【摘 要】
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单晶4H-SiC适合制备耐高压、高频的功率器件,可降低下游产品能耗、减少终端体积,常用于光微电子、新能源汽车、卫星通讯、5G基站等新兴领域,由于具有高脆硬性,在加工中易出现损伤和裂纹。化学机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing,CMP）技术是唯一能够实现晶圆全局平坦化的有效手段。目前,碳化硅晶圆的抛光效率远低于硅片水平,其抛光机理尚未有统一定论,研究人员大多通过半经验
【基金项目】
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中国博士后科学基金资助项目:单晶碳化硅超声辅助光催化抛光去除机理及工艺研究（2022M712923）； 河南省重大科技专项项目:高端超硬材料制品关键技术研究及产业化（221100230100）； 郑州市重大科技专项项目:高端超硬材料及制品关键技术研究与工程化应用（2021KJZX0062）； 河南
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单晶4H-SiC适合制备耐高压、高频的功率器件,可降低下游产品能耗、减少终端体积,常用于光微电子、新能源汽车、卫星通讯、5G基站等新兴领域,由于具有高脆硬性,在加工中易出现损伤和裂纹。化学机械抛光（Chemical-Mechanical Polishing,CMP）技术是唯一能够实现晶圆全局平坦化的有效手段。目前,碳化硅晶圆的抛光效率远低于硅片水平,其抛光机理尚未有统一定论,研究人员大多通过半经验手段进行抛光参数设定,工艺控制技术还不够成熟。本文通过理论分析和实验研究,系统分析了工艺参数、抛光液、抛光垫对4H-SiC抛光去除效率和表面粗糙度的影响,获得了碳化硅晶圆高效低损伤加工的优化方案,为满足第三代半导体材料的超精密加工提供了技术支撑。本文首先对CMP材料去除机理及模型进行分析,确定影响碳化硅晶圆抛光效果的关键因素。通过建立运动学模型,分析不同转速比下的相对运动速度及运动轨迹,得到了运动速度分布及轨迹较为均匀的最佳转速比。利用Ansys软件,建立晶圆-抛光垫三维接触模型,分析得到了抛光下压力、摩擦系数、抛光垫材质特性等因素对4H-SiC晶圆表面接触应力分布及分布均匀性的影响规律。采用正交实验法开展抛光工艺实验,研究压力、转速、抛光液流量、磨粒粒度等因素对材料去除率和表面粗糙度的影响规律,确定因素显著顺序,利用多目标优化矩阵分析模型优化抛光工艺参数,通过验证得到:Si面和C面的材料去除率为225.00nm/h和240.74nm/h,相对于正交实验组合,材料去除效率提升了9.1%和14.8%;同时,两个晶面抛光后的表面质量也有所提升。采用单因素实验法,研究不同抛光液、磨料类型及抛光垫材质特性对材料去除率和表面粗糙度的影响规律。结果表明:在CMP过程中,抛光液的分散稳定性对抛光效果有一定影响;使用金刚石磨料得到的材料去除效果大于二氧化硅磨料,但抛光后的表面质量较差;使用聚氨酯抛光垫得到的材料去除率大于磨砂革和合成革,但抛光后的表面质量略低于磨砂革与合成革。通过开展不同磨粒组合抛光实验,得到了二氧化硅与金刚石磨粒的抛光特性,依据其特性制定出优化方案,构建了组合抛光工艺模型,获得二氧化硅与金刚石磨粒组合抛光的最佳抛光效果。然后,对两种不同磨粒抛光液氧化腐蚀性能进行SEM与EDS测试,分析了不同抛光方式下的材料去除机理。在此基础上,形成了碳化硅晶圆高精度、高效率的组合抛光方法,在抛光精度一定的条件下,该方法的加工效率提高了16%,验证了组合抛光方法的可行性,为第三代半导体晶圆的高效超精密加工提供了新的技术思路。
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