基于主動(dòng)控制反應(yīng)條件方式的SiC材料高效拋光裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及研磨/拋光領(lǐng)域,尤其是一種主動(dòng)控制反應(yīng)條件方式的SiC材料高效拋光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC材料與第一代半導(dǎo)體材料(Ge和Si)、第二代半導(dǎo)體材料(GaAs、InP等)相比具有更優(yōu)異的特性,成為第三代半導(dǎo)體材料。同時(shí)SiC具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率,是制造大尺寸、超高亮度白光和藍(lán)光GaN LED和激光二極管的理想襯底材料,成為光電行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一。SiC半導(dǎo)體器件具有超強(qiáng)的性能和廣闊的應(yīng)用前景,一直以來受到各國高度重視。
[0003]理想的襯底材料基片質(zhì)量要求SiC晶片具有表面超光滑、無損傷,SiC硬度高(莫氏硬度9.2?9.6)和強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性(最小原子間距為1.8A),使得其很難拋光加工,表面經(jīng)常出現(xiàn)一些劃痕和損傷,直接影響發(fā)光二極管的質(zhì)量。目前已開發(fā)的SiC晶片超精密拋光方法設(shè)備,主要包括化學(xué)拋光、催化劑輔助化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、摩擦化學(xué)拋光以及化學(xué)機(jī)械拋光等。
[0004]化學(xué)拋光是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶片表面加工技術(shù),屬于無磨粒的化學(xué)腐蝕過程,如采用ΗΝ03、HF與H2O構(gòu)成拋光液對SiC晶片表面進(jìn)行拋光。催化劑輔助化學(xué)拋光是在化學(xué)拋光時(shí)使用催化劑從而提高SiC材料去除率,屬于無磨料加工方式。電化學(xué)拋光是電化學(xué)氧化和氧化層去除相結(jié)合的加工過程。通過控制拋光時(shí)的電流密度實(shí)現(xiàn)對SiC晶片表面的氧化速率進(jìn)行控制,進(jìn)而提高拋光速率。摩擦化學(xué)拋光是利用摩擦作用使SiC晶片被加工表面產(chǎn)生化學(xué)變化,形成材料去除的拋光方法?;瘜W(xué)機(jī)械拋光是將加工液對SiC晶片表面的化學(xué)作用和磨粒對晶片表面機(jī)械作用相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)光滑無損傷表面的加工方法,并在第一代和第二代半導(dǎo)體材料加工中得到廣泛應(yīng)用。
[0005]傳統(tǒng)的SiC晶片拋光設(shè)備,材料去除率極低,拋光過程中化學(xué)反應(yīng)不可控,因此迫切需要開發(fā)一種過程可控、高效、低成本的SiC基片拋光設(shè)備。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了克服現(xiàn)有的SiC晶片拋光方式的材料去除率極低,拋光過程中化學(xué)反應(yīng)不可控的不足,本實(shí)用新型提供一種材料去除率較高、過程可控、低成本的基于主動(dòng)控制反應(yīng)條件方式的SiC材料高效拋光裝置。
[0007]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于主動(dòng)控制反應(yīng)條件方式的SiC材料高效拋光裝置,包括密封腔體、機(jī)架、拋光盤、工件夾具、堿性拋光液輸入部件和氧化性氣體輸入部件,所述的拋光盤、工件夾具均置于所述的密封腔體內(nèi),所述工件夾具置于所述的拋光盤上方,待拋光的SiC材料裝夾在所述的工件夾具的底面;所述拋光盤安裝在驅(qū)動(dòng)主軸上,所述驅(qū)動(dòng)主軸伸出所述密封腔體的底部,所述驅(qū)動(dòng)主軸與主軸驅(qū)動(dòng)裝置連接;所述的堿性拋光液輸入部件安裝在所述的密封腔體上,所述的堿性拋光液輸入部件上裝有用于控制拋光過程中拋光液的流量的流量調(diào)節(jié)閥;所述的氧化性氣體輸入部件安裝在所述的密封腔體上,所述的氧化性氣體輸入部件上裝有用于控制拋光過程中所述密封腔內(nèi)的氣壓大小的氣壓調(diào)節(jié)閥。
