星空体育:单晶SiC基片的化学机械抛光技术研究进展
文章出处:本站 人气:发表时间:2024-05-09 16:02
邓家云,潘继生,张棋翔,郭晓辉,阎秋生
(广东工业大学 机电工程学院,广州 510006)
摘要单晶SiC因其优异的物理化学性质而成为重要的外延衬底材料,广泛应用于卫星通信、集成电路和消费电子等领域。衬底外延生长需要单晶SiC具有较低的加工表面损伤和残余应力的超光滑平坦表面,其表面质量决定了后续的外延层质量并最终影响器件的性能。化学机械抛光(CMP)是目前实现单晶SiC基片超精密加工的一种常用且有效方法。我们综述了单晶SiC基片化学机械抛光加工的研究现状,根据加工原理进行归类并分析了各种类别的优缺点及运用局限,指出了其在化学机械抛光领域的发展前景。
关键词单晶SiC;化学机械抛光;材料特性;去除机理
单晶SiC作为典型的第三代半导体材料,相较于第一代、第二代半导体材料,具有宽禁带、高击穿强度、高热导率、高饱和电子速率和强辐射能力;同时,还具有高硬度(莫氏硬度为9.6,仅次于金刚石)、高弹性模量、耐高温以及更稳定的化学性质(很难与强酸或强碱发生反应,在常温下能抵抗一般的酸性腐蚀剂)等特点,目前已被广泛应用于卫星通信、集成电路和消费电子等领域。未来作为功率器件也将在5G通讯、电动汽车、智能电网、物联网等领域扩展其用途,成为制造半导体器件的核心,具有重要的应用价值和广阔的发展前景。
单晶SiC要成为半导体器件的衬底(简称基片)需要经过切割、研磨、抛光等机械加工过程,加工工艺决定了基片的表面质量。而在SiC基片的制备过程中,需要利用基片和外延材料之间晶格结构的繁衍性,在SiC基片表面外延生长一层或几层具有特殊载流子浓度或迁移率的外延层,并且需要此外延层与基片原子排列具有同质或异质结构。如果SiC基片表面有残留的损伤层,将导致外延层原子排列无序,影响外延层的质量,进而影响最终器件的性能。因此,作为SiC半导体器件的基片,需要控制基片表面厚度变化小于1 μm、Si面的表面粗糙度(Ra)≤0.3 nm、C面Ra ≤0.5 nm,且保证加工表面低加工损伤和残余应力,同时还需要基片表面具有很好的几何完整性和性能完整性。
为了获得高质量的基片,研究者提出了多种超精密抛光加工方法。但化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)是目前实现单晶SiC超精密加工的一种有效且常用的方法,也是单晶SiC基片加工的最后一道工艺,是保证被加工基片表面实现超光滑、无缺陷、无损伤的关键。CMP是利用与被加工基片相匹配的抛光液在基片表层发生快速化学作用,形成一层相对于基体硬度较软、强度较低、结合力较弱的表面软化层;然后通过抛光垫与被加工基片之间的相对运动,利用抛光液中的磨料和抛光垫对被加工基片表面进行机械去除,降低抛光作用力而获得高品质的加工表面。该方法是借助磨料机械作用及化学作用的协同来完成微量材料去除,能够避免依靠单纯使用机械抛光作用造成的加工损伤和单纯使用化学抛光作用造成的抛光效率低、表面平整度和抛光一致性差等缺点。
因此,根据发生化学反应方式的不同,分类综述了目前用于单晶SiC基片加工的各种化学机械抛光的研究现状,介绍了各类化学机械抛光的加工原理,分析了其运用局限及存在的问题,并对化学机械抛光的可能发展趋势进行展望。
1 单晶SiC的晶型及应用
SiC是由碳原子(C)与硅原子(Si)以共价键形式结合而成,每个C原子周围通过共价键形式连接4个Si原子,每个Si原子周围连接4个C原子,其中Si—C键为单键,形成不同的密排方式。根据碳硅原子对密排方式的不同,现已发现约二百五十种不同晶型的单晶SiC原子结构,但目前能稳定存在的晶型只有以3C-SiC代表的立方密排晶型结构、以2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC代表的六方密排晶型结构和以15R-SiC代表的菱形密排晶型结构等少数几种。而不同的晶型结构决定了其半导体特性的差异,但目前最常见、应用最广泛的是4H和6H这2种晶型的单晶SiC,其晶型结构如图1所示,这样的密排方式致使SiC硬度大、耐磨性好、化学性质稳定。
