一种激光辅助水合加工抛光方法与流程

本发明涉及超精密加工领域，尤其是一种针对硬脆半导体材料的超精密高效加工方法。

背景技术：

抛光技术一直都是超精密加工最主要的一种方法，是降低表面粗糙度、去除损伤层，获得光滑、无损伤表面的终加工手段。

半导体衬底作为集成电路、光电元件、大功率开关等先进半导体器件的基础。硬脆半导体衬底(蓝宝石、碳化硅等)往往具有优良的化学、机械性能。蓝宝石(α导体衬底作为)作为典型的半导体衬底材料被广泛应用于如Si、CdS、CdTe、GaN和ZnO等薄膜的外延生长，也是GaN为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物发光二极管(LED)的主要衬底材料。碳化硅晶片的主要应用领域有LED固体照明和高频率器件。该材料具有高出传统硅数倍的禁带、漂移速度、击穿电压、热导率、耐高温等优良特性，在高温、高压、高频、大功率、光电、抗辐射、微波性等电子应用领域和航天、军工、核能等极端环境应用有着不可替代的优势。而半导体衬底的表面质量直接影响器件的性能和寿命。因此，半导体衬底的高效、高质量加工是当前超精密加工领域的研究重点。

硬脆难半导体衬底主流的最终精加工主要依赖于游离磨粒化学机械抛光(CMP，chemical mechanical polishing)。CMP通过磨粒-抛光液-工件三者之间的化学作用与磨粒的机械作用来实现材料去除，能够获得Ra＜1nm的表面粗糙度，亚表面完整性较好的半导体衬底。但是，CMP的加工效率较低(材料去除率)，使半导体衬底的生产成本过高；游离磨粒的团聚和大颗磨粒会影响表面质量，造成亚表面的损伤；抛光均匀性较差，影响面型精度的控制；抛光液磨粒利用率较低，且环境友好性差。采用固着磨具的化学机械磨削(CMG，chemo-mechanical grinding)能缩短加工工序，实现无/微损伤平坦化加工，精确控制面型精度，且相对绿色环保。CMG能够在获得Ra＝0.5-2nm的表面粗糙度，无/微损伤亚表面，保证半导体衬底的面型精度。CMG相比于CMP在加工成本、面型精度控制、环境效益等方面具有独特的优势。但是传统CMG由于受到树脂材料热特性的影响，磨具的磨损(自锐性)不稳定，且无法应用于高温环境下的磨削加工，从而制约加工质量和加工效率。因此，急需一种新型的加工技术，能兼顾半导体衬底的加工效率，表面质量，亚表面完整性，面型精度，同时绿色环保。

水合抛光是一种利用工件界面上产生的水合反应，用抛光盘的摩擦力去除所形成的水合层的高效，超精密抛光方法。其主要特点是不使用磨粒和加工液，加工装置与普通抛光机相同，在水蒸气环境中进行加工。蓝宝石材料在进行水合抛光时，接触点的压力越高越能促进反应。传统水合抛光方法在抛光机上加保温罩，使工件在过热水蒸气介质中进行抛光，但是这种方法存在效率低的问题。激光抛光是利用激光与材料表面相互作用进行加工的，激光抛光技术利用激光的热效应，通过熔化、蒸发等过程去除材料。但由于温度梯度大而产生的热应力大,易产生裂纹会导致工件表面下的深层晶格结构被破坏。因此，以上这些方法抛光硬脆半导体基片都不够理想。

技术实现要素：

针对目前硬脆半导体衬底材料加工过程中的抛光难，效率低的问题，本发明提出了一种高效、高质量的激光辅助水合加工抛光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种激光辅助水合加工抛光方法，使硬脆半导体衬底材料工件表面布满富含氧气的水，同时将激光束打在工件上使其聚焦在工件表面，并移动激光束，使激光束均匀扫过工件任一点；在激光束迅速产生的高温下，水迅速蒸发为过热水蒸气，过热水蒸气分子与工件发生反应在工件表面形成水合层；然后通过抛光盘与工件之间的摩擦力去除工件表面的水合层，往复进行以上过程，实现重复反应和抛光，直至工件表面达到预期为止，从而实现超精密加工。

