赵卫 豆立博 刘玲

摘要：碳化硅作为新兴的一种第三代半导体材料，现已在电力电子行业得到非常广泛的应用。碳化硅应用技术的发展趋势必然会对晶片表面状况有着越来越高的要求，而这将是目前亟待解决的问题。本文简单介绍机械抛光、机械化学抛光、重点分析磁流变抛光技术原理，并通过大量试验得到碳化硅晶片通过磁流变抛光技术无论是晶片表面状况还是工作效率均有了很大的提高，这对该技术应用到实际生产中有很好的指导和参考意义。

Abstract： As one of the third generation semiconductor materials， silicon carbide has been widely used in the power electronics industry. The development trend of silicon carbide application technology is bound to have higher and higher requirements on the wafer surface condition， which will be an urgent problem to be solved. This paper introduces the mechanical polishing， chemical mechanical polishing， focuses on the analysis of principle of magnetorheological polishing technology， and through a lot of experiments obtained by silicon carbide wafer magnetorheological polishing technology regardless of wafer surface conditions or the working efficiency has been greatly improved， it should be used in the actual production has a good guide and reference for the technology.

關键词：碳化硅；晶片表面；磁流变抛光

Key words： SiC；wafer surface；magnetorheological finishing

中图分类号：O786 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0222-02

0 引言

碳化硅半导体材料作为继第一代和第二代半导体材料后快速发展起来的第三代宽带隙半导体核心材料，具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、击穿电场强度高、相对介电常数低、抗辐射能力强等特点。碳化硅单晶材料属典型的硬脆材料，化学稳定性好，常温下几乎不与其他物质反应，因此较难获得高精度无损伤的晶片表面。但是高性能的碳化硅电子器件必须要求碳化硅原始晶片表面粗糙度在纳米级别、平面度好、表面不能存在明显缺陷；否则会导致使晶体的结晶构造发生变化，进而对器件的电学性能造成很大的影响。因此，碳化硅单晶材料的加工工艺技术直接制约着碳化器件的发展，而如何获得高质量的SIC晶片表面也成为目前急于解决的问题。

1 常见的抛光技术简单介绍

目前常见的碳化硅单晶材料表面处理方法主要分为机械抛光和化学机械抛光，而磁流变抛光现阶段还很少应用到碳化硅单晶材料表面处理。下面就几种处理方法做简单介绍：

机械抛光主要是指在抛光盘上粘贴较软的抛光垫材料，晶片在一定的压力下使得抛光液和晶片相互接触磨切，通过机械作用将磨损层去除。械抛抛光效率较高、一致性好、表面平整度高，但表面光洁度差，损伤层深。

化学机械抛光（CMP）是将抛光液的化学作用和磨粒与抛光盘之间的机械作用相结合，通过研磨液以及机械研磨的作用使得反应物从晶片上分离开来。在进行碳化硅晶片的化学机械抛光过程中，必须使得晶片表面的化学反应速率和机械加工的速率相互达到一种平衡，只有这样加工后的晶片表面质量才会较好，否则晶片表面缺陷较多。其抛光效率较低但抛光后晶片表面状况良好。

磁流变抛光是一种通过磁流变效应产生的柔性“小磨头”与晶片表面之间快速相对运动而产生的作用于晶片表面上的很大的剪切力，来去除工件表面材料的技术。利用磁流变技术加工，具有“抛光头”不会变钝或变形，流动液体实时适合零件复杂形面的变化而变化。其加工效率很高而且抛光后晶片表面状况良好。

2 磁流变抛光技术工作原理

磁流变抛光（英文名称：Magnetorheological finishing）技术是近期发展起来的一种利用电磁理论、流体力学、分析化学等理论综合在一起形成的先进精密加工技术。

磁流变抛光技术的原理是：以磁性颗粒、基液、表面活性剂、抛光粉搅拌均匀后制成磁流变抛光液在外部施加的可控磁场作用下，它的链化结构发生变化并在梯度磁场区域从液体迅速变硬从而形成硬度可变的磁流体。磁流体与晶片相接触的地方形成一个类似与小磨头形状的抛光粉聚集体，通过相互摩擦接触对晶片产生一定的剪切力，最终实现对晶片表面的加工抛光。

