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專題

碳化硅材料研究現狀

中國粉體網 2018/12/17 08:34:52 點擊 2975 次

導讀 半導體器件是現代工業整機設備的核心,廣泛應用于計算機、消費類電子、網絡通信、汽車電子等核心領域,半導體器件產業主要由四個基本部分組成:集成電路、光電器件、分立器件、傳感器,其中集成電路占到了80%以上,因此通常又將半導體和集成電路等價。

中國粉體網訊  半導體器件是現代工業整機設備的核心,廣泛應用于計算機、消費類電子、網絡通信、汽車電子等核心領域,半導體器件產業主要由四個基本部分組成:集成電路、光電器件、分立器件、傳感器,其中集成電路占到了80%以上,因此通常又將半導體和集成電路等價。


集成電路,按照產品種類又主要分為四大類:微處理器、存儲器、邏輯器件、模擬器件。然而隨著半導體器件應用領域的不斷擴大,許多特殊場合要求半導體能夠在高溫、強輻射、大功率等環境下依然能夠堅持使用、不損壞,第一、二代半導體材料便無能為力,于是第三代半導體材料便應運而生。


目前,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶半導體材料以更大的優勢占領市場主導,統稱第三代半導體材料。第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度,更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更高的抗輻射能力,更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,通常又被稱為寬禁帶半導體材料(禁帶寬度大于2.2eV),亦稱為高溫半導體材料。從目前第三代半導體材料和器件的研究來看,較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導體材料,且碳化硅技術最為成熟,而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。


一、材料及其特性


碳化硅材料普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導體材料、陀螺、測量儀、航空航天等領域,已經成為一種在很多工業領域不可替代的材料。


SiC是一種天然超晶格,又是一種典型的同質多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會導致不同的晶體結構,有著超過200種(目前已知)同質多型族。因此SiC非常適合用作新一代發光二極管(LED)襯底材料、大功率電力電子材料。



碳化硅的物理化學性能


二、加工工藝研究


SiC的硬度僅次于金剛石,可以作為砂輪等磨具的磨料,因此對其進行機械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光,其中金剛石砂輪磨削加工的效率最高,是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不僅具有高硬度的特點,高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層,且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷,影響加工精度。因此,深入研究SiC磨削機理與亞表面損傷對于提高SiC磨削加工效率和表面質量具有重要意義。


1、硬脆材料的研磨機理


對硬脆材料進行研磨,磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時,隨著研磨加工的進行,在研磨載荷的作用下,部分磨粒被壓入工件,并用露出的尖端劃刻工件的表面進行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動而產生滾軋作用,使工件的表面形成微裂紋,裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑,從而達到表面去除的目的。


因為硬脆材料的抗拉強度比抗壓強度要小,對磨粒施加載荷時,會在硬脆材料表面的拉伸應力的最大處產生微裂紋。當縱橫交錯的裂紋延伸且相互交叉時,受裂紋包圍的部分就會破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時的切屑生成和表面形成的基本過程。


由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料,需要采用專用的研磨液,碳化硅研磨的主要技術難點在于高硬度材料減薄厚度的精確測量及控制,磨削后晶圓表面出現損傷、微裂紋和殘余應力,碳化硅晶圓減薄后會產生比碳化硅晶圓更大的翹曲現象。


2、碳化硅的拋光加工研究


目前碳化硅的拋光方法主要有:機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光(CMP)、電化學拋光(ECMP)、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕(CACP/CARE)、摩擦化學拋光(TCP,又稱無磨料拋光)和等離子輔助拋光(PAP)等。


化學機械拋光(CMP)技術是目前半導體加工的重要手段,也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法,是能在加工過程中同時實現局部和全局平坦化的唯一實用技術。


CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。通過研究工藝參數對SiC材料拋光速率的影響,結果表明:旋轉速率和拋光壓力的影響較大;溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應盡量提高轉速,雖然增加拋光壓力也可提高去除速率,但容易損壞拋光墊。


目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問題,且無磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法,由于要求的條件苛刻、裝置操作復雜,目前仍處在實驗室范圍內,批量生產的實現可能性不大。


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