超聲振動(dòng)輔助研磨單晶碳化硅晶片工藝研究＊

郝曉麗，苑澤偉，溫 泉，郭勝利

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

（2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

目前，全球范圍內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭十分強(qiáng)勁，“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，節(jié)能減排，綠色制造”將是未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心[1]。單晶碳化硅作為新興的第三代半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高鍵合能和寬禁帶等良好的材料特性，是各種傳感器件及反射鏡材料的優(yōu)選材料[2-5]。但是表面質(zhì)量過(guò)差，其卓越的性能在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中將無(wú)法體現(xiàn)，甚至?xí)耆珕适Р牧媳旧砜梢赃_(dá)到的功效。目前能夠?qū)崿F(xiàn)碳化硅全局平坦化的加工方法是化學(xué)機(jī)械拋光，這種加工方法常作為單晶SiC 晶片加工的最終工序[6-7]。

單晶碳化硅晶片是采用金剛石線切割碳化硅晶錠的方式得到的，其表面粗糙度和平整度較差，且存在許多線切割留下的切痕[8]。采用直接拋光的方法加工碳化硅，材料去除率低，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，采用研磨的方法對(duì)碳化硅晶片表面進(jìn)行前期加工，以較快的速度去除線切割留下的損傷層，獲得相對(duì)平整的待拋光表面；然后通過(guò)后續(xù)的拋光降低碳化硅晶片表面粗糙度和去除研磨帶來(lái)的損傷，是一種省時(shí)有效的方法[9-11]。

傳統(tǒng)的研磨方法會(huì)出現(xiàn)磨料團(tuán)聚，磨料分布不均，材料去除率較低等問(wèn)題。通過(guò)超聲振動(dòng)輔助增加研磨液內(nèi)部的能量，不但增加磨料的動(dòng)能，激活更多磨料參與研磨，而且還能避免磨料之間的團(tuán)聚作用，進(jìn)而增加材料的去除率，降低其表面粗糙度。

1 試驗(yàn)原理與裝置

1.1 超聲振動(dòng)輔助研磨原理

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，如圖1所示，在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向與極化的方向相同，電場(chǎng)增大了極化強(qiáng)度，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間的距離增大，使陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變[12-13]。利用這一原理，可將壓電陶瓷片置入拋光頭內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)拋光頭的振動(dòng)，并帶動(dòng)工件振動(dòng)。

圖1 壓電陶瓷片逆壓電效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic sheet

研磨時(shí)施加的超聲振動(dòng)通過(guò)拋光頭的不銹鋼層傳遞到研磨盤與被研磨試件之間的區(qū)域。超聲振動(dòng)作用于研磨區(qū)域的研磨液上，使研磨液中的磨粒分散、更新、攪拌并作用于研磨過(guò)程。在研磨盤與拋光頭做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，連續(xù)補(bǔ)充研磨液，實(shí)現(xiàn)工件的超聲振動(dòng)輔助研磨。

1.2 試驗(yàn)裝置

圖2 為研磨試驗(yàn)裝置示意圖，主要由UNIPOL–1202 自動(dòng)研磨拋光機(jī)、拋光頭、電滑環(huán)、壓電陶瓷片、超聲波發(fā)生器等組成，單晶SiC 片試件通過(guò)石蠟粘貼在拋光頭上，研磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在摩擦力的作用下拋光頭相對(duì)研磨盤做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料去除。壓電陶瓷片通過(guò)超聲波發(fā)生器為拋光頭提供縱向振動(dòng)。搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

圖3 試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Diagram of experimental device

試驗(yàn)選用物理氣相傳輸法生長(zhǎng)的N 型單晶4H–SiC 晶片，如圖4所示。壓電陶瓷片如圖5所示，其頻率為43 kHz，功率為35 W，振幅為3 μm 左右，且將其粘貼固定在拋光頭內(nèi)。研磨盤選用噴砂玻璃研磨盤，其表面形貌如圖6所示。玻璃盤為脆性材料，磨料難以鑲嵌到玻璃盤表面，且經(jīng)過(guò)噴砂的玻璃研磨盤表面粗糙，便于磨料在流體作用下參與研磨。

圖4 單晶碳化硅晶片F(xiàn)ig.4 Single crystal silicon carbide wafer

圖6 噴砂玻璃研磨盤Fig.6 Sandblasted glass grinding disc

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢測(cè)方法

通過(guò)改變研磨盤轉(zhuǎn)速n1、磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω、研磨壓力p、磨料粒徑d這4 種研磨工藝參數(shù)，研究不同工藝參數(shù)對(duì)晶片研磨質(zhì)量的影響。這4 種工藝參數(shù)分別在超聲振動(dòng)輔助研磨和常規(guī)研磨2 種條件下試驗(yàn)。試驗(yàn)流程如圖7所示。試驗(yàn)方案如表1所示，其研磨時(shí)間為30 min。

