用于碳化硅晶體的光學級平面加工的拋光裝置及加工方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及晶體加工技術領域，具體涉及一種用于碳化硅晶體的光學級平面加工 的拋光裝置及采用該裝置獲得碳化硅晶體的光學級平面的加工方法。
【背景技術】
[0002] 碳化硅晶體是第三代寬帶隙半導體材料，和第一代硅、第二代砷化鎵半導體材料 相比，具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率高、電子飽和漂移速率高、電子遷移率高、介電 常數(shù)小、抗輻射性能強、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)良的物理化學性質，以及與硅集成電路工藝兼容 等特點，優(yōu)良的性能使得碳化硅晶體成為制造高溫、高頻、大功率、抗輻射、不揮發(fā)存儲器件 及光電集成器件的優(yōu)選材料，成為國際上新材料、微電子和光電子領域研究的熱點。同為第 三代寬帶隙半導體的氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅等單晶材料雖然性能同樣優(yōu)異，但晶體生長制 備非常困難，而碳化硅單晶材料經過多年的研究其生長技術已經取得突破，為大規(guī)模產業(yè) 化應用奠定了基礎。
[0003] 將碳化硅晶體應用于器件需加工成一定尺寸的晶片，基本工藝包括晶體生長、晶 錠裁切與檢測、外徑研磨、切片、倒邊、表層研磨、蝕刻、拋光等步驟。由于碳化硅晶體硬度很 高，僅次于金剛石，這為晶體加工帶來很大的困難，尤其是碳化硅晶片的光學級表面加工， 加工速度緩慢，耗用時間長。碳化硅材料的表面光學加工工藝與傳統(tǒng)的光學材料相似，但 是由于其硬度較高，因此單位時間內的材料表面的去除量較小，磨料必須改用碳化硼或是 人造金剛石微粉才能對其表面進行更有效的磨削，其加工方法通常采用數(shù)控光學加工技術 CCOS(Computer-controlledOpticalSurfacing)。數(shù)控光學加工技術根據(jù)定量的面形檢 測數(shù)據(jù)，在加工過程控制模型的基礎上，用計算機控制一個小磨頭對光學零件進行研磨或 拋光，通過控制磨頭在工件表面的駐留時間及磨頭與工件間的相對壓力來控制材料的去除 量。在加工過程中，由于小磨頭能夠相對有效地跟蹤非球面表面各點曲率半徑的變化，因而 能與非球面的面形良好吻合從而可獲得很高的加工精度；同時采用計算機控制，應用定量 的檢測結果指導加工過程，它充分發(fā)揮了計算機執(zhí)行速度快，記憶準確等優(yōu)勢，因而使加工 的重復精度及效率大幅度提高，尤其是對于高硬度的碳化硅材料來講，其非球面加工效率 可大大提高。
[0004] 利用數(shù)控光學加工技術加工碳化硅光學級表面時，雖然加工精度加工效率都相當 高，但是設備投入成本也相當大，因此不適用于小批量碳化硅晶片光學級表面的加工。

【發(fā)明內容】

[0005] 鑒于現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明人意識到，對于小批量碳化硅晶片的光學 級表面的加工時如果采用常用的CC0S加工技術，加工成本太高。通過將常規(guī)晶體的浮法環(huán) 拋技術進行改進以使其滿足碳化硅晶體的加工要求，同時通過改善拋光工藝參數(shù)，結合激 光干涉儀進行加工平面的光學檢測，可能可以滿足碳化硅晶體的光學級平面的加工要求。
[0006] 鑒于上述認識，一方面，本發(fā)明提供一種用于碳化硅晶體的光學級平面加工的拋 光裝置，包括： 承載拋光液且能夠旋轉的拋光底盤； 位于所述拋光底盤上方且用于承載待拋光晶片的各向拋光分離環(huán)；以及 使各向拋光分離環(huán)旋轉的傳動機構； 其中，所述各向拋光分離環(huán)包括分離外環(huán)和位于所述分離外環(huán)中圍繞其軸心設置的多 個分離內環(huán)，所述分離內環(huán)的外部、分離外環(huán)的內部分別具有能夠相互嚙合并能夠與所述 傳動機構的傳動齒輪嚙合的齒輪狀結構以使待拋光晶片的旋轉速率、拋光磨料供給、和拋 光運行軌跡保持相對一致。
[0007] 本發(fā)明采用各向拋光分離環(huán)替代了常用的游星輪，可以單片進行拋光，也可以多 片一起進行拋光，還可以將多片不同規(guī)格的晶片同時進行拋光，提高了拋光效率。而且，使 單位時間內各加工晶片的旋轉速率、磨料供給、拋光運行軌跡等都保持相對一致，可有效提 高晶片加工結果的一致性而提高拋光質量。
[0008] 較佳地，所述拋光裝置還可以包括對晶片的表面進行光學檢測的激光干涉儀。這 樣可以對晶片的表面進行光學檢測并根據(jù)檢測結果控制拋光過程，例如在粗拋光和精拋光 得到的晶片滿足規(guī)定要求后再進入以下拋光工序，從而可以滿足碳化硅晶體的光學級平面 的加工要求。
[0009] 較佳地，所述分離外環(huán)的底部配置有放射狀太陽槽。這樣可以有效提高拋光液與 晶片拋光面的接觸率，提高拋光效率。
