基于芬頓反應的單晶SiC化學機械拋光加工研究.pdf

1、單晶SiC作為第三代半導體材料，因具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領(lǐng)域有廣闊的應用前景。作為重要應用之一，用于外延工藝基片的單晶SiC表面要求超光滑、無缺陷、無表面/亞表面損傷，表面粗糙度達到 Ra≤0.3nm，以滿足外延膜生長的需要。但單晶 SiC的硬度高(莫氏

2、硬度9.2)、硬脆性大、化學穩(wěn)定性好等原因，高效超精密平坦化加工SiC難度極大，嚴重制約了SiC半導體器件的應用和發(fā)展。
　　本文通過芬頓羥基自由基（·OH）檢測試驗、SiC氧化反應試驗，驗證了芬頓反應能夠氧化單晶SiC。芬頓反應過程能夠生成氧化性極強的氧化劑—羥基自由基，羥基自由基能夠與單晶SiC發(fā)生化學反應生成氧化層。對氧化層進行XPS物質(zhì)屬性分析發(fā)現(xiàn)，該氧化層為SiO2。氧化層的納米壓痕試驗表明，SiO2氧化層的硬度和模量遠

3、小于原始SiC表面，采用磨粒加工可以很容易去除這層軟質(zhì)氧化層，證實了基于芬頓反應的化學機械拋光方法能夠?qū)尉iC進行超光滑平坦化加工。
　　從化學影響因素角度，針對芬頓反應生成的羥基自由基濃度及其對SiC化學機械拋光的影響進行了系統(tǒng)的實驗研究。比較了羥基自由基濃度對單晶SiC氧化效果的影響，研究了芬頓試劑組份（催化劑種類、Fe2+濃度、pH值、H2O2濃度等）對芬頓反應生成羥基自由基的規(guī)律及其對SiC化學機械拋光的影響。研究發(fā)現(xiàn)

4、羥基自由基濃度越高，SiC表面生成的氧化層越厚，SiC化學機械拋光效果越好、拋光效率越高。芬頓試劑組份為0.02wt.％FeSO4、5wt.%H2O2、pH3時，芬頓反應生成的羥基自由基濃度較高，并能極大促進SiC化學機械拋光，獲得了表面粗糙度Ra0.187nm的超光滑表面。
　　從拋光工藝角度，對磨料種類、磨料濃度、磨粒粒徑、拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進行了單因素實驗，研究對材料去除率和拋光效果的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)選擇硅溶膠磨

5、料、磨料濃度為20%、磨粒粒徑為50nm、拋光壓力為0.02Mpa、拋光轉(zhuǎn)速為60r/min時的加工效果最佳，能夠獲得表面粗糙度 Ra≤0.3nm的超光滑表面。
　　在研究基于芬頓反應SiC化學機械拋光的化學因素和工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析了基于芬頓反應的化學機械拋光的材料去除過程，探究了拋光墊的特性、磨損、接觸變形的作用機理及其對SiC拋光效果的影響，建立了基于芬頓反應的單晶SiC化學機械拋光材料去除模型，揭示了化學機械拋光機理。芬