表1 研磨試驗(yàn)方案Tab.1 Test program of lapping experiment

圖7 研磨試驗(yàn)流程圖Fig.7 Flow chart of lapping experiment

材料去除率是衡量碳化硅晶片研磨與拋光效率的重要因素，使用 Sartorius CP225D 型精密電子天平（精度0.1 mg）將研磨前后的試件分別稱重，利用式（1）計(jì)算材料去除率：

式中：m0為研磨前的試件質(zhì)量，g；m1為研磨后的試件質(zhì)量，g；t為研磨時(shí)間，min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 研磨轉(zhuǎn)速的影響

表2 為不同研磨盤轉(zhuǎn)速條件下有無(wú)超聲研磨前后碳化硅試件質(zhì)量變化。

表2 不同研磨轉(zhuǎn)速下試件研磨前后質(zhì)量Tab.2 Mass of test pieces before and after grinding at different rotational speeds

由表2 中的結(jié)果，按照式（1）計(jì)算試件的材料去除率，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速時(shí)試件的材料去除率Fig.8 Material removal rate of specimens at different speeds

從圖8 中可以看出：隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的增大，試件的材料去除率也增大。超聲振動(dòng)輔助研磨試件的材料去除率高于無(wú)超聲振動(dòng)輔助研磨時(shí)的，在轉(zhuǎn)速為30，40，50，60 r/min時(shí)，超聲振動(dòng)時(shí)的材料去除率分別提高了13.4%，10.8%，23.4%，8.9%。

3.2 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

將金剛石磨料與去離子水配置成研磨液，根據(jù)溶液中所含磨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制成2.5%，5.0%，7.5%和10.0%等4 種研磨液，在保持其他參數(shù)恒定不變的情況下（表1 的試驗(yàn)組別2）進(jìn)行研磨試驗(yàn)。試驗(yàn)前后試件的質(zhì)量如表3所示。由表3 中的結(jié)果，按照式（1）計(jì)算試件的材料去除率，其結(jié)果如圖9所示。

表3 不同磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下試件研磨前后質(zhì)量Tab.3 Mass of test pieces before and after grinding at different abrasive concentrations

從圖9 中可以看出：隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，試件的材料去除率呈先增大后減小的趨勢(shì)，這可能是由于磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大，磨料發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致參與研磨的有效磨料數(shù)量少。超聲振動(dòng)輔助研磨試件的材料去除率高于無(wú)超聲振動(dòng)輔助研磨，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，5.0%，7.5%和10.0%時(shí)超聲振動(dòng)使材料去除率分別提高了33.8%，23.4%，24.0%，33.2%。

圖9 不同磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)試件的材料去除率Fig.9 Material removal rate of specimens at different abrasive concentrations

3.3 研磨壓力的影響

通過(guò)添加配重塊的方式調(diào)節(jié)研磨壓力，將作用于試件的壓力分別設(shè)置為0.010，0.015，0.020，0.025 MPa，在保持其他參數(shù)恒定不變的情況下（表1 中的試驗(yàn)組別3），進(jìn)行研磨試驗(yàn)。試驗(yàn)前后試件的質(zhì)量如表4所示。由表4 中的結(jié)果，按照式（1）計(jì)算試件的材料去除率，其結(jié)果如圖10所示。

表4 不同研磨壓力條件下試件研磨前后質(zhì)量Tab.4 Mass of test pieces before and after grinding at different lapping pressures

從圖10 中可以看出：隨著研磨壓力的增大，試件的材料去除率也增大。超聲振動(dòng)輔助研磨試件的材料去除率高于無(wú)超聲振動(dòng)輔助研磨時(shí)的，壓力為0.010，0.015，0.020，0.025 MPa 時(shí)超聲振動(dòng)使材料去除率分別提高了23.4%，72.3%，26.8%，56.9%。

圖10 不同壓力時(shí)試件的材料去除率Fig.10 Material removal rate of specimens under different lapping pressures

3.4 磨料粒徑的影響

選用金剛石磨料作為研磨磨料，磨料粒徑分別為0.5 μm，2.0 μm 和5.0 μm，在保持其他參數(shù)恒定不變的情況下進(jìn)行研磨試驗(yàn)（表1 中的試驗(yàn)組別4）。試驗(yàn)前后試件的質(zhì)量如表5所示。

表5 不同磨料粒徑條件下試件研磨前后質(zhì)量Tab.5 Mass of test pieces before and after grinding at different grit sizes

