量工艺进行SiC的超光滑加工，如等离子抛光、plasma．assisted polishing(PAP)等这些在光学器件制造领域应用的加工方法。等离子抛光是工件与抛光液中通电脱离的金属离子吸附在工件表面，工件凸起处电流冲击高而去除快，随着电流的流动，工件表面凹凸不断变化，粗糙表面逐渐被整平，该方法具有非接触抛光的优点，但是设备复杂、价格较高，加工过程的表面高温容易产生热损伤，加工过程条件需要严格控制等。而等离子体辅助抛光PAP则采用非接触的等离子体侵蚀头代替机械研磨头，用于自由区面的抛光，等离子体与工件表面物质发生化学反应，生成气相反应物被排走，离子流对工件表面的碰撞也产生了材料去除的作用。Ohnishi O．等设计出了一种双面CMP机器，并采用该机器研究了氧气氛围及紫外线在CMP中的辅助作用。Yamamura K．等对等离子辅助方法加工超难材料进行了介绍，并对4H．SiC单晶进行了等离子辅助抛光综合实验研究。Uma Rames Krishna Lagudu等对离子强度在CMP加工单晶SiC时所起的作用进行了深入的研究分析。日本的Eryu O等通过离子注入法对单晶SiC进行研磨，得到O．6nm的粗糙度；Watanabe H．获得了0．1 um／min的腐蚀率并获得了表面无损伤的4H．SiC基片。Deng H．分析了PAP方法对单晶SiC的材料去除机理，并通过PAP方法及软磨料Si02和Ce02对4H．SiC基片进行抛光，使表面质量从P-V 4．4l nm和RMS 0．62l nm下降到了P-V1.889nm和RMS 0．28 nm，获得原子级的表面。 综合以上国内外的研究报道不难看出，国内外在单晶SiC材料的超精密加工方面进行了大量的研究工作，但由于单晶SiC基片的高硬度和高脆性，无论是采用传统机械研磨抛光方法或者固结磨料磨削方法，加工效率都是制约因素，加上其超强的化学稳定性，传统的CMP方法难以获得理想的基片。目前，单晶SiC基片的超精密加工理论尚未完善，如何实现新一代半导体材料单晶SiC基片的高效率平坦化加工和超光滑表面加工方面仍有大量的问题没有得到解决，有必要进行深入研究。 课题的目标是建立单晶SiC材料高效超精密磨粒加工理论，研究单晶SiC材料微观去除机理及其脆塑性迁移控制机制，揭示单晶SiC基片超光滑表面形成规律：基于磨抛过程中磨粒产生"容没"效应的构想，通过集群磁流变效应研磨抛光盘，控制超细磨料在把持介质中的约束状态，并结合磨抛工艺参数的研究，实现单晶SiC基片的高效率研磨和超光滑抛光加工。 1．4论文主要研究内容 本文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。本文针对单晶6H---SiC基片的加工工艺以及材料去除机理进行了系统性研究. 2．5本章小结 本章对单晶6H．SiC基片进行了纳米压痕和纳米划痕测试，并通过维氏压痕法观察了单晶6H---SiC基片的脆性断裂过程，得出了如下结论： 1)纳米压痕法测得单晶6H---SiC基片的碳面硬度和弹性模量分别为38．596Gpa和563．019Gpa，硅面的硬度和弹性模量分别为36．246Gpa和524．839Gpa，硬度值远超过了莫氏硬度9，E／H的比率小于14，属于典型的硬脆难加工材料。 2)单晶6H---SiC(0001)晶面在磨粒加工作用下的存在弹性变形、塑性变形、塑性去除、塑性／脆性转变和脆性断裂五个阶段，转变的近CAtl'臨界值分别为3．5mN、16mN、63mN和385mN。 3)通过快速截面法观察了单晶6H---SiC基片的裂纹扩展过程，并且验证了静刚度法获得的脆性断裂阀值的正确性，说明纳米压痕、纳米划痕和维氏压痕法获得的结果具有相互对应关系。 3．5本章小结 本章建立了单晶SiC单面研磨的材料去除模型，并基于KDl5BX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，详尽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，并对不同材料去除方式下的工件表面形貌进行了深入的分析，其主要结论如下： 1)硅面由于硬度比碳面略低，研磨加工时的材料去除率相对比碳面的高，获得的表面粗糙度略高于碳面的粗糙度；通过对试验结果进行方程模拟，验证了研磨材料去除模型的合理性。 