[0009]進(jìn)一步,所述的密封腔體上裝有用以檢測氣壓大小的氣體壓力計(jì)。
[0010]再進(jìn)一步,所述的密封腔體上開有觀察孔。
[0011]更進(jìn)一步,拋光墊粘貼在所述的拋光盤上。
[0012]本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為:雖然SiC的化學(xué)惰性高,穩(wěn)定性好,但是SiC晶體表面的Si面是一層Si的懸掛鍵,其與C的結(jié)合鍵在氧化環(huán)境中易被切斷。拋光過程中,SiC單晶與堿性拋光液中磨粒的摩擦界面上的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為熱能,使界面實(shí)際接觸部位處于高溫高壓狀態(tài),處于這種狀態(tài)的界面是不穩(wěn)定的,SiC極表層的Si原子很容易滲透到堿性拋光液中,并與其中的0!1_反應(yīng)生成溶于水的鹽,其反應(yīng)方程式為:
[0013]S i+2N a0H+H20 = Na2Si03+2H2 ? 。
[0014]如果將反應(yīng)生成物控制在晶體表層一定的厚度內(nèi),同時(shí)因反應(yīng)生成物硬底很低,拋光液中的軟質(zhì)磨粒就可以在不傷及SiC晶片母體的情況下快速去除反應(yīng)生成物,從而可以獲得一般機(jī)械拋光達(dá)不到的無損傷超光滑表面,
[0015]同時(shí),拋光過程拋光液中的02與SiC晶片反應(yīng)表層生成一薄層S12,其化學(xué)反應(yīng)方程式為:2SiC+302 = 2Si02+2C0 ?,或SiC+202 = 2S1 2+C02 ?。由化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知,化學(xué)機(jī)械拋光過程中氧化反應(yīng)速率取決于反應(yīng)過程中的溫度、氣壓等反應(yīng)條件。SiC晶片的熱氧化研宄表明,SiC晶片的表面氧化速率與外部環(huán)境(包括溫度、氣體組份、氣壓等)有關(guān),其中氧化速率與氧化性氣體的氣壓成正比,因此可以通過在環(huán)境中加入氧化性氣體并提尚氧化性氣體的氣壓來提尚SiC晶片表層氧化速率。
[0016]將SiC晶片化學(xué)機(jī)械拋光過程置于一個(gè)氣壓、溫度以及氣體組份可控的密閉環(huán)境內(nèi),向密閉環(huán)境內(nèi)充入氧化性氣體(如O2),調(diào)節(jié)密閉環(huán)境內(nèi)的溫度以及氧化氣體的分壓至高溫高壓狀態(tài)。溫度一定時(shí),氣體在溶液中的溶解度與氣相的分壓成比例關(guān)系。因此,當(dāng)化學(xué)機(jī)械拋光過程處于富含高壓氧化氣體的環(huán)境時(shí),氧化氣體會(huì)大量溶解進(jìn)入拋光液中,并與拋光液中的0Η——起參與對SiC晶片表層的氧化,從而增加SiC晶片表層的氧化速率。拋光液中的02與SiC晶片反應(yīng)表層生成一薄層S12,其化學(xué)反應(yīng)方程式為:2SiC+302 =2Si02+2C0丨,或SiC+202 = 2Si0 2+C02丨。同時(shí),采用催化的方法促進(jìn)SiC晶片表面的氧化反應(yīng)。調(diào)節(jié)密閉環(huán)境溫度和拋光液溫度、輸入氣體組份、氣壓、催化劑等反應(yīng)條件,實(shí)現(xiàn)控制化學(xué)機(jī)械拋光過程中SiC晶片表面的化學(xué)反應(yīng)速率,從而獲得更高的SiC材料去除效率。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果有:1.將SiC晶片拋光過程置于密閉容器內(nèi),通過控制密閉容器內(nèi)的環(huán)境(氣壓、溫度、輸入氣體組成成份、催化劑),實(shí)現(xiàn)SiC拋光過程中化學(xué)作用的可控性;2