基于金属电化学腐蚀的单晶SiC表面腐蚀和磨损性能研究

针对化学机械抛光中抛光液的环境污染,提出一种基于金属电化学腐蚀的单晶SiC化学机械抛光方法.通过腐蚀实验和摩擦磨损实验,研究了电化学腐蚀单晶SiC的Si面腐蚀性能和磨损性能.通过对比Al、Cu、Fe金属在Na_(2)SO_(4)电解质溶液中对Si面的腐蚀性能,发现Al在Si面产生明显的腐蚀层,EDS和XPS检测证实该腐蚀产物为SiO_(2).采用摩擦磨损实验研究溶液组分对SiC的Si面磨损影响规律.结果表明,提高Na_(2)SO_(4)电解质溶液浓度能获得更大的磨损量,当Na_(2)SO_(4)电解质溶液浓度为1.00 mol/L时,得到最大为7.19µm^(2)的磨损量;在酸性的金属电化学腐蚀溶液中,Si面具有更好的材料去除性能,在pH=3时磨损量达到11.97µm^(2).单晶SiC的金属电化学腐蚀材料去除机制为阴极的Al金属发生电偶腐蚀反应产生腐蚀电流,促使阳极SiC表面氧化生成SiO_(2)氧化层,进而去除材料.

单晶SiC超精密加工研究进展

单晶碳化硅(SiC)的高脆性、高硬性和强化学惰性是制约第三代半导体超精密抛光发展的关键,实现衬底高效率、超光滑表面的加工具有挑战性。对于单晶SiC的化学机械抛光(CMP),分别从材料去除和工艺优化两个维度出发,阐述了CMP SiC的影响因素和规律,指出了该方法的不足。介绍了光催化、超声振动、电场、等离子体、磁流变、表面预处理等辅助CMP抛光方法,分析了复合增效抛光的去除机理和优势。通过对比发现,辅助能场的介入有助于改善SiC表面质量,并能获得较好的加工效果,然而,复合抛光技术涉及的能场复杂,多能场作用下的材料去除机制和工艺参数匹配仍需进行深入研究。最后,对未来单晶SiC超精密加工的研究给出了建议,并进行了展望。

单晶SiC基片的集群磁流变平面抛光加工

基于集群磁流变效应超光滑平面抛光理论及研制的试验装置,对单晶SiC基片进行了平面抛光试验研究。研究结果表明,金刚石磨料对单晶SiC基片具有较好的抛光效果;加工间隙在1.4mm以内抛光效果较好,30min抛光能使表面粗糙度值减小87%以上;随着加工时间的延长,表面粗糙度越来越小,加工30min时粗糙度减小率达到86.54%,继续延长加工时间,加工表面粗糙度趋向稳定。通过优化工艺参数对直径为50.8mm(2英寸)6H单晶SiC进行了集群磁流变平面抛光,并用原子力显微镜观察了试件加工前后的三维形貌和表面粗糙度,发现经过30min加工,表面粗糙度Ra从72.89nm减小至1.9nm,说明集群磁流变效应超光滑平面抛光用于抛光单晶SiC基片可行有效且效果显著。

基于声发射的单晶SiC材料去除机理研究

根据声发射理论,采用金刚石刀具在自动划痕仪上进行SiC单晶塑脆转换的临界条件实验,建立了SiC划痕实验过程中的声发射(AE)信号模型,利用扫描电镜(SEM)观察SiC单晶的表面形貌。结果表明,SiC划痕过程中也存在着明显的声发射Kaiser效应点,表面的划痕和切屑也表明该单晶材料同其它典型硬脆材料如玻璃和硅类似,材料去除存在着塑性到脆性的转换过程,同时分析了划痕过程中的微细粉末状碎屑的产生机理和刀具角度与塑脆转换的关系。

