SiC单晶的超声电化学阳极氧化仿真与试验探讨

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论文字数:42512 论文编号:sb2021112120320439740 日期:2021-12-08 来源:硕博论文网
本文是一篇机械论文,本文以 SiC 单晶半导体材料为研究对象,首先,从微观角度出发,对 SiC 单晶电化学阳极氧化抛光原理进行了研究,并搭建了单晶 SiC 超声电化学阳极氧化与抛光试验平台;其次,针对 SiC 单晶片电化学机械抛光中的阳极氧化过程,通过使用 COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件的电化学接口进行 SiC 单晶电化学阳极氧化电场仿真;然后,基于仿真模拟结果及单晶 SiC 超声电化学阳极氧化与抛光试验平台,在不同电参数下进行 SiC 单晶超声电化学阳极氧化试验;最后,将试验过程与仿真分析相对应,采取相同的阳极氧化参数进行试验,将试验与仿真进行对比研究,电化学阳极氧化抛光试验后对 SiC 试样进行检测,检测后分析试验结果,进而对整个 SiC 单晶片的加工效率与表面质量的有效提高进行研究。

1  绪论

1.1  研究的背景与意义
随着半导体、新能源、高端智能制造、5G 信息技术、AI 人工智能等高新技术企业的发展,半导体行业越来越成为一种新型热门行业。半导体材料的制备与工艺研究进展也密切的关系到国家军事、国防、航天航空等重要国家战略领域。半导体市场随之火爆,半导体材料的数量需求越来越大,质量需要也越来越高。在各种半导体材料中,碳化硅(Single-crystal silicon carbide ,SiC)单晶片便是其中一种最具有代表性的第三代半导体材料,SiC单晶广泛应用于 IT、消费、汽车、工业、航空航天、智能电网、轨道交通、电力电子、船舶等许多重要领域[1-4]。
SiC 单晶的原子构成具有严格化学计量比,由 50%的 C 原子、50%的 Si 原子构成。每个 Si 原子的周围都正好有 4 个 C 原子,如图 1-1 所示,反之亦然。由于 SiC 晶体结构可以在一个维度下变化(也就是堆垛顺序变化)而不改变化学组成,因此 SiC 单晶是典型的多型晶体。其结构主要分为菱形和立方结构两类,一种是-SiC(包括 6H、4H、15R),另一种是-SiC[5-7]。如图 1-2 所示,为-SiC 的晶体结构,从中可以看出-SiC 晶体结构主要包含的四个晶面为 C 面(0001̅)、Si 面(0001)、A 面(112̅0)和 M 面(11̅00)。
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1.2 SiC 单晶抛光技术国内外研究现状
SiC 单晶片是一种典型的应脆性材料,具有许多优良性能,使整个 SiC 单晶片加工过程的效率与表面质量得到有效提高,得到理想的无划痕 SiC 单晶表面,需要一种行之有效的 SiC 抛光技术。目前已知的有:等离子辅助抛光(Plasma-assisted Polishing ,PAP)、催化剂辅助刻蚀(CARE)、化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing,CMP)、光催化辅助化学机械抛光(PCMP)、电化学机械抛光(ECMP)、超声辅助电化学机械抛光(UAECMP)和激光辅助抛光等 SiC 单晶片抛光加工技术。
1.2.1 等离子辅助抛光
等离子体辅助抛光技术(PAP)是将大气压水蒸气等离子体辐射和软磨料研磨抛光技术相结合的一种用于单晶碳化硅、氮化镓、蓝宝石和金刚石等难加工材料抛光的技术。如图 1-3 所示,4H-SiC-Si 表面在等离子体照射后产生会产生一层疏松的 SiO2 氧化层,这种SiO2 氧化层与原有的 SiC 表面相比更容易通过使用软磨料抛光被去除。通过等离子体辐射和软磨料研磨抛光相结合的方式,可以获得无损伤、原子级平坦的 4H-SiC-Si 表面。
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南方科技大学吉建伟等人[28]综述介绍了 SiC 单晶抛光技术,提出了一种通过等离子体辅助,对单晶 SiC 表面进行氧化改性,并对改性后的 SiO2 氧化表面进行软磨粒抛光的超精密高效 SiC 单晶抛光技术,吉建伟等人对 SiC 单晶等离子体辅助抛光技术的材料去除机理进行了分析、对该技术的典型装置进行了介绍、对氧化改性的过程进行了分析、并对抛光效果进行了详细研究。
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。
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2 SiC 单晶电化学阳极氧化抛光原理与试验平台设计

