基于芬頓反應(yīng)的單晶SiC化學(xué)機(jī)械拋光加工研究.pdf

1、單晶SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，因具備禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)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(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。作為重要應(yīng)用之一，用于外延工藝基片的單晶SiC表面要求超光滑、無(wú)缺陷、無(wú)表面/亞表面損傷，表面粗糙度達(dá)到 Ra≤0.3nm，以滿足外延膜生長(zhǎng)的需要。但單晶 SiC的硬度高(莫氏

2、硬度9.2)、硬脆性大、化學(xué)穩(wěn)定性好等原因，高效超精密平坦化加工SiC難度極大，嚴(yán)重制約了SiC半導(dǎo)體器件的應(yīng)用和發(fā)展。
　　本文通過(guò)芬頓羥基自由基（·OH）檢測(cè)試驗(yàn)、SiC氧化反應(yīng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了芬頓反應(yīng)能夠氧化單晶SiC。芬頓反應(yīng)過(guò)程能夠生成氧化性極強(qiáng)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(xué)反應(yīng)生成氧化層。對(duì)氧化層進(jìn)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(yàn)表明，SiO2氧化層的硬度和模量遠(yuǎn)

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(shí)了基于芬頓反應(yīng)的化學(xué)機(jī)械拋光方法能夠?qū)尉iC進(jìn)行超光滑平坦化加工。
　　從化學(xué)影響因素角度，針對(duì)芬頓反應(yīng)生成的羥基自由基濃度及其對(duì)SiC化學(xué)機(jī)械拋光的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。比較了羥基自由基濃度對(duì)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(duì)芬頓反應(yīng)生成羥基自由基的規(guī)律及其對(duì)SiC化學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)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(shí)，芬頓反應(yīng)生成的羥基自由基濃度較高，并能極大促進(jìn)SiC化學(xué)機(jī)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(duì)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(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)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(shí)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(yīng)SiC化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)因素和工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析了基于芬頓反應(yīng)的化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除過(guò)程，探究了拋光墊的特性、磨損、接觸變形的作用機(jī)理及其對(duì)SiC拋光效果的影響，建立了基于芬頓反應(yīng)的單晶SiC化學(xué)機(jī)械拋光材料去除模型，揭示了化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理。芬