单晶SiC微切削机理分子动力学建模与仿真研究

单晶Si C硬度高、脆性大,加工困难,在塑性域加工时处于纳米尺度才可明显改善表面质量、获得高的精度。而单晶Si C的切削机理研究使用有限元和实验方法,无法获得时间尺度在飞秒或皮秒下材料发生的变化。为此,采用分子动力学模拟方法,对单晶3C-Si C切削过程进行了建模和仿真,分析了在不同切削速度、切削深度下切削力的变化。研究结果表明:切削速度为50 m/s、100 m/s和200 m/s时对应的平均切向切削力为737.34 n N、635.29 n N和587.09 n N,单晶Si C表面采用合适的切削速度能减小切削过程的切削力。

单晶SiC微纳米压痕的力学行为及仿真分析

为了研究单晶SiC的微观力学性能和加工方式,开展了单晶6H-SiC(0001)的微纳米压痕试验,并采用ABAQUS软件对纳米压痕过程进行了数值仿真及完成了试验验证。结果表明,单晶SiC在加载阶段的变形机理与压入载荷无关;硬度和弹性模量表现出了明显的尺寸效应;球形压头作用下的应力值最小,玻氏压头和维氏压头作用下的应力值相同,大于圆锥压头的应力值;压痕裂纹类型有主裂纹、侧向裂纹、主次型裂纹、平直型裂纹、间断型裂纹,裂纹的平均长度随着加载力的增加而逐渐增加。

单晶SiC抛光用磁流变液稳定性研究及应用

磁流变液是一种新型的流变特性可控的智能液体,具有较强剪切效应而广泛应用于航空航天等领域。通过改性羰基铁粉和原始羰基铁粉性能的试验对比,得出改性羰基铁粉可以改变抗沉降、团聚稳定性等性能,提高磁流变液的稳定性,进而改善单晶SiC基片的抛光质量。

Fe_(3)O_(4)特性对单晶SiC固相芬顿反应研磨丸片性能的影响

为提高单晶SiC研磨加工质量和加工效率,制备固相芬顿反应研磨丸片,研究固相催化剂Fe_(3)O_(4)特性(粒径和质量分数)对研磨丸片的硬度、抗弯强度、气孔率、催化性能及其对单晶SiC研磨加工性能的影响。结果表明:随着Fe_(3)O_(4)粒径的增大,丸片的硬度和抗弯强度减小、气孔率增大、催化性能减弱,材料去除率M_(MRR)从43.12 nm/min降到36.82 nm/min,表面粗糙度R_(a)从1.06 nm增大到3.72 nm。随着Fe_(3)O_(4)质量分数的增大,丸片的硬度和抗弯强度减小、气孔率增大、催化性能增强,M_(MRR)从40.14 nm/min降到33.51 nm/min,表面粗糙度R_(a)先减小后增大,分别为3.25 nm、1.75 nm和1.88 nm。

单晶SiC基片的化学机械抛光技术研究进展

单晶SiC因其优异的物理化学性质而成为重要的外延衬底材料,广泛应用于卫星通信、集成电路和消费电子等领域。衬底外延生长需要单晶SiC具有较低的加工表面损伤和残余应力的超光滑平坦表面,其表面质量决定了后续的外延层质量并最终影响器件的性能。化学机械抛光(CMP)是目前实现单晶SiC基片超精密加工的一种常用且有效方法。我们综述了单晶SiC基片化学机械抛光加工的研究现状,根据加工原理进行归类并分析了各种类别的优缺点及运用局限,指出了其在化学机械抛光领域的发展前景。

面向单晶SiC原子级表面制造的等离子体辅助抛光技术

目前Si基半导体由于其自身材料特性的限制,已经越来越难以满足高速发展的现代电力电子技术对半导体器件的性能要求.SiC作为新一代半导体材料具有显著的性能优势,但由于其属于典型的难加工材料,实现SiC晶圆的高质量与高效率加工成为了推动其产业化应用进程的关键.本综述在回顾近年来SiC超精密加工技术研究进展的基础上,重点介绍了一种基于等离子体氧化改性的SiC高效超精密抛光技术,分析了该技术的材料去除机理、典型装置、改性过程及抛光效果.分析结果表明,该技术具有较高的去除效率,能够获得原子级平坦表面,并且不会产生亚表面损伤.同时针对表面改性辅助抛光技术加工SiC表面过程中出现的台阶现象,探讨了该台阶结构的产生机理及调控策略.最后对等离子体辅助抛光技术的发展与挑战进行了展望.

