[发明专利]一种单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变复合加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变复合加工方法，属于晶体材料加工技术。

背景技术

单晶碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的核心，具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高和相对介电常数低等特点，因而被用于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成电子器件，特别在极端条件和恶劣环境下应用，碳化硅器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。利用它宽禁带的特点还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光电探测器件。另外，碳化硅由于其较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、耐热冲击性、高的比刚度和化学稳定性，越来越广泛的应用于空间光学系统和激光元器件中。因此，碳化硅是微电子、电力电子和光电子等高新技术进入21世纪后赖以持续发展的重要半导体材料之一。

单晶碳化硅的应用要求单晶表面超光滑、无缺陷、无损伤。SiC的加工质量和精度优劣，直接影响到其器件的性能。比如当晶片表面有微小的划痕、凹坑、桔皮、颗粒、裂纹等缺陷时，会遗传给外延生长膜而成为器件的致命缺陷。但是SiC的硬度仅次于金刚石，其莫氏硬度为9.2；而且化学稳定性好，常温下很难与其它物质发生反应，故SiC单晶的加工成为其广泛应用必须解决的重要问题。

国内外对单晶碳化硅晶片的加工方法主要集中在：①沿用传统单晶 Si、Ge等晶片加工中的传统机械研磨抛光加工方法；②以机械去除和化学抛光合并使用为代表的复合加工；③以激光、等离子等特殊能场为去除手段的特种加工；④以磁流变效应控制磨粒行为的磁流变加工。专利200610043816.8、200910053571.0及200910241519.1通过选取合适的工艺参数，采用传统的研磨和化学机械抛光方法，最大限度消除晶片表面缺陷和损伤层，从而获得高质量的碳化硅晶片表面。

虽然上述方法均能对单晶碳化硅晶片进行加工，但是加工效率却比较低下。经发明人实验验证，利用专利200610132495.9提到的集群磁流变抛光方法能很好地对单晶碳化硅晶片进行平坦化抛光，并获得了纳米级的光滑表面，与化学机械抛光比较而言，该方法的加工效率较高，是一种较理想的平坦化超光滑表面加工技术，但是要进一步提高抛光效率，特别是要获得原子级的超光滑表面仍存在较大难度。因为要获得原子级的超光滑表面，需要磨粒对工件表面的切入深度必须非常小并且是塑性状态去除，这就必须采用超细的亚微米级乃至纳米级磨粒和磁性粒子进行磁流变抛光，而采用了亚微米/纳米级磁性粒子会导致磁流变效应急剧减弱，对加工表面的抛光压力减小，使抛光效率降低，需要更长加工时间才能达到要求。因而本发明提出一种采用化学抛光方法与磁流变抛光方法相结合的新工艺方法对单晶碳化硅晶片进行抛光。

发明内容

本发明的目的是针对单晶碳化硅材料特点，提出一种能快速高效地获得无缺陷、无损伤的原子级超光滑表面的单晶碳化硅晶片的单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变复合加工方法。

本发明的技术方案是：一种单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变复合加工方法，包括如下步骤：

1）将集群圆柱形磁铁镶嵌在抗磁抛光盘上，形成集群磁流变抛光盘；将单晶碳化硅晶片通过粘结剂粘结在抗磁工具头上，抗磁工具头安装在电机主轴上；制作化学磁流变液；

2）将化学磁流变液倒入恒温搅拌装置中，并通过循环管加入到集群磁流变抛光盘中，化学磁流变液在集群圆柱形磁铁作用下会形成磁流变微磨头，多点的磁流变效应微磨头的集群阵列组合构成柔性抛光膜；

3）调节单晶碳化硅晶片的工作面与抗磁抛光盘之间的间隙，调节抗磁工具头的转速及抗磁抛光盘的转速，调节抗磁工具头相对抗磁抛光盘的摆速，控制化学磁流变液的温度，单晶碳化硅晶片的表面与化学磁流变液中的磨料之间产生剧烈摩擦，单晶碳化硅晶片的表面与化学磁流变液发生化学反应，形成软质层，形成的软质层在磁流变微磨头的柔性抛光膜的作用下能迅速去除，完成单晶碳化硅晶片的粗加工；

4）在上述化学磁流变液中增加平均粒径为100nm—2um的金刚石磨料，调节单晶碳化硅晶片的工作面与抗磁抛光盘之间的间隙，再调节抗磁工具头的转速及抗磁抛光盘的转速，调节抗磁工具头相对抗磁抛光盘的摆速，控制化学磁流变液的温度，在磁流变效应和化学共同作用下，粒径更细的金刚石磨料参与工作，完成单晶碳化硅晶片的工作面的精加工；