根据目前的研究,4H-SiC由于禁带宽度大特别适合用于高能器件的IC基片,制备高能、高频、高温、大功率微电子器件,用于航天工程、国防安全等领域;而6H-SiC由于高热导率特别适合高亮度LED、LD等光电子的外延基片,用于承受高压、高温、高亮度的显示、照明等领域,实现全彩显示。
2 单晶SiC的化学机械抛光方法
在单晶SiC的CMP范畴内,根据发生化学反应方式的不同,CMP可以分为传统CMP、等离子辅助抛光(plasma assisted polishing,PAP)、催化剂辅助刻蚀(catalyst-referred etching,CARE)、紫外光辅助化学机械抛光(ultraviolet assisted CMP,UV-CMP)、基于芬顿反应的化学机械抛光(Fenton-CMP)、电化学机械抛光(Electro-CMP,ECMP)、化学机械磁流变复合抛光 (chemo-mechanical magnetorheological finishing,CMMRF) 等,这些加工方法都有各自的特点,其加工能力也有所不同。
但在目前的加工工艺中,单独针对某一晶型单晶SiC基片加工的工艺鲜有报道,大部分工艺都是针对所有常用晶型SiC进行加工。
2.1 传统CMP
传统CMP常采用SiO2硅溶胶抛光液在较软的抛光垫上抛光单晶SiC基片[5]。其作用机理为:经过切割、研磨或机械抛光的SiC基片Si面Si原子有3个键牢牢与3个C原子相连,其中1个Si原子暴露在外形成Si的悬键,该键容易与外界其他原子反应而重构或者去除,尤其在碱性抛光液中,会削弱Si与C之间的键,基片的Si原子与氢氧根(OH-)发生硅氧化水反应,如式(1)所示,将坚硬的SiC基片氧化,随后通过磨料去除作用实现超精密加工。
(1)
CHEN等[19]以强碱KOH和粒径为50 nm硅溶胶抛光液对单晶6H-SiC进行抛光,结果表明:在同样的加工条件下,Si面和C面的加工效果不尽相同。抛光后在2 μm×2 μm的区域内,Si面的面型精度(root mean square,RMS)达到0.096 nm,材料去除率(material remove rate,MRR)为153 nm/h;而C面的RMS为1.66 nm,MRR仅为6 nm/h。为了研究抛光液酸碱性对抛光效果的影响,AIDA等对SiC进行了传统CMP试验,研究发现:在传统CMP中,最大影响因素为抛光液的pH,碱性抛光液适合抛光SiC基片的Si面,酸性抛光液更适合抛光C面。为了提高SiC的MRR,SU等在传统CMP中采用Al2O3磨料对单晶6H-SiC基片进行抛光,研究了pH值、磨料粒径和浓度、分散剂和氧化剂浓度等对MRR的影响规律。结果表明:随着pH值、磨料粒径和浓度、分散剂和氧化剂浓度的增大,Si面和C面的MRR先增大后减小,在一定区间范围内,存在最优值。在pH值9~12范围内,Si面在pH值为10时MRR最大值为64 nm/h,C面在pH值为11时MRR最大值为360 nm/h,其C面的MRR是Si面的5.8倍,这一结论与CHEN等的结论有所不同。其主要原因在于,在传统CMP中,存在着化学作用与机械作用的协同,不同的抛光液组分,基片的MRR不同。为了研究抛光液组分对抛光效果的影响,HEYDEMANN等对单晶6H-SiC的Si面进行了传统CMP试验,研究发现:单独使用直径为60 nm的胶状SiO2为磨料时,MRR为60 nm/h,抛光后的Ra由7.5 nm降为6.83 nm;向胶状SiO2抛光液中加入浓度为10%、直径为0.1 μm金刚石磨料时,MRR为600 nm/h,抛光后Ra由7.5 nm降为5.5 nm,MRR提高了10倍;当向胶状SiO2浆料中加入浓度为10%、直径为0.1 μm金刚石磨料和浓度为10%的NaOCl氧化剂时,MRR为920 nm/h,抛光后的Ra由6.80 nm降为0.52 nm;其MRR提高了15倍。