单晶SiC电化学腐蚀及化学机械抛光

通过电化学工作站对4英寸(1英寸=2.54 cm)n型单晶SiC(4H-SiC)进行电化学腐蚀特性研究,采用36GPAW-TD单面抛光机对其Si面和C面进行了化学机械抛光(CMP)。结果表明,采用H2O2和NaClO作为氧化剂,均可促进SiC的电化学腐蚀并提高其抛光去除速率,其促进作用与氧化剂浓度和抛光液的pH值密切相关。选择含体积分数5%的H2O2、pH值为12的SiO2抛光液对SiC进行CMP,得到的Si面抛光速率可以达到285.7 nm/h。在含H2O2抛光液中引入适量的NaNO3和十二烷基硫酸钠,SiC表现出较高的腐蚀电位绝对值和去除速率。在H2O2和NaClO抛光液体系中,SiC的去除速率与其腐蚀电位的绝对值正相关,该结果对实际应用有一定的借鉴意义。

金刚石超薄锯片划切单晶SiC表面质量的实验研究

文章通过探讨在划片机上用金刚石超薄锯片对单晶SiC进行划切实验,测量并分析不同金刚石粒度的锯片在不同的划切工艺参数下的划切力和SiC切缝崩边尺寸,以此研究超薄锯片中金刚石粒度对划切单晶SiC的切缝质量的影响。试验结果表明:不同金刚石粒度的超薄锯片划切单晶SiC的划切力和切缝崩边尺寸随着主轴转速的升高呈降低趋势,随划切深度和进给速度的增加呈上升趋势;在一定范围内,崩边尺寸均随着金刚石粒度的升高而呈上升趋势,且金刚石粒度越大,崩边尺寸增大的速度越快。

SiC单晶生长设备热场设计分析

在硅碳化物(SiC)单晶生长设备的热场设计中,充分考虑了温度分布、热流分布和热应力等关键因素,这对确保单晶质量、提高生长效率和延长设备寿命至关重要,热场设计涉及炉体结构、加热系统、冷却系统以及温度控制系统等多个方面,需要综合考虑热工学、材料学和机械工程等多个学科的知识。

河南首块8英寸SiC单晶出炉!

2月6日,平煤神马集团碳化硅半导体粉体验证线传来喜讯——实验室成功生长出河南省第一块8英寸碳化硅单晶,全面验证了中宜创芯公司碳化硅半导体粉体在长晶方面的独特优势。据介绍,中宜创芯是国内最大的碳化硅粉体研发、生产和销售企业,是由中国平煤神马控股集团和平顶山发展投资控股集团共同出资设立的合资公司,主要是以电子级高纯碳化硅粉体和碳化硅衬底的生产和经营业务。

基于中心复合设计试验的SiC单晶片超声振动加工工艺参数优化

由于超声振动复合加工过程很难通过动力学分析得到有效的切割机理的数学模型,而试验研究不失为解决该问题的一种有效方法。采用中心复合设计(Central composite design,CCD)试验方法,设计四因素三水平的SiC单晶片超声振动复合加工试验方案;引入响应曲面法建立切向锯切力、表面粗糙度与主要工艺参数(线锯速度、工件进给速度、工件转速和超声波振幅)的二阶关系模型,通过对试验数据的多元二次拟合,分别获得切削力和表面粗糙度的二次方程表达式;进一步分析实际加工条件对工艺参数的约束,并以提高SiC单晶片表面的加工质量(即最小化加工表面粗糙度)为目标建立工艺参数优化模型;设计粒子群优化算法及其流程进行优化问题求解,通过实例验证,该算法可以快速有效地获得满足多约束的最佳工艺参数。

