崔嚴(yán)勻，袁敏杰，王訓(xùn)輝，張德偉，張弘毅

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碳化硅襯底平坦化技術(shù)在當(dāng)前有著較為廣泛的研究，包括化學(xué)機械拋光、磁流變拋光、離子束拋光、機械研磨等，通常會對工件造成一定程度的微損傷，本課題研究內(nèi)容主要是為氮化硅等其他硬脆材料的拋光提供理論基礎(chǔ)與，同時為實現(xiàn)碳化硅單晶襯底的超精密拋光提供應(yīng)用價值。

1 試驗原理與方法

1.1 二氧化鈦光催化氧化原理

P25（納米二氧化鈦）受的光子能力比吸閾值的紫外光照射高時，處于價帶的電子會被激發(fā)，從而產(chǎn)生帶間躍遷，也就是從價帶躍遷至導(dǎo)帶，二氧化鈦顆粒表面會產(chǎn)生空穴與光生電子，詳情如圖1所示。與常用的臭氧、過氧化氫、高鐵酸鉀以及高錳酸鉀相比較，標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為3.20V的光生空穴標(biāo)準(zhǔn)更高，而且有著非常強的氧化行，光催化氧化過程的其主要化學(xué)反應(yīng)公式如圖2所示。光生空穴能夠?qū)⒍趸侇w粒表面吸附的OH-與H2O進行氧化，從而生成強氧化性的羥基自由基。如果及時中和二氧化鈦表面的光生空穴，則能夠有助于二氧化鈦表面的羥基自由基與光生空穴氧化碳化硅。氧化產(chǎn)物二氧化硅的硬度為莫氏7.0，遠(yuǎn)比碳化硅要低，在拋光機械的摩擦作用下，是能夠?qū)⑵漭p松去除，從而達到碳化硅晶體表面材料的原子級去除[1]。除此之外，光催化劑二氧化鈦還是一種無毒的粉末狀顆粒，因此不會給環(huán)境以及人體帶來危害[2]。

圖1

圖2

1.2 拋光液氧化性表征試驗

為了對拋光液中所含有的自由基種類進行驗證，實驗時在紫外光照射下，選擇二羥基苯甲酸捕獲拋光液，從而生成羥基自由基?OH，然后二羥基苯甲酸與其產(chǎn)生反應(yīng)時，會生成紫色中間物，反應(yīng)式如圖3所示。拋光液的氧化能力表征通過光降解染料方法來予以實現(xiàn)，采用甲基紫作為試驗的有機顯色劑，TiO2與紫外光產(chǎn)生作用后，生成羥基自由基?OH，然后與甲基紫發(fā)生自由基進行氧化反應(yīng)，然后對褪色時間進行對比，從而能夠?qū)伖庖貉趸詮娙踹M行確定，拋光液組成成分如圖4所示，光催化劑TiO2納米粒子粒徑比較小，表面能比較大，所以非常容易出現(xiàn)團聚情況，因此通過超聲波將配置好的溶液振動30min來振散團聚的光催化劑納米粒子，并與PH值調(diào)節(jié)劑、電子俘獲劑以及分散劑進行均勻混合[3]。圖5為拋光液氧化性檢測裝置，在防紫外線箱體內(nèi)部的攪拌器放置配置好的溶液，然后將其勻速攪拌，在穩(wěn)定攪拌速度后，將汞燈開啟，每隔1min便對其進行一次拍照，拍照過程中，需要將紫外光防護鏡佩戴完善，然后根據(jù)照片顏色來進行提取，并對溶液褪色情況進行對比[4]。溶液配比正交試驗因素表如圖6所示，每組試驗滴加等量的有機顯色劑甲基紫。

圖3

圖4

圖5

圖6

1.3 研磨、拋光試驗設(shè)計與檢測方法

將2英寸4H－SiC晶片作為試驗對象，初始碳化硅表面形貌如圖7所示，能夠發(fā)現(xiàn)初始碳化硅表面不僅粗糙，同時還存在許多線切割時留下的粗糙峰與切痕。通過直接拋光方法對碳化硅進行加工，當(dāng)表面粗糙度為Ra=56nm時，表面殘留非常多的切痕，所以在達成全局納米級粗糙度是存在非常大的困難，因此可以利用研磨方法來粗加工碳化硅表面，光催化輔助化學(xué)機械拋光原理如圖8所示[5]?？傮w實驗分為粗磨、精磨、粗拋以及精拋4道工序，研磨實驗使用玻璃拋光盤，研磨盤的轉(zhuǎn)速為40r/min，研磨盤壓力為0.025MPa；拋光實驗采用聚氨酯拋光墊，拋光盤轉(zhuǎn)速為70r/min，拋光盤壓力為0.02MPa，紫外光功率為1000W，紫外光波長為200-400nm。對碳化硅晶片拋光前、拋光后的質(zhì)量進行測量，測量儀器為精密電子天平，型號為Sartorius CP225D，然后獲得碳化硅晶片的材料去除量。通過奧林巴斯OLS4100光學(xué)顯微鏡來分析碳化硅晶片的表面形貌特征；對碳化硅晶片表面粗糙度進行測量，測量儀器為Zygo Newview5022型表面輪廓儀，在1/2晶片直徑圓周上取3個等分點，然后對其進行測量，并計算測量后的平均值；精拋后，利用XE－200型原子力顯微鏡對碳化硅表面粗糙度進行檢測[6]。