如图1所示，磁流变抛光液位于晶片和抛光盘之间，磁极位于抛光盘下方，在晶片和抛光盘之间形成一个高梯度磁场。当抛光盘上的磁流变液随抛光盘一起运动时，高梯度磁场使磁流变抛光液凝聚、变硬，形成一种半固体，通过高速运动相互摩擦使晶片的表面材料被去除，达到材料微纳米级去除的目的。

研究表明，磁流变抛光对材料的去除服从Preston方程，材料去除量可表示为：

R=KPVT

式中：K为 Preston系数；

P是磁流变抛光头对工件表面的抛光压力；

V是柔性磨头与工件表面的相对运动速度；

T是抛光时间。

磁流变液对工件的抛光压力由流体动压力、磁场产生的压力、磁流变液的浮力组成，其中磁流变液的浮力影响较小，可以忽略不计。这表明，影响工件材料去除率的因素很多，不但与磁流变液对工件表面的压力有关，而且与载液轮和工件表面的相对运动速度、抛光驻留时问等有关。与P有关的磁流变抛光工艺参数有磁场强度、抛光轮与工件的间隙、磁流变液成分等。

根据Prsoetn方程得知相对速度越高，磁流变抛光去除效率越高。但是，在其他实验条件固定的情况下，过高的相对速度不利于获得较好的表面粗糙度，根据实验数据分析可知，为了得到理想的工件粗糙度，相对速度应控制在一个适当的区域范围，因此，不同的抛光阶段，工件自转频率和抛光轮转速都应选取一个适当的数值。

在磁流变抛光中，可以通过改变驻留时间来控制工件表面的去除量，因为材料的去除量与驻留时间近似呈线性关系。

3 试验

本文将磁流变抛光工艺技术应用与碳化硅晶片表面的加工，通过实验探索合适的工工艺参数，并最终制定了采用磁流变技术加工碳化硅晶片的抛光工艺。

通过理论分析和大量实验发现对碳化硅晶片抛光表面粗糙度影响的主次关系是磁场强度>间隙>主轴转速>抛光粉浓度。对抛光效率影响的主次关系是，主轴转速>磁场强度>抛光粉浓度>间隙。由于在磁流变抛光过程中，影响表面粗糙度的主要指标有主轴转速、抛光时间、运动盘的速度、工件与运动盘所形成的间隙、磁场强度以及磁流变液、抛光粉的浓度等。现根据实验经验得出的各个影响因素对抛光效率和表面质量的具体影响，确定了恰当的工艺参数。

通过实验数据可以得到，一般达到同样的表面抛光质量，磁流变抛光仅需要50分钟左右的时间就能抛光结束，而化学机械抛光却需要不间断抛光4小时左右才可抛光结束。

通过图2、图3可以看到，化学机械抛光只能将晶片表面粗糙度加工到3-10nm左右，而磁流变抛光在碳化硅晶片上可以加工的最小表面粗糙度已能达到0.7nm。

相对机械抛光和化学机械抛光，磁流变抛光不仅可以迅速降低表面粗糙度，使工件表面在短时间内能够达到较好的表面质量，而且抛光效率大大提高。

4 结论

通过试验表明，碳化硅晶片使用磁流变抛光技术不仅可以迅速降低表面粗糙度，使工件表面在短时间内能够达到较好的表面质量，而且可以大大节省时间，提高工作效率，这对该项技术应用到工艺生产中有很高的指导意义。

参考文献：

[1]张峰.磁流变抛光技术的研究[D].中国科学院博士学位论文，2000，9.

[2]陈勇臻.SiC单晶抛光片的制备与表征[D].西安：西安理工大学，2007：18-19.

[3]陈治明，王建农.半导体器件的材料物理学基础[M].北京：科学出版社，1999：163.

[4]尤伟伟，彭小强，戴一帆.磁流变抛光液的研究[J].光学精密工程，2004，12（3）：330-334.

[5]孙希威，康桂文，等.磁流变液抛光去除模型及驻留时间算法研究[J].機械加工工艺与装备，2006.

[6]康桂文，张飞虎，董申.磁流变技术研究及其在光学加工中的应用[J].光学技术，2004，30（3）：354-355.

[7]李中会，等.磁流变抛光技术的及其质量控制的研究[J].工具技术，2010，11（3）11-14.