基于芬頓反應(yīng)的單晶SiC集群磁流變化學(xué)復(fù)合拋光研究.pdf

1、作為第三代半導(dǎo)體材料的SiC因具有導(dǎo)熱能力強(qiáng)、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在LED照明、宇航、汽車電子、計算機(jī)芯片等方面具有良好的應(yīng)用前景。對于SiC晶片而言，要求其表面超光滑、無缺陷，但由于單晶SiC硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，導(dǎo)致SiC晶片的高效超精密平坦化加工難度大、效率低、成本高。因此研究針對SiC晶片超精密拋光加工工藝，降低SiC晶片加工成本，實(shí)現(xiàn)SiC晶片原子級超光滑表面加工是SiC半導(dǎo)體器件應(yīng)用急需解決的

2、關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　本文采用集群磁流變化學(xué)復(fù)合拋光(Chemical Cluster Magnetorheological Finishing，CMRF)方法進(jìn)行單晶SiC的超光滑平坦化加工。由于集群磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的“容沒”效應(yīng)，磨粒對晶片表面的機(jī)械損傷大大降低，可以獲得較低的表面粗糙度;拋光液中羥基自由基(·OH)的氧化腐蝕作用，可以有效提高材料去除效率，使表面粗糙度快速下降。
　　首先針對單晶SiC，研究了催化劑及化學(xué)

3、反應(yīng)條件對芬頓反應(yīng)速率的影響。通過對單晶SiC的化學(xué)腐蝕、化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)，以及催化劑亞鐵離子（Fe2+）濃度檢測研究分析，比對了幾種固相催化劑及液相催化劑對芬頓反應(yīng)的催化效果，結(jié)果表明含F(xiàn)e3O4和H2O2組分的腐蝕液對單晶SiC具有高效化學(xué)作用。研究了固相催化劑作用原理，發(fā)現(xiàn)拋光液中Fe2+離子濃度和穩(wěn)定性是決定芬頓反應(yīng)速率和穩(wěn)定性的重要因素，而固相催化劑電離自由Fe

4、2+能力的差異直接影響了化學(xué)拋光液中的Fe2+濃度。對影響芬頓反應(yīng)速率的重要因素，如催化劑濃度、氧化劑濃度、拋光液pH值、拋光液溫度等進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，分析了化學(xué)作用與機(jī)械去除的協(xié)調(diào)性。
　　對單晶SiC的CMRF工藝進(jìn)行了研究。圍繞影響拋光壓力的因素，以正交試驗(yàn)的形式研究了磁性粒子濃度、催化劑Fe3O4濃度、磁性粒子粒徑、加工間隙等對單晶SiC復(fù)合拋光時材料去除率和表面粗糙度的影響。以單因素實(shí)驗(yàn)研究了磨料種類、磨料粒徑、拋光液流

5、量、加工時間對材料去除率對拋光效果的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)氧化鈰對SiC進(jìn)行CMRF拋光時的材料去除率最高;50nm和W0.5的磨料對單晶SiC進(jìn)行CMRF加工時的去除效率較低;加工表面粗糙度在加工時間60min內(nèi)下降較快，120min可以降到Ra0.16nm。
　　將單晶SiC拋光劃分成了粗拋和精拋兩個階段，比較了CMP、集群磁流變拋光（Magnetorheological Finishing MRF）、CMRF三種拋光在粗拋和精拋時的