2)在磨料浓度低、研磨液流量小、磨料粒径小、研磨压力大、研磨盘转速低和研磨盘材质软等条件下，磨料容易发生出现二体摩擦研磨运动，此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，但存在着少量的划痕，相反容易发生以滚压破碎去除为主的三体摩擦研磨运动，获得均匀无光泽且无划痕的工件表面。 3)微切削去除划痕存在着塑性去除、脆性去除以及脆塑性去除三种模式，而滚压破碎获得的基片表面主要为大量的脆性断裂破碎坑。 4)粗研磨阶段，采用铸铁盘，在4wt％浓度的W20金刚石磨料、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20un／min的材料去除率；而精研磨阶段，采用材质铜盘及4wt％浓度的W3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Ra0.024um的均匀无划痕表面。 4．6本章小结 本章采用#325金属结合剂砂轮和#8000陶瓷结合剂砂轮在DMG一601 1V超精密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后的工件表面粗糙度、表面形貌和亚表面损伤微裂纹之间的关系，并分析了磨削过程中的砂轮磨损及磨削力的变化关系，最后优化了存325砂轮磨削工艺参数。主要获得如下结论： 1)磨削的工艺参数对6H---SiC基片表面粗糙度的影响非常显著，随着砂轮单位线速度下进给量的减小，表面质量越来越好。磨削后的基片越靠近中心，砂轮磨粒经过的轨迹密度越大、磨纹间距越小，所获得的表面粗糙度越小，相反越靠近硅片的边缘，磨纹间距越大，表面粗糙度越大。 2)表面形貌的变化规律基本与粗糙度变化规律一致，磨削后基片表面存在着大量的耕犁划痕和沟壑，在大进给量下主要表现为材料脆性去除为主，而在小进给量下材料主要以塑性去除为主，基片越靠近中心塑性去除越显著，表面也越光滑。 3)通过解理截面法观察亚表面损伤层微裂纹形态与深度，磨削后亚表面损伤层中存在着大量由中位裂纹和横向裂纹组成的裂纹层，亚表面损伤层的裂纹深度与表面粗糙度值大小和表面形貌沟壑形状具有高度的一致性，表明粗糙度值越大，表面沟壑越多越深，造成的亚表面损伤层的裂纹深度也越大，直线状脆性去除划痕处的亚表面损伤深度最大，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一定的比例和线性关系。 4)采用同一工艺进行多次重复磨削，可以看出首次磨削时砂轮磨损量最大，随着磨削次数的增加，砂轮单次磨损量逐渐变小，砂轮转速较低和进给量较大的情况下砂轮磨损量相对要大得多；随着磨削次数的增加，砂轮的磨损量逐渐变小，磨粒的刃口峰值逐渐被磨钝，磨粒磨损数量增多，磨损面积变大，当砂轮磨损量超过磨粒一半时，砂轮开始失效。 5)砂轮的磨损对每次磨削的接触磨削力、最大磨削力、晶片的表面质量及晶片的表面粗糙度均存在着对应的影响，随着砂轮的磨损，接触磨削力和最大磨削力逐渐变大，晶片材料的脆性断裂越来越明显，所获得的晶片表面变粗糙。 6)#325砂轮条件下，适宜采用砂轮转速3200 r／min、工件转速251 r／min和进给量6um／sec的工艺参数对工件进行粗磨削；进而采用砂轮转速3200 r／min、工件转速251 r／min和进给量1 um／sec的工艺参数进行大于15um余量的半精磨削；之后应采用砂轮转速3200 r／min、工件转速251 r／min和进给量0．1um／sec的工艺参数进行大于10um余量的精磨；最后光磨5～10秒。 7)采用最佳工艺方案可以在小于3分钟的有效磨削时间内可以获得表面粗糙度均值为Ra 0．012 um，亚表面损伤层SSD小于4 um且TTV小于3 um的平坦基片，无需精密磨削或精密研磨加工即能直接进行抛光，大大提高了基片的加工效率。 