[0010] 較佳地，所述拋光底盤為開槽金屬盤或粘貼拋光布的不銹鋼盤。這樣可以根據(jù)不 同的拋光要求選擇合適的拋光底盤。
[0011] 較佳地，所述各向拋光分離環(huán)的材質為高分子聚合物材料，如聚四氟乙烯、尼龍 等。這樣，分離環(huán)可以耐磨，易于加工成型，并且不損傷晶片。
[0012] 另一方面，本發(fā)明還提供一種采用上述拋光裝置獲得碳化硅晶體的光學級平面的 加工方法，包括： 對碳化硅晶錠進行整形、定向、切割至所需規(guī)格的晶片后進行倒邊處理得到至少一個 待拋光晶片的預處理工序；以及 將至少一個待拋光晶片進行表面拋光至光學級表面的拋光工序； 在所述拋光工序中，單位時間內所述至少一個待拋光晶片的旋轉速率、磨料供給、和拋 光運行軌跡保持相對一致。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的加工方法，在所述預處理工序中，對所述碳化硅晶片進行倒邊，可以 使碳化硅晶片的鋒利邊角圓滑化，從而有效增加了單位時間內晶片表面拋光液的接觸率， 提高了拋光效率，而且降低了晶片邊角對拋光布的損傷，有效提高了拋光布的使用壽命。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的加工方法，在所述拋光工序中，可以單片進行拋光，也可以多片一起 進行拋光，還可以將多片不同規(guī)格的晶片同時進行拋光，而且多片晶片的旋轉速率、磨料供 給、和拋光運行軌跡保持相對一致，從而可以提高拋光效率，并有效提高晶片加工結果的一 致性而提高拋光質量。
[0015] 較佳地，在所述整形、定向、切割工序中，將碳化硅晶錠進行整形、定向處理至所需 晶向，待晶向矯正后再將晶錠整形至所需形狀，然后用多線切割機進行切片。這樣，可以高 效率地獲得所需形狀、晶向、尺寸的晶片。
[0016] 較佳地，所述拋光工序依次包括粗拋、精拋、和化學機械拋光（CMP)。這樣可以有效 地去除晶片表面的劃痕，提高晶片加工表面的平面度。
[0017] 較佳地，在所述粗拋工序中，所述拋光底盤為開槽銅盤，拋光液為粒徑為3~5i!m 的粗顆粒鉆石拋光液。這樣，可以獲得粗糙度在納米級、表面劃痕較淺、平面度較高的晶片。
[0018] 較佳地，在所述精拋工序中，所述拋光底盤為開槽錫盤，拋光液為粒徑為0. 5~ 1Um的細顆粒鉆石拋光液。這樣，可以獲得表面基本上無劃痕或劃痕極少、極淺，平面度很 商的晶片。
[0019] 較佳地，在所述化學機械拋光工序中，所述拋光底盤為粘貼拋光布的不銹鋼盤，拋 光液為添加氧化劑的粒徑為〇. 05~0. 1ym的超細顆粒鉆石拋光液。這樣，可以獲得表面 完全無劃痕，平面度達到要求的晶片。
[0020] 較佳地，所述氧化劑包括雙氧水、氧化鉻或高錳酸鉀。
[0021] 較佳地，在所述拋光工序中，還可以分別在所述至少一個待拋光晶片的背面加規(guī) 定的標準壓塊。這樣可以提高加工表面的去除率。
[0022] 本發(fā)明通過對碳化硅晶片進行倒邊處理，增加了單位時間內晶片表面拋光液的接 觸率，提高拋光效率，并且降低了晶片邊角對拋光布的損傷，有效提高拋光布的使用壽命； 通過合理設計晶片批量拋光分離環(huán)、拋光盤結構，以及不同拋光工序選擇合適的拋光液措 施，提_碳化娃晶片的拋光質量和效率。
【附圖說明】
[0023] 圖1示意性地示出本發(fā)明的拋光裝置及其運動狀態(tài)； 圖2示意性地示出本發(fā)明的拋光裝置中所用的各向拋光分離環(huán)； 圖3示出本發(fā)明方法中加工后晶片光學級表面的平面度； 圖4示出本發(fā)明方法中加工后晶片光學級表面的粗糙度。
【具體實施方式】
[0024] 以下，參照附圖，并結合下述實施方式進一步說明本發(fā)明。應理解附圖及下述實施 方式僅是示例性地說明本發(fā)明，并不是限定本發(fā)明，在本發(fā)明的宗旨和范圍內，下述實施方 式可有多種變更。
[0025] 〈拋光裝置〉 圖1示意性地示出本發(fā)明的拋光裝置及其運動狀態(tài)。如圖1所示，該裝置可包括拋光 底盤1、位于拋光底盤上的分離環(huán)、和傳動機構。
[0026] 其中，拋光底盤1可以承載用于拋光碳化硅晶片的拋光液，而且能夠旋轉，例如可 以在拋光底盤驅動馬達(未圖示）的驅動下旋轉。另外，拋光底盤1可以根據(jù)需要設置為開 槽金屬盤或粘貼拋光布的不銹鋼盤。
[0027] 傳動機構可包括用于驅動分離環(huán)的驅動馬達(調速馬達)5以及與分離環(huán)嚙合而將 動力傳遞至分離內環(huán)3的傳動齒輪4。驅動馬達5例如可以采用小功率無級變速馬達。通 過調節(jié)驅動馬達5的轉速，可以使分離環(huán)以規(guī)定的轉速旋轉。
[0028] 圖2示意性地示出本發(fā)明的拋光裝置中所用的各向分離環(huán)。如圖2所示，各向分 離環(huán)包括分離外環(huán)2和位于所述分離外環(huán)中圍繞其軸心設置的多個分離內環(huán)3。分離內環(huán) 3的外部、分離外環(huán)2的內部分別具有能夠相互嚙合并能夠與傳動機構的傳動齒輪4相嚙合 的齒輪狀結構，從而可以使分離外環(huán)2以及各分離內環(huán)3以相同的速率旋