趙衛(wèi) 豆立博 劉玲

摘要：碳化硅作為新興的一種第三代半導(dǎo)體材料，現(xiàn)已在電力電子行業(yè)得到非常廣泛的應(yīng)用。碳化硅應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢必然會(huì)對晶片表面狀況有著越來越高的要求，而這將是目前亟待解決的問題。本文簡單介紹機(jī)械拋光、機(jī)械化學(xué)拋光、重點(diǎn)分析磁流變拋光技術(shù)原理，并通過大量試驗(yàn)得到碳化硅晶片通過磁流變拋光技術(shù)無論是晶片表面狀況還是工作效率均有了很大的提高，這對該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中有很好的指導(dǎo)和參考意義。

Abstract： As one of the third generation semiconductor materials， silicon carbide has been widely used in the power electronics industry. The development trend of silicon carbide application technology is bound to have higher and higher requirements on the wafer surface condition， which will be an urgent problem to be solved. This paper introduces the mechanical polishing， chemical mechanical polishing， focuses on the analysis of principle of magnetorheological polishing technology， and through a lot of experiments obtained by silicon carbide wafer magnetorheological polishing technology regardless of wafer surface conditions or the working efficiency has been greatly improved， it should be used in the actual production has a good guide and reference for the technology.

關(guān)鍵詞：碳化硅；晶片表面；磁流變拋光

Key words： SiC；wafer surface；magnetorheological finishing

中圖分類號(hào)：O786 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）11-0222-02

0 引言

碳化硅半導(dǎo)體材料作為繼第一代和第二代半導(dǎo)體材料后快速發(fā)展起來的第三代寬帶隙半導(dǎo)體核心材料，具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率大、擊穿電場強(qiáng)度高、相對介電常數(shù)低、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。碳化硅單晶材料屬典型的硬脆材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，常溫下幾乎不與其他物質(zhì)反應(yīng)，因此較難獲得高精度無損傷的晶片表面。但是高性能的碳化硅電子器件必須要求碳化硅原始晶片表面粗糙度在納米級(jí)別、平面度好、表面不能存在明顯缺陷；否則會(huì)導(dǎo)致使晶體的結(jié)晶構(gòu)造發(fā)生變化，進(jìn)而對器件的電學(xué)性能造成很大的影響。因此，碳化硅單晶材料的加工工藝技術(shù)直接制約著碳化器件的發(fā)展，而如何獲得高質(zhì)量的SIC晶片表面也成為目前急于解決的問題。

1 常見的拋光技術(shù)簡單介紹

目前常見的碳化硅單晶材料表面處理方法主要分為機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光，而磁流變拋光現(xiàn)階段還很少應(yīng)用到碳化硅單晶材料表面處理。下面就幾種處理方法做簡單介紹：

機(jī)械拋光主要是指在拋光盤上粘貼較軟的拋光墊材料，晶片在一定的壓力下使得拋光液和晶片相互接觸磨切，通過機(jī)械作用將磨損層去除。械拋拋光效率較高、一致性好、表面平整度高，但表面光潔度差，損傷層深。

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是將拋光液的化學(xué)作用和磨粒與拋光盤之間的機(jī)械作用相結(jié)合，通過研磨液以及機(jī)械研磨的作用使得反應(yīng)物從晶片上分離開來。在進(jìn)行碳化硅晶片的化學(xué)機(jī)械拋光過程中，必須使得晶片表面的化學(xué)反應(yīng)速率和機(jī)械加工的速率相互達(dá)到一種平衡，只有這樣加工后的晶片表面質(zhì)量才會(huì)較好，否則晶片表面缺陷較多。其拋光效率較低但拋光后晶片表面狀況良好。

磁流變拋光是一種通過磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的柔性“小磨頭”與晶片表面之間快速相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的作用于晶片表面上的很大的剪切力，來去除工件表面材料的技術(shù)。利用磁流變技術(shù)加工，具有“拋光頭”不會(huì)變鈍或變形，流動(dòng)液體實(shí)時(shí)適合零件復(fù)雜形面的變化而變化。其加工效率很高而且拋光后晶片表面狀況良好。

2 磁流變拋光技術(shù)工作原理

磁流變拋光（英文名稱：Magnetorheological finishing）技術(shù)是近期發(fā)展起來的一種利用電磁理論、流體力學(xué)、分析化學(xué)等理論綜合在一起形成的先進(jìn)精密加工技術(shù)。