如第一章所述，磁流变抛光技术特别适合光学非球面的超精密加工，具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点。但目前采用的磁流变抛光方法对单晶SiC基片等平面工件进行加工时，工件表面与抛光斑点局部接触，轨迹扫描过程需要大量的时间，抛光效率低、加工形状精度不易保证。本课题组基于磁流变抛光原理和集群作用机理，提出一种集群磁流变平面抛光加工方、法，其基本原理是基于磁流变效应、将磨料微粒混入磁流变液作为抛光工作液，以小尺寸磁性体为基体形成磁流变效应"微磨头"半固着约束聚集游离磨料，运用集群作用原理由多点磁流变效应"微磨头"的阵列组合构成抛光膜，形成磨料均匀弥散分布的黏弹性介质层对磨粒姿态、运动轨迹、滞留时间和磨料浓度的控制，实现工件表面与抛光膜的柔性全面接触，达到高效率超光滑抛光加工的目的。 氧化剂其材料去除率为61nm／min，抛光后表面粗糙度值为Pal．1 am，其表面质量最好，因此，在选择抛光液中的氧化剂时，应满足与SiC晶片反应速度快，反应程度适中，且与氧化剂反应后有利于材料的去除，本文最终选择双氧水作为抛光液的氧化剂，因为双氧水易分解，所以在抛光液中添加稳定剂以防止双氧水过度分解，影响氧化效率。 从而可以得到优化的单晶SiC抛光工作液组分：6wt％金刚石(w1．5)、16wt％溶胶(25wt％的80nm粒径Si02)、双氧水调节PH_ll、抛光温度45℃。 5．10本章小结 本章首先仿真分析集群磁流变的磁场特性，研究集群磁流变的材料去除模型和磨粒运动轨迹模型，然后对单晶6H---SiC基片进行了集群磁流变平面抛光，验证集群磁流变的集群特性，对工艺参数和单晶6H---SiC基片的磁流变液工作液组份进行了优化，最后对单晶6H---SiC基片的集群磁流变材料去除机理进行了分析，提出了一种改进的集群磁流变平面抛光装置，形成了单晶SiC基片的高效超光滑无损伤抛光理论。获得的主要结论如下： (1)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"的实际接触面积达最大化，且磁极之间容易形成流动性好的磨料富集区，有利于"微磨头"磨料的更新，提高研磨抛光效率。 (2)基于Preston方程，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，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，并分析了集群磁流变平面抛光的工件凸点优先去除机理。 (3)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，通过计算机进行仿真分析，得出抛光盘与工件的转速比r、工件与抛光盘的偏心距e、磨粒P与抛光盘中心的距离、摆动幅度A与摆动速度V的比值F等关键因数对抛光效果的影响规律。 (4)利用同向排布的圆柱平底永磁体和环形永磁体构成抛光盘，对K9玻璃、单晶SiC和单晶SiC基片进行抛光，验证了随着磁极直径的增大抛光效果显著、在工件面区域内参与作用的"微磨头"越多抛光效率越显著等集群磁流变特性。 (5)通过对单晶6H---SiC基片的弧形抛光带入口和出口处的三维形貌进行分析，并通过抛光带不同区域的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，并且单晶6H．SiC基片在集群磁流变平面抛光中由于磨料的"容没"效应，磨料对工件的作用力不会过大，表面材料基本在弹塑性变形下去除。 (6)基于正交试验优化了集群磁流变平面抛光工艺，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集群磁流变液组分进行了优化，能获得表面粗糙度为Ra0．293nm的超光滑无亚表面损伤裂纹基片。 (7)设计出能实时产生的变化磁场梳理集群磁流变抛光垫形貌并迫使抛光垫磁性链串的磨料重新分布的抛光垫整形装置，实现无需外力搅拌和循环装置便能对工件进行超光滑平面抛光。