单晶SiC磁流变弹性抛光垫制备及其抛光特性研究

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作为第三代半导体材料,SiC具有高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高饱和电子迁移率和低相对介电常数等特点,被广泛应用于5G通讯、智能电网、新能源汽车等领域。SiC应用于电子器件制备和外延膜生长需要无损伤、无缺陷的超光滑表面,但是由于其高硬度、高脆性的物理性质和稳定的化学性质,很难保证在获得高效加工的同时获得高质量表面。化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)被认为是半导体材料全局平坦化最有效的加工技术之一。磁流变弹性体(Magnetorheological elastomers,MREs)作为一种智能材料,可通过调节外加磁场强度控制其材料力学性能。本文提出将MRE作为CMP中的抛光垫,通过外加磁场控制抛光垫的硬度,达到控制抛光过程中的机械去除作用;同时将MRE中的磁性颗粒作为固相催化剂,发生异相芬顿反应氧化SiC表面,降低抛光难度,获得高效材料去除、高质量的抛光表面。首先,根据MRE的磁控原理研究了MRE抛光垫磁致作用下的材料模量变化,根据异相芬顿反应原理分析了MRE表面的磁性颗粒产生·OH的机制,阐述了MRE抛光垫对SiC的加工原理。其次,设计了基于预聚体法的MRE抛光垫制备工艺流程,选取影响MRE磁控性能的制备参数制备了一系列的MRE抛光垫,采用磁控力学性能测试、微观链串结构观察和抛光试验研究了MRE的磁控力学性能和抛光性能。结果表明:磁性粒子CIP比Fe3O4具有更好的磁控性能和抛光性能。CIP质量分数越大,磁控性能越好,抛光效果越好。CIP粒径越大形成的链串越规整,链串数量越少,磁能密度越小,但对磁控力学性能和抛光效果的影响不大。各向异性MRE形成更规整的链串结构,表现出更好的磁控性能和抛光性能。随着抛光磁场强度的增大,MRE材料模量增大,抛光材料去除率增大,抛光SiC的表面质量变好。再次,通过抛光试验、磨屑检测研究了MRE抛光垫的异相芬顿反应抛光特性,建立了材料去除机制。结果表明:在MRE抛光中,使用H2O2抛光液比去离子水抛光液获得了更好的抛光效果,采用H2O2抛光液抛光60 min时,材料去除率为1194.27 nm/h,表面粗糙度为Ra 4.420 nm。磨屑呈现松散层状结构,EDS分析发现磨屑中含有质量分数为38.585 wt%的O元素,XPS证明了松散层状的碎屑有Si O2氧化物,证明MRE抛光垫在抛光过程中发生了异相芬顿反应。在此基础上,通过单因素实验研究了异相芬顿反应参数对抛光的影响规律。固相催化剂Fe3O4比CIP具有更好的异相芬顿反应抛光效果。Fe3O4粒径越小比表面积越大,在粒径为0.3μm时获得了较好的抛光效果。抛光液中H2O2浓度越大,材料去除率越大,表面粗糙度Ra先减小后增大。在p H=3的抛光液中,具有更大的材料去除率和更低的表面粗糙度。最后,研究了MRE磁控-异相芬顿反应复合抛光的材料去除行为。结果表明:在MRE抛光中磨粒机械作用在材料去除中占主导地位(贡献率为63.74%),磁控抛光对材料去除的贡献率为10.99%,异相芬顿反应对材料去除的贡献率为22.02%,磁控和异相芬顿反应交互对材料去除的贡献率很小。通过对单颗磨粒的SiC-磨粒-MRE抛光垫接触状态分析发现,磁控作用下MRE抛光垫硬度的增加和异相芬顿反应下SiC表面硬度的降低,都可使磨粒压入SiC表面的深度增大,产生更大的材料去除。
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