磁流變拋光技術(shù)的原理是：以磁性顆粒、基液、表面活性劑、拋光粉攪拌均勻后制成磁流變拋光液在外部施加的可控磁場作用下，它的鏈化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并在梯度磁場區(qū)域從液體迅速變硬從而形成硬度可變的磁流體。磁流體與晶片相接觸的地方形成一個(gè)類似與小磨頭形狀的拋光粉聚集體，通過相互摩擦接觸對晶片產(chǎn)生一定的剪切力，最終實(shí)現(xiàn)對晶片表面的加工拋光。

如圖1所示，磁流變拋光液位于晶片和拋光盤之間，磁極位于拋光盤下方，在晶片和拋光盤之間形成一個(gè)高梯度磁場。當(dāng)拋光盤上的磁流變液隨拋光盤一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，高梯度磁場使磁流變拋光液凝聚、變硬，形成一種半固體，通過高速運(yùn)動(dòng)相互摩擦使晶片的表面材料被去除，達(dá)到材料微納米級(jí)去除的目的。

研究表明，磁流變拋光對材料的去除服從Preston方程，材料去除量可表示為：

R=KPVT

式中：K為 Preston系數(shù)；

P是磁流變拋光頭對工件表面的拋光壓力；

V是柔性磨頭與工件表面的相對運(yùn)動(dòng)速度；

T是拋光時(shí)間。

磁流變液對工件的拋光壓力由流體動(dòng)壓力、磁場產(chǎn)生的壓力、磁流變液的浮力組成，其中磁流變液的浮力影響較小，可以忽略不計(jì)。這表明，影響工件材料去除率的因素很多，不但與磁流變液對工件表面的壓力有關(guān)，而且與載液輪和工件表面的相對運(yùn)動(dòng)速度、拋光駐留時(shí)問等有關(guān)。與P有關(guān)的磁流變拋光工藝參數(shù)有磁場強(qiáng)度、拋光輪與工件的間隙、磁流變液成分等。

根據(jù)Prsoetn方程得知相對速度越高，磁流變拋光去除效率越高。但是，在其他實(shí)驗(yàn)條件固定的情況下，過高的相對速度不利于獲得較好的表面粗糙度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，為了得到理想的工件粗糙度，相對速度應(yīng)控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)膮^(qū)域范圍，因此，不同的拋光階段，工件自轉(zhuǎn)頻率和拋光輪轉(zhuǎn)速都應(yīng)選取一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

在磁流變拋光中，可以通過改變駐留時(shí)間來控制工件表面的去除量，因?yàn)椴牧系娜コ颗c駐留時(shí)間近似呈線性關(guān)系。

3 試驗(yàn)

本文將磁流變拋光工藝技術(shù)應(yīng)用與碳化硅晶片表面的加工，通過實(shí)驗(yàn)探索合適的工工藝參數(shù)，并最終制定了采用磁流變技術(shù)加工碳化硅晶片的拋光工藝。

通過理論分析和大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對碳化硅晶片拋光表面粗糙度影響的主次關(guān)系是磁場強(qiáng)度>間隙>主軸轉(zhuǎn)速>拋光粉濃度。對拋光效率影響的主次關(guān)系是，主軸轉(zhuǎn)速>磁場強(qiáng)度>拋光粉濃度>間隙。由于在磁流變拋光過程中，影響表面粗糙度的主要指標(biāo)有主軸轉(zhuǎn)速、拋光時(shí)間、運(yùn)動(dòng)盤的速度、工件與運(yùn)動(dòng)盤所形成的間隙、磁場強(qiáng)度以及磁流變液、拋光粉的濃度等?，F(xiàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得出的各個(gè)影響因素對拋光效率和表面質(zhì)量的具體影響，確定了恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，一般達(dá)到同樣的表面拋光質(zhì)量，磁流變拋光僅需要50分鐘左右的時(shí)間就能拋光結(jié)束，而化學(xué)機(jī)械拋光卻需要不間斷拋光4小時(shí)左右才可拋光結(jié)束。

通過圖2、圖3可以看到，化學(xué)機(jī)械拋光只能將晶片表面粗糙度加工到3-10nm左右，而磁流變拋光在碳化硅晶片上可以加工的最小表面粗糙度已能達(dá)到0.7nm。

相對機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光，磁流變拋光不僅可以迅速降低表面粗糙度，使工件表面在短時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到較好的表面質(zhì)量，而且拋光效率大大提高。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)表明，碳化硅晶片使用磁流變拋光技術(shù)不僅可以迅速降低表面粗糙度，使工件表面在短時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到較好的表面質(zhì)量，而且可以大大節(jié)省時(shí)間，提高工作效率，這對該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到工藝生產(chǎn)中有很高的指導(dǎo)意義。

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