硬核软壳纳米复合磨粒的半固结柔性加工技术基础研究

Adopting traditional free abrasive lapping and chemical mechanical polishing method used for silicon wafer to machine the third generation semiconductor substrates single crystal silicon carbide and sapphire is quite unsuitable, leading to low efficiency, abrasive waste and environment pollution. This project proposes a new semi-consolidated flexible polishing tool using hard core-soft shell nano composite abrasive to realize the high efficiency, ultra precision, no damage, green machining of these substrates. The research focus on coating submicron diamond core with nano oxide shell by hydrolyzing. The kind and structure of the oxide shell should be ajusted acording to the first-principles calculation. The mechanical chemical reaction and material removal mechanism of the nano composite abrasive on different crystal structure and plane will also be studied. Drying control chemical additives and active agents are utilized to strengthen the mechanical proporty of sodium alginate sol-gel bond and to improve the wetting and holding of the bond on the nano composite abrasive. By measuring and detecting the characteristic 3D surface parameters of the tools and the wafers, the machining process could be effectively optimized to obtain the high efficiency soft polishing of single crystal silicon carbide and sapphire, contributing to the theoretical and technical system of machining new generation hard, brittle, anti-corrosion semiconductor substrates.

第三代半导体基片单晶碳化硅和蓝宝石的加工，沿用传统硅晶圆游离磨料研磨和化学机械抛光的方法，存在效率低、磨料消耗大、环境污染严重的问题。本项目提出硬核软壳纳米复合磨粒半固结柔性抛光新方法，用于单晶碳化硅和蓝宝石的高效率超精密无损伤绿色加工。重点解决活性纳米氧化物壳层在亚微米金刚石核上的水解涂覆，依据第一性原理计算指导壳层的种类和结构设计，明确纳米复合磨粒与晶片不同晶型晶面的机械化学作用和去除机理。以海藻酸钠溶胶凝胶反应为基础，选用干燥控制添加剂和活性剂，在保证抛光膜机械性能的基础上，提高生物高分子基材对纳米复合磨粒的浸润和把持，研究界面的分子键合和桥连机制。通过工具和晶片的表面三维粗糙度特征参量提取控制工艺过程，实现单晶碳化硅和蓝宝石的机械化学高效柔性加工，为新型硬脆性耐腐蚀半导体基片的加工提供系统的理论和技术指导。

碳化硅和蓝宝石衬底的硬度高、脆性大并且化学性能稳定，被视为典型的难加工材料。其超精密抛光技术沿用传统硅晶圆的加工方式，面临着加工效率低，加工成本高，且磨料易团聚，酸碱性抛光废液污染环境等一系列问题。本项目采用硬核软壳纳米复合磨粒半固结柔性抛光新方法，实现了单晶碳化硅和蓝宝石的高效率超精密无损伤绿色加工。解决了活性纳米氧化物壳层在亚微米金刚石核上的水解涂覆，明确了纳米复合磨粒与碳化硅和蓝宝石晶片的机械化学作用和去除机理。以海藻酸钠溶胶凝胶反应为基础，选用干燥控制添加剂和造孔剂，在保证抛光膜机械性能的基础上，提高了生物高分子基材对纳米复合磨粒的浸润和把持，研究了表面修饰对界面的分子键合和桥连机制。采用直接拉拔法和抗拉强度法测量了磨粒在凝胶基体中的界面结合强度，并通过磨粒在软质基盘表面的压痕分布量化了磨粒的容没尺度。通过复合磨料柔性抛光单晶碳化硅和蓝宝石材料，去除率大于0.8 μm/h，平面度低于2 μm，表面粗糙度优于0.3 nm，材料分别以氧化硅和富铝红柱石的形式去除。本项目的实施不仅是第三代半导体基片加工的新技术和新理论，同时还能广泛用于各种硬脆性材料的超精密加工，完善超细磨粒加工去除机理和柔性抛光理论。还能为纳米复合粉体的可控制备、物化性能研究及表面改性、界面反应和加工检测等方面的研究提供共性的理论及技术指导。