碳化硅晶圆加工过程损伤机理的实验与仿真研究

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随着第三代半导体研究的进一步深入,碳化硅(SiC)晶片凭借其独特的性能克服了硅晶片的局限性,在市场上获得了广泛的应用,这使得SiC晶片在多个领域取得了突破性进展,包括航天航空、汽车等行业。SiC具有带隙宽、导热系数高、键能高等特点。由于其硬度仅低于金刚石,在半导体加工过程中很难进行切割。SiC半导体器件还主要处于研发阶段,但工艺基本类似于硅(Si)半导体的生产工艺。切割过程是半导体加工的第一阶段,在此过程中晶锭被切割成晶圆片,这种工艺会产生大量的表面缺陷。如果不去除缺陷,缺陷将被复制到外延层。因此本文基于分子动力学及纳米划痕实验,对磨削过程产生的缺陷进行系统研究,通过实验得出其延塑性转变过程及损伤机理;通过分子动力学得出其微观相变过程。采用分子动力学模拟的方法,其结果表明:SiC磨削过程是材料塑性去除过程,磨削后更多的SiC原子晶体结构变为非晶态结构。较高的切削速度可以使材料更具韧性,更容易去除,也可以得到更好的工作表面。后续工作对刀具的前后角进行了分析,最佳刀具参数为小负前角(-30°)和大间隙角(15°)。通过最优刀具参数的确定,分析了串并行刀具磨削过程。结果表明串并行磨削皆会产生较深的纵向损伤,并行磨削时,会出现深埋缺陷,同时较大的双磨粒间距可以有效避免中间的切屑对刀具产生侧向力,避免刀具的折损。而串行刀具进行磨削时,后续刀具所磨削的为回弹部分,该刀具未受较大的力,但是可以将回弹部分有效去除,从而更快的达到目标平面。在纳米划痕上进行单次和重复纳米划痕过程。研究了划痕的表面形貌、摩擦系数和缺陷。发现了延塑性转变过程和脆性的去除剥落过程。结果表明:随着划痕次数的增加,表面质量降低,韧脆性转变向前推进,缺陷增加,但材料去除率提高。拉曼光谱分析结果表明,在划痕过程中发生了严重的位错和相变,而重复划痕可以消除前一次划痕造成的亚表面损伤。运用激光改性过程,对SiC表面进行预处理。结果发现SiC表面经过激光改性,摩擦系数会进一步降低,但表面平整度较低,经过划痕过程,表面平整度有所改善。
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