超声辅助线锯切割SiC单晶实验研究

针对单晶SiC切割过程切割效率低,加工表面粗糙度和表面不平度差以及线锯磨损和断裂严重等问题,提出采用线锯横向施加超声振动的方法切割单晶SiC。通过实验对比研究了普通切割与超声辅助切割两种切割工艺,结果表明:与普通切割相比,超声辅助切割单晶SiC,锯切力减小37%～52%,且减小趋势随工件进给速度的增大更明显;切片表面粗糙度降幅约为26%～55%,晶片表面形貌均匀,无划痕,明显优于普通切割方法所获得的表面;线锯磨损降低约近40%;切割效率提高近56%。

SiC单晶片CMP超精密加工技术现状与趋势

综述了半导体材料SiC抛光技术的发展,介绍了SiC单晶片CMP技术的研究现状,分析了CMP的原理和工艺参数对抛光的影响,指出了SiC单晶片CMP急待解决的技术和理论问题,并对其发展方向进行了展望。

SiC单晶片研磨机理及试验

SiC因其优良的物理机械性能而广泛应用于大功率器件以及IC领域。但其高的硬度和脆性导致其加工过程非常困难。本文分析了SiC单晶在研磨过程中的材料去除机理,讨论了塑性去除时磨粒的临界切削深度,建立了塑性条件下的材料去除模型。采用不同粒度的金刚石磨粒对SiC晶片进行研磨实验,验证了理论模型的正确性,结果表明在塑性模式下的材料去除能获得良好的表面形貌和较低粗糙度,同时对不同磨粒粒度的材料去除率进行了讨论。

SiC单晶片加工过程中切割力的分析与建模

SiC单晶具有优良的物理和机械性能,在微电子和光电领域得到了广泛应用,然而由于其高硬度和脆性,晶片的制造非常困难、效率低下。为提高SiC单晶片的加工质量和加工效率,分析了SiC单晶片线锯切割过程中的受力情况;从切屑变形和摩擦两个方面,建立单颗磨粒的法向和切向受力模型,进而得到线锯切割力与工艺参数及线锯物理属性的关系模型;设计了切割力的试验装置,通过不同加工参数下的试验研究,确定了关系模型中的应力系数;通过理论值与试验值的对比校验,法向力和切向力预测值的误差小于9.18%,并对误差产生原因作了分析。结果表明,该切割力理论模型可以对SiC单晶片在同等线锯切割环境下的切割力进行有效预测,为切削力的优化控制提供了理论依据。

固结磨料研磨SiC单晶基片(0001)C面研究

碳化硅(SiC)单晶基片已广泛应用于微电子、光电子等领域.本文针对传统游离磨料研磨加工的缺点,提出了固结磨料研磨SiC单晶基片技术,以前期研究的SiC单晶基片研磨膏配方,试制了一系列固结磨料研磨盘,研究了固结磨料研磨SiC单晶基片(0001)C面时的材料去除率、表面粗糙度及平面度,并与游离磨料研磨进行了对比.结果表明,固结磨料研磨后样品表面有深度较浅的划痕,游离磨料研磨后表面没有划痕,但表面呈凹坑状;游离磨料研磨后工件表面粗糙度轮廓最大高度Rz远大于固结磨料研磨;固结磨料研磨的材料去除率高于游离磨料,固结磨料研磨后的表面粗糙度Ra远低于游离磨料研磨,固结磨料研磨可提高平面度;研究结果可为进一步研究固结磨料化学机械研磨盘、固结磨料研磨工艺参数及机理提供参考依据.