由于SiC的高硬度和高化学稳定性,使用传统CMP法的MRR较低(<1 000 nm/h)。另外,在传统CMP中,需要使用表面质地疏松(多孔结构)和一定表面结构的抛光垫输送抛光液(如图2a所示)。但随着抛光过程的进行,抛光垫本身磨损和微观形变以及磨屑对抛光垫表面微孔的填充,使抛光垫表面变得平滑产生“釉化”现象(如图2b所示)。因此,需要不断重复修整抛光垫以维持其表面性能,同时,抛光液一次性使用,抛光废液需要专门工艺无害化处理。
2.2 等离子辅助抛光
PAP法将反应气体(如CF4、He、O2等)引入由施加高频电源(RF)产生的等离子体(如大气压水蒸汽等离子体、氢等离子等)区域内生成具有强大改性特性的活性自由基(如·F、·OH等)。通过活性自由基对单晶SiC进行表面改性,在SiC表面生成氧化层(如SiO2、Si4C4-XO2、SiF4等),然后通过软磨料(如CeO2、Al2O3等)对生成的氧化层进行抛光去除以获得高表面质量的单晶SiC基片,其加工原理如图3所示
WANG等以CF4为反应气体在大气压等离子体内利用自行设计的等离子抛光设备对SiC基片抛光,获得了Ra为0.456 nm的亚纳米级表面。YAMAMURA等通过施加高频(f=13.56 MHz)电源产生大气压等离子体,利用流速为1.5 L/min的氦基大气压水蒸气(氦气含量为:1.7%~2.6%)等离子体对4H-SiC基片进行了氧化照射试验。氦基大气压水蒸气等离子体照射后产生的活性·OH将4H-SiC基片的表面氧化成SiO2氧化层,使其硬度从37.4 GPa降低到4.5 GPa;然后以CeO2为磨料,利用自行设计的抛光装置对4H-SiC基片进行了抛光加工,获得了RMS为0.3 nm的无划痕表面。DENG等结合大气压水蒸气等离子体氧化的干抛光技术(反应气体:流速为1.5 L/min的氦基大气压水蒸气(氦气含量为:2.04%)),以CeO2为磨料对4H-SiC基片进行了抛光加工试验,获得了RMS为0.1 nm、MRR为0.2 nm/h的无划痕表面。同时,研究还发现,在抛光过程中,由于水蒸气等离子体对4H-SiC基片的氧化速率低于磨料对基片的抛光速率,导致水蒸气等离子辅助抛光SiC的MRR很低。为了提高等离子体的氧化速率,提高SiC的MRR,DENG等又分别对4H-SiC基片进行了水蒸气等离子体氧化(反应气体:流速为1.5 L/min的氦基大气压水蒸气,氦气含量:1.7%~2.6%)和热氧化(反应气体:1 100 ℃干氧气)的试验研究。结果表明:水蒸气等离子体对基片的初始氧化速率(185 nm/h)远高于热氧化(29 nm/h)的速率。在抛光过程中,同时进行水蒸气等离子体氧化与抛光,当基片表面被氧化时,氧化层立即被去除,初始氧化速率决定MRR。相反,在热氧化过程中,受反应气体性质影响,氧化速率低,导致MRR低。
在PAP中,单晶SiC基片的MRR受等离子体产生的活性自由基和磨料的机械去除作用影响,由于活性自由基的生成速率较慢,导致基片表面生成氧化层的速率较慢;同时,由于是软磨料去除,导致了单晶SiC基片的MRR特别低;另外,由于试验设备昂贵,加工成本高,这严重限制了PAP技术对单晶SiC基片的加工应用。
2.3 催化剂辅助刻蚀