进一步，所述工件为蓝宝石单晶，α-AL2O3表面的氧原子是极化的，容易吸附H2O和分解吸附的H2O，使得H⁺与α-AL2O3表面的氧结合形成羟基(OH)^-；表面吸附水分子的速度和所吸附的水分子的脱离速度呈现平衡状态时，就由物理吸附转变为化学吸附，并以固体和气体间的扩散方式进行；当水蒸气温度达到200℃时，根据高压反应下的时间t＝10^-3s，其水合层的厚度为1nm；如此，过热水蒸气分子就会与蓝宝石工件发生反应在工件表面形成水合层；对于碳化硅(SIC)材料来说，会发生两种反应：一种是钝性氧化，化学方程式SiC+3/2O2＝SiO2+CO。潮湿气氛可以加速碳化硅材料(SIC)钝性氧化的速度，因此充满氧的水在激光的作用下会加速氧气与碳化硅材料表面的反应；另一种反应是碳化硅与水在高温下发生反应生成甲烷和二氧化硅，化学方程式是SiC+H2O＝CH4+SiO2，如此，过热水蒸气分子与工件发生反应在工件表面形成水合层。

再进一步，抛光过程中，抛光盘与工件表面接触，抛光盘材料为杉木抛光盘等。

本发明的技术构思为：将激光迅速产生高温的特点和水合抛光能获得无划痕、平滑、晶格无畸变的特点相结合，有效地解决激光加工易因高温损伤工件及水合加工效率低的问题，极大地提高加工效率的同时，实现工件表面高效高质量的抛光。

采用多工位加工的方法提高加工效率，在反应工位，聚集的激光束和水在工件表面发生水合反应形成水合层，源源不断的水流及使得水合反应能持续进行并且不会损伤工件内部结构，聚集的激光束能够迅速产生高温使得水合反应的效率得以提高。在抛光工位，工件表面的水合层在抛光盘压力的作用下被去除。往复进行上述步骤，最终实现硬脆半导体衬底材料工件的高效高质超精密加工。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种激光辅助水合加工抛光方法，可以实现对硬脆半导体衬底材料工件的高效高质量超精密加工。

(2)本发明与普通水合抛光硬脆半导体衬底材料工件方法比较，加工效率显著提高。

附图说明

图1是本发明方法对工件抛光的整体示意图。

图2是水合层的生成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案进行进一步说明：

参照图1和图2，一种激光辅助水合加工抛光方法，使硬脆半导体衬底材料工件30表面布满富含氧气的水，同时将激光束31打在工件30上并聚焦在其表面并移动激光束31，使激光束31均匀扫过工件30表面任一点；在激光束31迅速产生的高温下，含氧水迅速蒸发为过热水蒸气，以蓝宝石单晶为例，α-AL2O3表面的氧原子是极化的，容易吸附H2O和分解吸附的H2O，使得H⁺与α-AL2O3表面的氧结合形成羟基(OH)^-；表面吸附水分子的速度和所吸附的水分子的脱离速度呈现平衡状态时，就由物理吸附转变为化学吸附，并以固体和气体间的扩散方式进行；当水蒸气温度达到100～200℃时，根据高压反应下的时间t＝10^-3s，其水合层的厚度为1nm。如此，过热水蒸气分子就会与蓝宝石工件发生反应在工件表面形成水合层。对于碳化硅(SIC)材料来说，会发生两种反应：一种是钝性氧化，化学方程式SiC+3/2O2＝SiO2+CO。潮湿气氛可以加速碳化硅材料(SIC)钝性氧化的速度，因此充满氧的水在激光的作用下会加速氧气与碳化硅材料表面的反应；另一种反应是碳化硅与水在高温下发生反应生成甲烷和二氧化硅，化学方程式是SiC+H2O＝CH4+SiO2，如此，过热水蒸气分子就会与硬脆半导体衬底材料发生反应在工件表面形成水合层，过热水蒸气分子与工件30发生反应在工件30表面形成水合层32。

抛光过程中，抛光盘22与工件30表面接触，其中抛光盘22转速在30r/min～100r/min之间,抛光盘22对工件表面压强为1000～2000MPa，抛光盘22材料为杉木等。通过抛光盘22与工件30之间的摩擦力去除工件30表面的水合层32，从而实现超精密加工。往复进行以上过程，实现重复反应和抛光，直至工件表面达到预期为止。如此便可实现硬脆半导体衬底材料的高效高质超精密加工。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。