2.1 SiC 单晶电化学阳极氧化抛光原理
为了高效地获得无划痕、无凹坑和原子级平坦的表面,本章提出了一种结合表面改性和机械抛光的新方法来对 SiC 单晶片进行加工,我们称之为电化学阳极氧化抛光(electrochemistry anodic oxidation and mechanical polishing,EAOMP)。首先,通过阳极氧化将 SiC 的表面改性,变为疏松的 SiO2氧化物层,然后通过硬度小于 SiC 的研磨剂如CeO2 轻松去除,最终实现无划痕和亚表面损伤的要求。本章将对 SiC 单晶电化学阳极氧化抛光原理进行介绍,并基于 SiC 单晶电化学阳极氧化抛光原理,搭建单晶 SiC 超声电化学阳极氧化与抛光试验平台。
电化学阳极氧化抛光(EAOMP)包含两个步骤:一是阳极氧化(进行表面改性);二是研磨抛光(通过机械抛光工艺方法去除改性层)。如图 2-1 所示为 EAOMP 过程中包含的两个步骤。OH-失电子形成具有强氧化性的•OH,O2得电子产生 O2-,SiC 单晶表面被氧化并转化为 SiO2,成为疏松的表面氧化层,然后通过硬度小于 SiC 的 CeO2研磨剂进行去除。由于 CeO2磨粒比 SiC 更软,但比 SiO2改性层更硬,因此在 SiC 单晶抛光过程中仅仅会去除 SiO2氧化层,而不会在 SiC 试样表面产生划痕和损伤。
SiC 单晶莫氏硬度为 9.5,而 SiO2莫氏硬度为 7.0,SiC 的硬度比 SiO2高很多。通过电化学阳极氧化改性的方法,单晶 SiC 试样表面发生电化学阳极氧化,SiC 单晶表面被氧化并转化为 SiO2,接着使用含有 CeO2磨粒的抛光液可以将 SiO2氧化膜去除。SiO2被 CeO2 软磨粒去除后,新的 SiC 表面会暴露出来,接着则可以开始新一轮的阳极氧化改性。SiC单晶片表面凸起的部分会优先阳极氧化和去除,在 SiC 单晶片表面可以进行阳极氧化改性到抛光去除,再到氧化改性的循环过程,通过反复循环可以得到高的材料去除率和低的表面粗糙度。在表面阳极氧化和研磨抛光进行几个循环之后,便获得的光滑的 SiC 表面。
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2.2 试验验装置原理及设计
2.2.1 超声电化学阳极氧化试验装置原理
如图 2-3 所示,为单晶 SiC 电化学阳极氧化试验装置原理图,在 SiC 电化学阳极氧化过程中,碳化硅单晶片为阳极工件,置于电解槽右侧,电极阴极为一铝工件,试验装置附带外加电压模块,此模块含有专用的脉冲电源,试验装置还包含有超声辅助模块,此模块可以对  SiC 电化学阳极氧化过程加以超声辅助进行研究。
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3 SIC 单晶电化学阳极氧化仿真研究 ............................................. 17
3.1 有限元分析 ..................................................... 17
3.1.1 有限元分析方法概述 ........................................... 17
3.1.2 COMSOL Multiphysics  有限元分析简介 ................................... 18
4 SIC 单晶超声电化学阳极氧化试验与结果 ................................... 35
4.1 试验设计与准备 .................................... 35
4.1.1 试验设计 .......................................... 35
4.1.2 试验方案 .......................................... 37
5 SIC 单晶超声电化学阳极氧化试验与仿真对比 ..................................... 53
5.1 SIC 单晶电化学阳极氧化试验结果与仿真对比分析 ............................. 53
5.1.1 不同时间下 SiC 试样表面结果检测与仿真对比分析 ............................. 54
5.1.2 不同电压下 SiC 试样表面结果检测与仿真对比分析 ............................. 56