CARE法是通过在抛光垫中加入铂(Pt)作为催化剂,氢氟酸(HF)或纯净水(H2O)为刻蚀剂,在催化剂的作用下,HF电离出氟离子(F-)、氢离子(H+)和活性物质(h+),水分解成·OH、H+和h+,生成的活性物质与单晶SiC发生反应生成SiO2氧化层,SiO2与HF发生反应生成氟硅酸(H2SiF6)而被去除,最终实现SiC的超精密加工。其原理及反应式如图4及式(2)-式(5)所示。
8H+→4H2+8h+ (2)
2O2+8H+→4H2O+8h+ (3)
SiC+4H2O+8h+→SiO2+CO2+8H+ (4)
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O (5)
HARA等利用此方法对4H-SiC基片在最优加工条件下进行了加工,获得了RMS为0.093 nm、Ra为0.076 nm、MRR为100~200 nm/h的原子级无划痕表面;OKAMOTO等利用CARE对直径为50.8 mm 的4H-SiC基片进行了加工,在整个面域内获得了RMS小于0.1 nm的平坦表面;另外,OKAMOTO等为了提高CARE对4H-SiC基片的MRR,进行了工件转速、抛光盘转速、抛光压力试验。结果表明:随着工件转速和抛光盘转速的提高,MRR提高,在转速为25 r/min时,其MRR最大为230 nm/h。随着抛光压力的提高,MRR也提高,在抛光压力为98 kPa时,获得了MRR最大为150 nm/h。在转速为25 r/min、抛光压力为98 kPa时,对基片加工15 min,在整个面域内获得了RMS为0.080 nm、MRR为492 nm/h的原子级无划痕表面;ISOHASHI等为了验证CARE对不同尺寸4H-SiC基片加工的有效性,在相同条件下分别对直径为50.8 mm、71.2 mm、101.6 mm、152.4 mm的基片进行了加工,分别获得了RMS为0.072 nm、0.085 nm、0.088 nm、0.217 nm,MRR为16 nm/h、16 nm/h、25 nm/h、20 nm/h的原子级无划痕表面,证明了CARE对加工不同尺寸基片的有效性。另外,PAN等利用超纯水替换氢HF作为刻蚀剂,利用CARE对直径76.2 mm的4H-SiC基片在加工压力为40 kPa、催化剂为Pt片、转速为10 r/min的加工条件下进行了加工,获得了RMS为0.082 nm、MRR为13.4 nm/h的原子级无划痕表面,证实了超纯水也可以用于CARE加工SiC的刻蚀剂。
在CARE方法中,通过采用Pt催化剂来催化HF和H2O产生活性物质,同时,该方法不需要添加磨料,节约了加工成本。但由于活性物质的寿命极短,只能在与催化剂接触的基片表面形成刻蚀作用,由于没有磨料的机械去除作用,导致MRR仍然较低。
2.4 紫外光辅助化学机械抛光
为了提高MRR,有研究者提出了UV-CMP法,将紫外光辐射与氧化剂结合使用,以催化剂作为紫外光的吸收剂,在紫外光的辐射下,催化剂发生能级跃迁产生电子(e-)-空穴(h+)对,氧化剂产生活性自由基(如·OH等),两者的产物共同对单晶SiC基片进行氧化作用,在基片表面生成氧化层,然后在机械作用下把氧化层去除,以实现基片的超精密加工。其加工原理如式(6)~式(9)和图5所示。
TiO2+hv→h++e- (6)
H2O2+hv→H2O+O2 (7)
H2O+hv→2·OH (8)
SiC+4·OH+O2→SiO2+CO2+2H2O (9)
目前常用的催化剂主要有:TiO2、ZnO、SnO2、ZrO2,CdS等多种氧化物、硫化物。其中TiO2因其氧化能力强,化学性质稳定且无毒,被广泛用于UV-CMP的催化剂。常用的氧化剂主要有H2O2、KMnO4、O3、F2等,另外,H2O在紫外光催化TiO2下也会生成·OH。
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