由表5 中的結(jié)果，按照式（1）計(jì)算試件的材料去除率，其結(jié)果如圖11所示。

從圖11 中可以看出：隨著磨料粒徑的增大，試件的材料去除率也增大。超聲振動(dòng)輔助研磨試件的材料去除率高于無(wú)超聲振動(dòng)輔助研磨，粒徑為0.5，2.0，5.0 μm 時(shí)超聲振動(dòng)輔助使材料去除率分別提高了184.2%，64.4%，23.4%。

圖11 不同磨料粒徑時(shí)的材料去除率Fig.11 Material removal rate at different abrasive grit sizes

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證：設(shè)定研磨盤轉(zhuǎn)速為50 r/min，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，壓力為0.015 MPa，磨料粒徑為0.5 μm，進(jìn)行有無(wú)超聲振動(dòng)輔助研磨。試驗(yàn)后得到超聲輔助研磨的材料去除率為24.6 mg/h，無(wú)超聲振動(dòng)研磨的材料去除率為15.6 mg/h，超聲振動(dòng)使材料去除率提升了57.7%。因此，超聲振動(dòng)對(duì)研磨試驗(yàn)的材料去除率具有明顯的促進(jìn)作用。

3.5 超聲振動(dòng)最佳研磨時(shí)間的確定

通過(guò)以上試驗(yàn)，確定超聲輔助研磨工藝參數(shù)是研磨盤轉(zhuǎn)速為50 r/min，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，壓力為0.015 MPa 時(shí)的材料去除率提升較多。采用不同粒徑的磨粒在以上工藝參數(shù)下進(jìn)行超聲研磨試驗(yàn)，逐步去除工件表面殘留劃痕與缺陷，提高其表面質(zhì)量。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)表面粗糙度進(jìn)行跟蹤檢測(cè)（采用三豐SJ–410 表面粗糙度儀測(cè)量碳化硅晶片表面粗糙度，測(cè)量3 次取其平均值），得到如圖12所示曲線。

圖12 不同粒徑金剛石磨料研磨碳化硅晶片表面粗糙度變化Fig.12 Surface roughness of silicon carbide wafers varing with different diamond grit sizes

從圖12 可知：用5.0 μm 金剛石磨料研磨30 min 后表面粗糙度值趨于平穩(wěn)，用2.0 μm 金剛石磨料研磨30 min 后表面粗糙度值趨于平穩(wěn)，用0.5 μm 金剛石磨料研磨60 min 后表面粗糙度值趨于平穩(wěn)。采用奧林巴斯 OLS4100 光學(xué)顯微鏡觀察碳化硅晶片表面形貌如圖13所示。

圖13 不同磨料研磨后碳化硅晶片表面形貌Fig.13 Surface morphology of silicon carbide wafer after lapping with different abrasives

采用5.0 μm 金剛石磨料超聲研磨碳化硅晶片30 min后，去除了其表面的粗糙峰和線切割痕（圖13a），采用2.0 μm 金剛石磨料超聲研磨碳化硅晶片30 min 去除了表面的粗糙峰，但仍存在大量脆性斷裂坑（圖13b），采用0.5 μm 金剛石磨料超聲研磨碳化硅晶片60 min 后的表面，粗糙峰已基本去除，露出了光整的表面（圖13c）。

4 結(jié)論

在超聲振動(dòng)輔助和無(wú)輔助條件下進(jìn)行單晶碳化硅晶片研磨試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的提高，材料去除率增加。超聲振動(dòng)輔助研磨的材料去除率高于無(wú)輔助研磨的，在轉(zhuǎn)速為50 r/min 時(shí)，超聲振動(dòng)輔助研磨對(duì)材料去除率的提高作用最明顯，提升了23.4%。

（2）隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，材料去除率先增大后減小。超聲振動(dòng)輔助研磨的材料去除率高于無(wú)輔助研磨的，在磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，超聲振動(dòng)輔助研磨對(duì)材料去除率的提高作用最明顯，提高了33.8%。

（3）隨著研磨壓力的增加，材料去除率增大。超聲振動(dòng)輔助研磨的材料去除率高于無(wú)輔助研磨的，在壓力為0.015 MPa 時(shí)，超聲振動(dòng)輔助研磨對(duì)材料去除率的提高作用最明顯，提升了72.3%。

（4）隨著磨料粒度尺寸的增大，材料去除率也增大。超聲振動(dòng)輔助研磨的材料去除率高于無(wú)輔助研磨的，在磨料粒度尺寸為0.5 μm 時(shí)，超聲振動(dòng)輔助對(duì)材料去除率的提高作用最明顯，提高了184.2%。

（5）通過(guò)對(duì)超聲振動(dòng)研磨過(guò)程的表面粗糙度進(jìn)行追蹤，確定用5.0 μm、2.0 μm、0.5 μm 磨料分別研磨30 min、30 min 和60 min 可以最快得到較光滑表面。