5 SiC 单晶超声电化学阳极氧化试验与仿真对比

5.1 SiC 单晶电化学阳极氧化试验结果与仿真对比分析
SiC 单晶试样经过电化学阳极氧化试验后,在其表面生成了一层 SiO2氧化膜,在 4.3.1图 4-10 中可以看到,生成的氧化膜呈现出在 SiC 试样中心位置 SiO2氧化膜较薄,而越接近 SiC 工件边缘 SiO2氧化膜越厚的特性,这与 3.3.2 节仿真结果相一致。为了与仿真结果对比研究具体 E = 350V 的条件下,电化学阳极氧化时间分别处于 t = 50s、100s、150s、200s  、250s、300s 时的 SiO2氧化膜厚度以及 t = 100s 时,E = 150V、200V、250V、300V、350V 的条件下,SiO2氧化膜厚度的变化。需要具体实验测量实际中生成的 SiO2氧化膜的厚度,但在实际试验中,生成的 SiO2氧化膜往往会发生脱落,这是由于氧化膜比较疏松,在电化学氧化过程中,会边生成边脱落,故而无法测量实际中生成氧化膜的厚度。
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但是,通过对电化学阳极氧化后的 SiC 试样进行抛光试验研究发现,通过徕卡激光共聚焦显微镜对抛光后的 SiC 试样表面边缘处进行测量,如图 5-1 所示,在其边缘处,存在明显的厚度变化,这是因为在其边缘上,有未参与电化学阳极氧化的区域和参与电化学阳极氧化的区域,两个区域交界处就存在厚度差,因为参与电化学阳极氧化的区域生成了SiO2 氧化膜,此区域的 SiO2氧化膜在抛光过程中被去除,而未参与电化学阳极氧化的区域则不存在去除 SiO2氧化膜的过程,研究发现,两个区域的厚度差则反映了电化学阳极氧化过程中的厚度变化,厚度差越大,则证明生成的 SiO2氧化膜的厚度越大。
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6  结论与展望

6.1  结论
为了得到无划痕和亚表面损伤的 SiC 单晶半导体材料,充分发挥 SiC 单晶半导体材料的优异性能,以满足各个领域对 SiC 半导体材料的需求。本文以 SiC 单晶半导体材料为研究对象,首先,从微观角度出发,对 SiC 单晶电化学阳极氧化抛光原理进行了研究,并搭建了单晶 SiC 超声电化学阳极氧化与抛光试验平台;其次,针对 SiC 单晶片电化学机械抛光中的阳极氧化过程,通过使用 COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件的电化学接口进行 SiC 单晶电化学阳极氧化电场仿真;然后,基于仿真模拟结果及单晶 SiC 超声电化学阳极氧化与抛光试验平台,在不同电参数下进行 SiC 单晶超声电化学阳极氧化试验;最后,将试验过程与仿真分析相对应,采取相同的阳极氧化参数进行试验,将试验与仿真进行对比研究,电化学阳极氧化抛光试验后对 SiC 试样进行检测,检测后分析试验结果,进而对整个 SiC 单晶片的加工效率与表面质量的有效提高进行研究。本文具体研究总结主要为以下几个方面:
(1)本论文介绍了 SiC 单晶电化学阳极氧化抛光的两个步骤即:第一,阳极氧化,即通过外加电源对 SiC 单晶进行电化学阳极氧化,使其表面改性,生成疏松的 SiO2氧化物层。对 SiC 单晶电化学阳极氧化的电化学反应过程及电化学反应方程进行了详细介绍;第二,研磨抛光,即通过机械抛光工艺方法去除 SiO2氧化物改性层,将 SiO2氧化膜通过硬度小于 SiC 的研磨剂如 CeO2轻松去除,最终实现无划痕和亚表面损伤的要求。搭建了单晶 SiC 超声电化学阳极氧化与抛光试验平台,进行 SiC 单晶超声电化学阳极氧化试验系统设计以及抛光实验设计  。主要对试验装置进行了原理介绍与系统设计,介绍了超声电化学阳极氧化试验装置原理、阳极氧化电源模块、阳极氧化超声辅助模块、数据采集系统模块以及超声电化学阳极氧化试验装置、机械抛光试验设备
(2)通过 COMSOL Multiphysics 建立了 SiC 单晶电化学阳极氧化电场仿真模型,并利用多物理场接口进行耦合仿真研究,对单晶 SiC 电化学阳极氧化过程中的电场分布、成膜过程、电流密度分布进行了求解分析研究,对 SiO2氧化膜生成过程中,外加电压、阳极氧化时间、电流密度等进行了讨论研究。
参考文献(略)