圖7

圖8

2 結(jié)果

2.1 拋光液氧化性表征試驗結(jié)果

在光催化氧化降解甲基紫過程中，各影響因素主次排序由高到低分別為A、C、B，最優(yōu)組合為A2B2C3；拋光液氧化性過程中，影響最大的為光催化劑，其次為電子俘獲劑，最后是分散劑，最優(yōu)組合為過氧化氫1.5 mol?L－1，六偏磷酸鈉0.1 g?L－1，二氧化鈦0.5 g?L－1，詳情如表1所示。

表1 拋光液氧化性表征試驗結(jié)果

2.2 極限表面粗糙度與最短加工時間的確定

對單晶碳化硅晶片進行5μm金剛石微粉研磨，隨后通過表面粗糙度跟蹤檢測法來獲取碳化硅表面粗糙度值Ra變化曲線，詳情如圖9所示。由于5μm金剛石微粉有著較大的硬度，同時粒度比較大，擁有非常大的沖擊作用，因此在研磨過程中，5μm金剛石微粉會一定程度的損傷碳化硅表面，因此表面粗糙度呈現(xiàn)出增大的趨勢，但對碳化硅表面殘留的線切割痕能夠快速去除。本次研究獲得的表面粗糙度值Ra在140nm左右[7]。粗研磨單晶碳化硅表面粗糙度變化曲線如圖10所示，其曲線拐點主要為t=30min，Ra=30nm左右。對碳化硅表面進行30min的再加工，其粗糙度值基本保持不變，因此可以認(rèn)為2μm金剛石微粉精磨所能夠達到的極限值為Ra=30nm，所以30min是最優(yōu)的加工時間。粗拋光單晶碳化硅晶片表面粗糙度變化曲線如圖11所示，碳化硅表面粗糙度值在紫外光的照射下有著較快的下降趨勢，單晶碳化硅拋光50min后便能夠成為一級表面，即Ra＜10nm，單晶碳化硅在拋光60min后，碳化硅表面質(zhì)量維持在Ra=3nm左右，不會繼續(xù)顯著提高，該工藝最優(yōu)加工時間為60min。0.05μm氧化鋁微粉精拋后，表面粗糙度的變化如圖12所示，在紫外光的照射條件下，碳化硅表面粗糙度拋光50min后，Ra溫定在0.5nm左右，50min為最優(yōu)加工時間，在無光照的情況下，材料去除率較小，拋光120min為0.008μm/h，表面粗糙度Ra＞2nm，因此需要更長的時間來進行碳化硅表面粗糙度的降低[8]。

圖9

圖10

圖11

圖12

2.3 單晶碳化硅加工工藝的確定

優(yōu)化的組合加工工藝如表2所示。

2.4 優(yōu)化工藝加工的碳化硅表面粗糙度和材料去除率

如圖13所示，能夠?qū)υ囼灥目芍貜?fù)性進行驗證。粗大、鋒利的磨粒有助于碳化硅晶片材料的去除，所以碳化硅晶片的材料去除率會隨著磨料粒徑的減小而下降。在進行60min的粗拋光與50min的精拋光，表面粗糙度由精磨后的32.25nm下降至0.47nm從而實現(xiàn)了單晶碳化硅表面光整。

圖13

3 結(jié)束語

碳化硅表面質(zhì)量與拋光效率的重要因素為光催化輔助化學(xué)機械拋光液，其最優(yōu)配比方案為過氧化氫1.5 mol?L－1，六偏磷酸鈉0.1 g?L－1，二氧化鈦0.5 g?L－1；光催化輔助化學(xué)機械拋光與機械研磨的高效組合工藝為30min的5μ金剛石粗研磨、30min的2μ金剛石精研磨、60min的0.5μm氧化鋁與光催化輔助拋光液的粗拋光、50min的0.05μm氧化鋁與光催化輔助拋光液的精拋光；有紫外光照射的光催化輔助化學(xué)機械拋光過程明顯優(yōu)于無紫外光的拋光效果，并且紫外光照射拋光后有著表面光滑平整，且無腐蝕坑、明顯劃痕等特點。